.
Меню сайта
|
"Звуковой барьер" и "Тепловой барьер""Звуковой барьер" и "Тепловой барьер"В 50-х годах самолеты преодолели «звуковой барьер» — их скорость стала больше скорости звука, т. е. больше 1200 км/час, или 340 м/сек (на большой высоте, где температура ниже, скорость звука уменьшается). Преодолеть этот барьер было нелегко. Когда какое-нибудь тело, например крыло самолета, движется, в воздушной среде возникают возмущения в виде волн сжатия и разрежения (рис. 4). Они «подготовляют» воздух к обтеканию крыла: частицы воздуха приобретают скорость и «расступаются» еще до того, как их достигнет передняя кромка крыла. Но так будет лишь в том случае, если скорость движения крыла меньше скорости звука, с которой распространяются возмущения. Только при этом условии возмущения смогут обогнать крыло и «подготовить» воздух к «встрече» с ним. В результате воздух плавно обтекает крыло.
Если же крыло двигается быстрее, чем звук, то возмущения уже не обгоняют крыло и не подготавливают воздух к «встрече». Мало того, распространяясь во все стороны в неподвижном воздухе, эти возмущения будут накопляться, сжимая воздух, как это показано на рисунке, вдоль двух линий, которые называются ударными волнами. Обтекание крыла уже не будет плавным. Это создает дополнительное, так называемое волновое сопротивление. (Когда самолет пролетает со сверхзвуковой скоростью, то на земле мы часто слышим как бы удары грома — это доходит до нас ударная волна). Поэтому при сверхзвуковой скорости сопротивление движению значительно больше. В аэродинамике удобно измерять скорость не в метрах в секунду или километрах в час, а в отношении скорости полета к скорости звука. Эта величина называется числом Маха:
Число М=1 соответствует скорости полета около 1200 км/час, или 340 м/сек. Чем больше число М, тем сильнее проявляется сжимаемость воздуха. При небольшой дозвуковой скорости, когда число М меньше 0,7 , сжимаемостью воздуха можно пренебречь: воздух ведет себя так же, как любая жидкость. Раздел аэродинамики, изучающий обтекание различных тел воздухом без учета его сжимаемости, называется гидродинамикой, в отличие от газовой динамики, в которой учитывается сжимаемость воздуха. Преодоление «звукового барьера», т. е. завоевание самолетами скоростей, соответствующих числу М>1, потребовало от ученых и инженеров широких исследований в газовой динамике. Они стремились уменьшить аэродинамическое сопротивление и создать как можно более плавное обтекание самолета. Сейчас летчик даже не замечает, когда самолет превышает скорость звука, а многие первые попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах кончались катастрофой: самолет начинало бросать, он переставал быть управляемым. Ученые продолжают искать, как еще больше увеличить скорость самолета. И тут обнаруживаются новые интересные явления. Вот самолет подготовлен к рекордному полету. Он выглядит совсем новым, как будто и не совершили на нем множество тренировочных полетов. «Взлет разрешаю!» — передает по радио руководитель полетов, и самолет стремительно уходит ввысь. Через полчаса, когда он идет еще на посадку, уже известно: в течение нескольких минут самолет превысил скорость звука больше чем вдвое. Знакомая во всех деталях машина подруливает к ангару. Но что это? Краска, которой написаны большие опознавательные номера, потемнела и обуглилась; сверкающая металлическая поверхность самолета во многих местах покрылась пятнами; помутнели стекла кабины летчика. Такое впечатление, будто самолет побывал в раскаленной печи. Но ученые и инженеры ждали этого! Сжатие нагревает газ, и он передает теплоту окружающим предметам. Поэтому, например, нагревается насос, когда накачивают велосипедную шину. То же происходит и с самолетом: при полете с большим числом М он сильно нагревается. Иными словами, преодолев звуковой барьер, самолеты встречаются с тепловым барьером. Если полет происходит в стратосфере (т. е. выше 11 км), где температура воздуха равна — 56,5° Ц, то на поверхности самолета температура может достигать:
Все материалы при нагревании становятся менее прочными. Так, у алюминия, который чаще всего применяется в конструкциях самолетов, прочность снижается очень заметно при температуре около + 200° Ц. Чтобы преодолеть тепловой барьер, будут применены новые жаростойкие материалы из металлов и полимеров (уже сейчас для самолетов начинают применять сталь и титан), но, конечно, изменится и форма самолета. Это сделают ученые и конструкторы. Если еще больше увеличить скорость полета (до числа М=10—15), температура воздуха станет такой большой, что уже необходимо учитывать изменения физических и химических свойств газов, образующиеся у самого крыла. Исследование течения воздуха при таких скоростях началось сравнительно недавно, и получены лишь первые результаты.
|
ПОИСК
Block title
|