«Апроксимация апекса» или эффект Мосолова
Еще одна интересная статья из жж Андрея Фирсова.
1 октября на Причистинке будет презентация книги, посвященной Герою Советского Союза, Заслуженному летчику-испытателю СССР Георгию Константиновичу Мосолову:
Мосолов довольно много наговорил на магнитофон – что там вошло в книгу, что осталось за кадром – трудно сказать. Но в своих воспоминаниях Мосолов упомянул забавный эффект со своим «любимым» МиГ-21, на котором в частности ставил абсолютный рекорд скорости. При полете строго по прямой на сверхзвуковой скорости самолет неожиданно делал бочку. А потом продолжал полет, как ни в чем не было. Пилот при этом никакой «дачи рулей» не проводил… (типа, самолет проверял пилота – «ты там живой или, че, ластами не шевелишь?»)
МиГ-21 – он, да, чудесатый, но эта история напомнила об еще одном аэродинамическом парадоксе.
На истребителе-бомбардировщике Су-17. На самолете, который вроде как был всего лишь модификацией хорошо освоенного Су-7, была выявлена «поперечная разбалансированность», и до такой степени, что самолет мог сорваться в штопор. Причем левый и правый штопор носили различный характер. Причину такого явления искали достаточно долго, хотя несимметричная установка одной штанги приемника воздушного давления, как бы «намекала».
Первая модификация Су-17 с одной штангой ПВД
Дело в том, что в аэродинамике принят принцип соответствия масштаба события (например, «штопора») с явлением, которое его вызывает. А вот тут небольшой вихрь, который образовывался на штанге ПВД, явно был недостаточен для серьезного ухудшения штопорных характеристик и поперечной устойчивости. Однако рискнули проверить – поставили вторую, «запасную» штангу ПВД на левый борт и, о чудо, проблема практически ушла.
Модернизированный Су-17М с двумя штангами в носу
В результате с первой серьезной модификации – Су-17М – самолет обзавелся такой характерной особенностью, как две штанги ПВД, торчащие перед носом. Вроде проблему решили, но эта история аэродинамиков «слегка» озадачила…
Две таких парадокса заставили поискать, а не встречалось ли что-то похожее и на других самолетах. Интересные данные оказались в результатах продувок американского истребителя Локхид «Старфайтер». Самолет имел очень специфическую компоновку – длинный фюзеляж – «тело вращение» на конус в носовой части.
И действительно, при продувках на штопор выяснилось, что на больших углах атаки возникает сильный боковой момент – «пик» при 50 гр. и при угле скольжения 0 гр. То есть условия близкие, если не считать угла атаки. Но, учитывая, что тело «на конус» — угол атаки в «местной аэродинамике» мог быть больше. Тем более американцы «дули» при малых числах Рейнольдса – на скоростях до М=0,2. При этом наблюдалось «парадоксальное» поведение срыва потока из под носовой части – прерывистый, направо и налево. Скос потока при этом попадал на стабилизатор, понятно резко снижая управляемость. И это на самом опасном режиме, понятно, – «Здравствуй штопор»!
Чтобы как-то бороться с этим явлением, американцы предложили установить носовой наплыв – горизонтальную пластину слева на носу модели «Стафайтера». То есть, если «явление» проявляется при нулевом скольжении, то следует вызвать асимметричность обтекания носовой части. Как бы имитировать скольжение в прямом полете. При этом отмечалось, что для положительного эффекта пластина должна идти от ПВД в носу до кабины – то есть практически вдоль всей «конусности» фюзеляжа.
Из этого можно предположить, что причиной явления, был скачок давления, образующийся на конусовидной носовой части «тела вращения». В идеале, воздушный поток, встречаясь с цилиндром при определенной угле атаки, должен равномерно обтекать его вправо и влево. Вот американцы визуализируют на модели «Старфайтера» дымами:
Видна несимметричность обтекания с наплывом (апексом, пардон мой фрэнч)
Обычное обтекание цилиндра при малых числа R.
Но что будет в «экстремальной случае», когда поток попадает в точке, где «угол встречи» потока точно 0 гр.?
Формально там в случае воздушного потока должна образовываться небольшая область высокого давления, которая в любом случае, будучи неустойчивой «на шаре» должна смещаться вправо или влево.
За цилиндром образуется «дорожка Картмана»
Однако, с ростом скорости все большую роль играет эффект сжимаемости воздуха. В результате с определенного момента воздушный поток начинает тормозиться уже не на фюзеляже, а на «скачке давления» перед ним.
В результате «под носом» самолета при благоприятных условиях (хорошая симметричность фюзеляжа, отсутствие скольжения) образуется «борода» приличной присоединенной массы.
При этом явление развивается очень быстро и фактически тогдашними средствами визуализации воздушных потоков не фиксировалось. Понятно, что такая «борода», упираясь в «шар», была неустойчива в потоке и в определенный момент срывалась вправо или влево (то самое «парадоксальное» явление прерывистого срыва потока из под носовой части). В зависимости от величины «присоединенной массы» при этом должен был создаваться боковой момент сил.
Причем, опять же парадокс – чем лучше выполнен фюзеляж самолета в плане симметрии и точнее пилот держит курс без скольжения, тем больше «присоединенной массы» он может получить и больше будет кренящий момент. Такой вот сюрприз только для хороших пилотов!
Вернемся к Су-17. Штанга ПВД фактически в нем играла роль пластины-наплыва, которую предлагали американцы для «Старфайтера», но с заведомо ухудшенными параметрами (у американцев от носа до кабины, а здесь только в носовой части и с выносом вперед).
Понятно, что штанга ПВД Су-17 генерировала вихрь, который нарушал симметричность обтекания носовой части. С одном стороны такой вихрь не мог еще исключить появления скачка давления с большой присоединенной массой, с другой смягчал явление и создавал асимметричность (влево) на «срывных режимах».
С установкой второй штанги ПВД фактически вихреобразование в носовой части уже Су-17М стало «вдвое» более интенсивным, и соответственно, условия для образования серьезной присоединенной массы под носом фюзеляжа ухудшились – эффект практически пропал.
То есть ПВД на Су-17М «лечили» не симптомы, а устраняли причину возникновения «болезни» — не позволяли образовываться скачку давления под носовой части, на котором могла вырасти область торможения потока с приличной массой. Так что, ура, принцип аэродинамики «соответствия масштаба события явлению его вызывающему» таки соблюдается!
Нафиг, нафиг ваши парадоксы!
PS. Особыми красками заиграла высокая аварийность локхидовского «Старфайтера».
Если Егер считал, что компоновка F-104 приводила к невозможности вывести его из критических режимов срывного обтекания сразу на крыле и стабилизаторе (Как не надо делать самолеты — 4, или, что ж ты, Келли Джонсон, «летающих гробов» наклепал?), то «эффект Мосолова» приводил к тому, что пилот «Старфайтера» мог попасть в критический режим фактически не совершая никаких ошибок при пилотировании! Чисто по воле самолета. И никаких шансов выкрутиться.
Вот например, одна из самых известных катастроф с F-104 — истребитель сопровождает бомбардировщик «Валькирия» в демонстрационном полете (справа ближний к бомберу).
Полет по прямой всего лишь, и вдруг неожиданно «Старфайтер» делает «кадушку» («бочку с торможением») и оказывается над «Валькирией» верх пузом, снеся с бомбера кили…
«Вдоводел», такой он «вдоводел»!
