Взгляд из США 1944 года на достижение сверхзвуковых скоростей
Взгляд из США 1944 года на достижение сверхзвуковых скоростей
Интересная винтажная статья из октябрьского 1944 года выпуска журнала «Популярная наука» (Popular Science), которая, думаю, заинтересует коллег.
Можем ли мы летать быстрее звука?
Кажется, что путь к высоким скоростям самолетов преграждает непреодолимый барьер. Можем ли мы преодолеть его? Наш авиационный редактор излагает свой взгляд на решение этой проблемы
Несмотря на кричащие газетные сообщения, человек все еще не может летать со скоростью звука. По мнению лучших экспертов представляется сомнительным, что человек сможет приблизиться к скорости звука (764 мили в час [1229 км/ч] на уровне моря и 664 мили в час [1068 км/ч] на высоте 40000 футов [12192 м]) не говоря уже о том, чтобы достичь или превзойти её. Горизонтальный полет на скорости свыше 500 миль в час (805 км/ч) представляет собой серьезную проблему для авиаконструкторов и инженеров-моторостроителей. Даже в пикировании с предельной скоростью (непосредственно вниз с двигателем на полной мощности) представляется сомнительным, чтобы какой-нибудь пилот достиг скорости звука.
Есть две причины нашей неспособности достичь скорости звука на современных самолетах: во-первых, недостаток мощности силовой установки; и, во-вторых, такая маленькая безделица как число Маха. Вторая причина является более важной, поскольку она отвечает за первую, и поэтому давайте подробнее изучим, что из себя оно представляет.
По большому счету такая вещь как число Маха существует исключительно для удобства. Оно представляет собой отношение любой скорости к скорости звука. Например, число Маха 0,5 означает, что скорость, описанная таким образом, составляет 50 процентов от скорости звука.
Важность числа Маха состоит в том, что когда объект начинает подниматься по скоростной шкале вверх к скорости звука, может произойти множество разных ситуаций; число Маха указывает чего можно ожидать при том или ином значении. Например, когда число Маха плоскости достигает 0,5, мы сталкиваемся с тем, что называется сжимаемостью.
Сжимаемость – это точка, в которой объект начинает создавать волны в среде, через которую он проходит. Лодка медленно движется вперед по воде, и никаких волн не появляется. Она начинает двигаться быстрее, и ее начинают обтекать волны. Эти волны вызваны тем, что лодка движется слишком быстро, чтобы вода могла расступиться, дать корпусу пройти, а затем течь вместе позади него. Для каждого объекта существует критическая скорость, при которой возникают эти волны.
Прежде чем появятся волны лодка с острым носом разовьет большую скорость, чем баржа с квадратным носом. Даже последняя может двигаться без волн до определенной скорости, поскольку любому объекту, движущемуся через жидкость, предшествует волна сжатия. Эта волна сжатия подготавливает среду для прохождения объекта, который ее вызывает.
В случае, когда объект такой как летательный аппарат, снаряд или пропеллер движется по воздуху, эта волна давления, которая для него «создает помехи», движется со скоростью звука. Воздух, внесенный волной давления, подготавливается таким образом, чтобы он разделяется и обтекает объект, а затем соединяется с частицами воздуха позади него.
Мы также знаем, что воздух, обтекающий любой объект, должен сначала ускориться, а затем снова замедлиться, чтобы позволить объекту пройти. Это может быть капот двигателя, крыло, хвост или фонарь кабины. При скорости самолета, соответствующей числу Маха 0,5, часть воздуха, проходящего над верхними поверхностями самолета, уже достигла более высокого числа Маха. Чтобы пройти над верхними поверхностями самолета этой части воздуха приходится двигаться намного быстрее при том, что сама машина к скорости звука не приблизилась. Что произойдет в данной ситуации? Многое!
Вместо того чтобы плавно обтекать элементы конструкции самолета воздух ударяется о нее с такой силой, что в точках удара образуются чередующиеся волны сжатого и разреженного воздуха. Когда объект движется со скоростью звука, которая также является скоростью волны сжатия, легко понять, что это может означать. Это похоже на игрока в американский футбол, который бежит с мячом и на которого набрасываются игроки другой команды. Он пытается удержаться на ногах и идти вперед вместе с теми, кто повис на нем. Это требует значительных усилий. Создание волн будь то лодкой или элементами конструкции самолета также требует энергии. Это означает, что самолет может достичь такой скорости, что мощность его силовой установки будет затрачиваться на преодоление явлений, вызванных сжимаемостью и ударными волнами, и что дальнейшее увеличение скорости машины потребует очень значительного роста мощности ее силовой установки. Так, например, возьмем самолет массой 10 тонн с двигателем 5000 мощностью л.с., летящий со скоростью почти 500 миль в час (805 км/ч). На этой скорости воздух, обтекающий верхние элементы конструкции самолета, уже достиг скорости звука. На многих местах поверхности самолета возникают волны сжатия. Эти волны мешают самолету двигаться быстрее, так как потребуется больше энергии для преодоления возросшего сопротивления воздуха. Мы не можем просто добавить 1000 л.с. для достижения скорости 600 миль в час (965 км/ч). Чтобы увеличить скорость на дополнительные 100 миль в час (161 км/ч) мощность силовой установки придется увеличить на 37000 л.с.. Очевидно, что в приведенном выше случае это невозможно.
УДАРНЫЕ ВОЛНЫ, возникающие при столкновении современного высокоскоростного крыла с воздушным потоком на скорости всего 580 миль в час (933 км/ч), показаны этой фотографии аэродинамической трубы Шлирена (Schlieren), сделанной в НАКА, Лэнгли-Филд, штат Вирджиния. Обратите внимание, как волны отходят перпендикулярно от поверхностей крыла. На рисунке ниже показан нормальный поток воздуха вокруг крыла с прохождением волны сжатия
Проблемы возникают не со скоростью звука, а с волнами сжатия и возникающей турбулентностью, когда частицы воздуха должны снова замедляться после прохождения аэродинамического профиля. Воздух, проходящий через изгиб передней кромки крыла, начинает двигаться с большой скоростью, которая почти мгновенно достигает звуковой, а затем попадает в находящийся за задней кромкой крыла медленный воздух с сильной турбулентностью. Результатом являются ударные волны, возникающие в точках замедления.
Если бы скорость крыла была меньше, то воздух мог бы плавно обтекать его, не отрываясь от поверхностей. Проблемы с сжимаемостью, как правило, вызваны попыткой получить большую подъемную силу при имеющемся аэродинамическом профиле слишком и при полете с заданной скоростью. Возникающие в результате этого турбулентность и потеря подъемной силы такие же, как если бы самолет летел со значительно меньшей скоростью и со срывом потока.
Фактически данная турбулентность не перетекает за профиль крыла. Она просто остается на месте в течение некоторого времени после того как самолет уже пролетел данное место и чем-то напоминает пыль, которая лежит на проселочной дороге, поднимается, когда проезжает автомобиль, и, наконец, возвращается в состояние покоя. И так же, как часть пыли переносится вместе с проезжающим автомобилем, часть частиц воздуха переносится вместе с самолетом, чтобы усилить общую турбулентность округ этой области.
Эффект на хвостовом оперении самолета подобен эффекту на маленькой лодке, буксируемой позади большей и более быстрой лодки, которая вызывает волны, не соответствующие корпусу маленькой лодки. Турбулентность, возникающая в результате прохождения воздуха через ударную волну, возникающую вокруг крыла и выступающих элементов конструкции фюзеляжа, попадает на хвостовое оперение, делая его неэффективным и даже подверженным повреждениям. Небольшой угол вокруг фонаря кабины пилота, шарниры отклоняющихся поверхностей управления и антенны создадут воздушный поток до точки сжатия или же скорость возрастет до величины, при которой образуется ударная волна. В любом случае возникает ударная волна может привести к повреждению, если только элементы конструкции самолета не смогут выдержать результирующую ударную волну.
Задача наших инженеров состоит в том, чтобы спроектировать самолет и элементы их конструкции таким образом, чтобы минимизировать эту ударную волну или отложить ее формирование до более высоких значений числа Маха. По-видимому, общая формула заключается в том, чтобы полностью изменить всю аэродинамику. Это не так просто, как все остальное, но похоже, что заостренные передние оконечности позволят объекту войти в невозмущенный воздух с минимальным скачком уплотнения, который может отложить формирование ударной волны над поверхностями летательного аппарата.
До сих пор сверхзвуковые скорости по большей части неизвестны; исключение составляют пули и законцовки пропеллеров. Пули, конечно, могут летать со сверхзвуковой скоростью, но только в течение нескольких секунд. Пули могут выдержать эту турбулентность, поскольку они являются сплошными конструкциями, идеально обтекаемыми и приводимыми в движение энергией внешнего и оставленного позади источника энергии – порохом при воспламенении. Если бы не тот факт, что снаряды в первую очередь предназначены для пробивания, а не для скорости, их форма могла бы быть изменена для достижения еще больших скоростей. Фактически к определенным типам дальнобойных снарядов были прикреплены вспомогательные обтекаемые носы для достижения более высоких скоростей и увеличения пробиваемости.
ПУЛИ могут летать быстрее звука, поскольку являются сплошными металлическими конструкциями обтекаемой формы и могут выдержать давление и удары, с которыми они сталкиваются. Чем выше скорость, тем больше ударные волны отклоняются назад
Разумеется, гладкая обшивка снарядов приносит пользу. Точно такие же применяемые на военных самолетах стыковые соединения, полированные поверхности металлической обшивки и плоские заклепки помогают предотвратить отделение воздуха от поверхностей самолета и возникновение ударных волн. Инженеры работают над созданием аэродинамических профилей, в которых образование ударных волн будет происходить с максимальной задержкой. Они обнаружили, что для замкнутого объема тело, состоящее из двух параболических дуг, приводит к минимальному расходу энергии на преодоление волн.
Разумеется, это привело бы к тому, что хвостовое оперение попало бы в центр созданной крылом турбулентности, если бы только оперение не перенесено впереди крыла. В этом случае оперение стало бы источником небольшой турбулентности, которая будет воздействовать на крыло. Это может привести к требованию сделать самолет летающим крылом.
В настоящее время более высокие скорости могут быть достигнуты на более низких высотах без образования ударных волн или волн сжимаемости. Это возможно потому, что на более низких высотах скорость звука выше. Существует разница в 100 миль в час (161 км/ч) между уровнем моря и высотой 35000 футов (10668 м) [на высотах более 35000 футов (10668 м) эта величина будет постоянной, так как температура не меняется]. Эта разница позволит самолету на уровне моря развить примерно на 100 миль в час (161 км/ч) большую скорость до критической, при которой начинает формироваться эффект сжимаемости и появляются волны, хотя на больших высотах эти явления могут возникнуть вокруг плохо пригнанных капотов двигателей и соединителей при условии, что значения углов достаточны, чтобы увеличить потоки воздуха вокруг капотов и соединителей.
Рассматривается возможность подгонки конструкции летательных к формируемым волновым спектрам, равно как и проектирование самолетов для предотвращения образования волн. По-видимому, требуемый аэродинамический профиль должен иметь чрезвычайно тонкие переднюю и заднюю кромки с плавными изгибами между ними, что вызовет минимальное движение воздуха при его похождении. Теперь возникает вопрос: будет ли такое крыло, предназначенное для сверхзвукового полета, эффективным при меньших скоростях? Такой аэродинамический профиль может быть испытан в высокоскоростной аэродинамической трубе, но его способность создавать значительную подъемную силу при нормальных взлетных скоростях 100 миль в час (161 км/ч) или меньше – это совсем другое дело.
СВЕРХЗВУКОВОЙ САМОЛЕТ? Никто никогда не видел самолета, способного развить скорость звука. Тем не менее, мы попросили штатного художника Стюарта Рауза (Stewart Rouse) дать нам свою концепцию такого самолета, основанную на аэродинамических проблемах, связанных со скоростью звука. Взяв современный самолет, он устранил те особенности его конструкции, которые препятствуют сверхзвуковому полету. Чтобы решить проблемы турбулентности, создаваемые хвостовым оперением, была выбрана аэродинамическая схема «летающее крыло». Реактивный двигатель снимает связанное с пропеллером беспокойство и создает необходимую мощность. Выпуклость, создаваемая фонарем кабины, устраняется размещением пилота внутри крыла. Положение лежа помогает ему выдерживать перегрузки при маневрировании. Турбулентность – главный враг сверхзвукового полета – используется для управления самолетом. Рауз допускает один недостаток: этот самолет может выполнять полет ТОЛЬКО на скорости звука или около нее. Он не говорит, как этот самолет должен оторваться от земли или совершить посадку
СХЕМА В ТРЕХ ПРОЕКЦИЯХ показывает новую форму самолета, способного развивать скорость звука. Пунктирная линия на виде сверху показывает изготовленные из литой стали острые как бритва переднюю и заднюю кромки. Стреловидность обеспечивает продольную устойчивость. Обратите внимание на чистый вид спереди и необычный вид сбоку
До сих пор мы очень осторожно обходили главную проблему, связанную со сверхзвуковыми полетами. Данная проблема заключается в управлении подобными летательными аппаратами. Вопрос пилотирования является очень щекотливым, поскольку на таких скоростях полета малейшее отклонение любой управляющей поверхности производит фантастические давления и нагрузки, а также большие ударные волны. Полеты на сверхзвуковых скоростях по прямой без каких-либо отклонений – это одно, а маневрирование на этих скоростях совсем другое. Возможно, что в конструкцию самолета должны быть включены устройства изменения давления, такие как интерцепторы. Может случиться так, что для изменения курса самолета будут использоваться импульсы реактивной тяги, которые легкими толчками будут действовать против воздушного потока. В настоящий момент ни одно из этих устройств не применяется.
Как мы уже упоминали, способность достигать околозвуковые скорости является еще одной проблемой. Хотя сила тяжести поможет при пикировании с предельной скоростью (на сегодняшний момент это единственный способ имеющимися самолетами приблизиться к скорости звука) достижение этих скоростей в горизонтальном полете с существующими силовыми установками представляется невозможным.
САМОЛЕТ в пикировании с предельной скоростью не может достичь скорости звука. Сопротивление, создаваемое ударно-волновой турбулентностью, не дает самолету превысить скорость выше определенного предела, который обычно значительно ниже скорости звука. Ударные волны также уничтожают подъемную силу и нейтрализуют хвостовое оперение
Помимо мощности силовой установки и управляемости самолета мы должны помнить о прочности планера. Наши сверхзвуковые самолеты должны быть способны выдерживать эти огромные давления и тряску, вызванную ударными волнами. Пилот должен быть надлежащим образом защищен, поскольку повреждение конструкции машины привело бы к появлению движущегося со скоростью 700 миль в час (1127 км/ч), который сделает спасение пилота чем угодно, но только не тем безобидным мероприятием, которым оно является сейчас.
Автор статьи спросил одного авторитетного ученого: каково будет воздействие на человеческий организм при прыжке с парашютом на сверхзвуковой скорости. В письменном ответе было только одно слово – «УЖАСНОЕ!», – которое было подчеркнуто несколько раз.
Теперь, когда мы находимся в начале нового этапа завоевания воздуха, мы должны действовать осторожно. Мы вступаем в совершенно новую область исследований – область, в которой самонадеянных может ожидать трагедия. Несомненно, время от времени будут совершаться непреднамеренные набеги на эту неизвестную территорию, и люди, совершающие их, должны будут пополнить общий фонд знаний путем тщательного анализа своего опыта. Один за другим небольшие барьеры будут преодолены, и вся картина сверхзвукового полета станет более ясной. В конце концов мы сможем путешествовать на скоростях, которые сейчас кажутся вечно невозможными – точно так же, как братьям Райт могли показаться невозможными нынешние скорости.
