Борис Ляпунов - Борьба за скорость

Изменение формы самолета — от первого (конструкции А. Ф. Можайского) до современного реактивного .

Отходят в прошлое самолеты с двумя и даже тремя крыльями — бипланы, трипланы, со стойками, растяжками, соединяющими одно крыло с другим. Каждая лишняя деталь — лишнее сопротивление. Только на учебных машинах, где скорость невелика, осталась «коробка» из крыльев. Самолет с одним крылом — моноплан — стал господствовать сейчас в авиации.

Всё, что только можно, стали убирать внутрь, что нельзя — в обтекатели. Убирающиеся шасси, хорошо обтекаемый фюзеляж, плавные «зализанные» формы сделали современный самолет похожим на крылатую вытянутую каплю. Тщательнее стали отделывать наружные поверхности. И сопротивление уменьшилось примерно в 20 раз!

Это вместе с повышением мощности авиационных двигателей, с новыми, прочными и легкими материалами дало возможность летать со скоростями около 700 километров в час. В 1939 году мировой рекорд скорости составил 755 километров в час.

Но вот что интересно отметить. Если взглянуть, как росли скорости, то видно — чем дальше, тем труднее становилась борьба. Сражение шло за каждый лишний километр.

Сделали крыло на потайной клепке так, чтобы заклепки не выступали наружу, — прибавка скорости на 20 километров в час.

Улучшение «внутренней» аэродинамики самолета — герметизация его, устранение лишних отверстий, щелей, куда мог бы проникать воздух, прибавило еще 30 километров скорости.

Отполировали или покрыли лаком крылья самолета, и скорость выросла на 40 километров в час. Покрасили обшивку более тщательно — еще 5 километров. И так далее.

Пришлось задуматься даже над тем, чтобы упрятать внутрь выступающие наружу антенны радио. Для аэродинамики — вопрос немаловажный: ведь сейчас на современном гражданском самолете с радиостанцией и радиолокаторами около десятка антенн!

Как видно, скорость набирали буквально «по крохам». И в годы второй мировой войны самолеты полетели со скоростью примерно 800 километров в час.

Конструкторы снова и снова увеличивали мощность двигателей. Но это не давало желаемого результата. Вместе с увеличением мощности возрастал вес поршневых двигателей, и выигрыш в скорости сводился на нет из-за утяжеления самолета. Образовывался как бы замкнутый круг, из которого, казалось, не было выхода.

Но наука и техника не признают безвыходных положений.

Помощь пришла от моторостроителей. Они дали самолету новый газотурбинный двигатель — более легкий, более мощный, чем поршневой.

И резко увеличилась скорость — сразу на две-три сотни километров.

Это был новый качественный скачок в авиации. Открылись сложные, неизвестные явления, которые не давали раньше о себе знать ни конструктору, ни летчику.

Оказалось, что большие скорости — не только новый двигатель, новые материалы, это и новые формы самолета, новая аэродинамика.

Сначала новый двигатель просто пересел на старый самолет, который повел себя на больших скоростях странно.

Управление усложнялось, а подчас становилось невозможным. Самолет вел себя в воздухе не так, как ему полагалось.

Почему это произошло? И прежде всего почему лишь новые двигатели, невиданной еще мощности, дали «скачок скоростей»?

Тут нам придется вернуться в аэродинамическую лабораторию. Посмотрим, что будет делаться при обтекании на больших скоростях.

Воздушный поток большой скорости получить не так-то просто. Нужен очень мощный нагнетатель, прогоняющий воздух через трубу. Чтобы скорость потока возросла в три с лишним раза — с 360 до 1 200 километров в час — надо мощность нагнетателя увеличить в 40 раз, доведя ее до мощности электростанции небольшого города.

Нужны и новые методы наблюдения и сложные измерительные приборы.

Воспользуемся одним из таких методов — теневым.

Через поток проходит пучок света и попадает на экран. На нем — светлое пятно. Свет идет через прозрачную однородную среду, и ничто ему не мешает.

Поставим в поток модель крыла. На светлом поле экрана — тень крыла, его профиль. Растет скорость — 600, 700… 1 000 километров в час. Еще больше скорость — она близка к скорости звука— 1200 километров в час! На экране, по бокам модели, появляются расходящиеся под углом темные узкие полоски.

Можно наблюдать подобную картину и в другом виде.

Прежде чем направить пучок световых лучей в поток, его пропускают через частично посеребренную стеклянную пластинку. Пучок раздваивается — часть лучей отражается от пластинки, часть проходит сквозь нее. Затем оба пучка снова встречаются и попадают на экран. Но идут они по разным путям — один через поток, а другой минуя его.

Свет — это электромагнитные колебания, волны. Два луча света, как две волны, могут усиливать или гасить друг друга. Поэтому экран, на котором встречаются оба наших световых луча, становится полосатым: на нем появляются светлые и темные полосы.

Если в потоке стоит модель, то плотность воздуха в нем перестает быть однородной. Модель «возмущает» поток, нарушает его однородность, отклоняются световые лучи, и полосы на экране искривляются, показывая места с измененной плотностью.

В потоке модель турбинной лопатки. На полосатом поле экрана — ее профиль. Хорошо видно, как идет обтекание, где полоски идут плавно, а где они срываются. Поворачивая модель, можно видеть, как меняется характер потока, и подобрать наилучшие условия для плавного обтекания.

А теперь вновь поставим в поток модель крыла. И когда скорость приблизится к скорости звука, как будто кто-то перегнет полоски, покрывающие экран, — как раз под такими же углами, как и раньше, по бокам модели.

Что же происходит?

Внезапно, резко, скачком возрастают давление и плотность в потоке. Аэродинамики так и говорят: появились скачки уплотнения.

Темные полосы, которые видны на теневом экране, — «тень» скачка уплотнения. На полосатом же экране полоски искривятся там, где появился скачок: из-за него плотность в потоке перестала быть везде одинаковой.

На скачке воздух увеличивает не только плотность. Одновременно-повышается и температура, а скорость падает. Скачок — как «газовая стена». Он не может задержать частички воздуха, но тормозит их, заставляет уплотняться и нагреваться. Воздух ударяется о скачок, как о преграду. Его поэтому и называют иногда ударной волной.

Скачок вызывает дополнительное сопротивление. И немалое. Если скорость возросла, скажем, в 2 раза — с 600 до 1 200 километров в час, то сопротивление воздуха увеличится в 32 раза!