Звуковой барьер и тепловой барьер

В 50-х годах XX в. самолеты преодолели звуковой барьер - их скорость стала больше скорости звука (скорость звука в атмосфере равна 300-340 м/с в зависимости от высоты). 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.

Рис. 4.

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 4, 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 слышим как бы удары грома — это доходит до нас ударная волна. Поэтому при сверхзвуковой скорости сопротивление движению значительно больше.

В аэродинамике удобно судить о скорости по отношению скорости полета к скорости звука. Эта величина называется числом Маха:

Число М = 1 соответствует скорости звука. Чем больше число М, тем сильнее проявляется сжимаемость воздуха. При небольшой, дозвуковой скорости, когда число М<0,7, сжимаемостью воздуха можно пренебречь.

Преодоление звукового барьера, т. е. завоевание самолетами скоростей, соответствующих числу М > 1, потребовало широких исследований. Ученые стремились уменьшить аэродинамическое сопротивление и создать как можно более плавное обтекание самолета. Сейчас летчик даже не замечает, когда самолет превышает скорость звука, а первые попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах кончались катастрофой: самолет начинало бросать, он переставал быть управляемым.

Ученые и конструкторы продолжают искать, как еще больше увеличить скорость самолета. И тут обнаруживаются новые интересные явления. Вот самолет подготовлен к скоростному 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 на посадку, уже известно: в течение нескольких минут самолет превысил скорость звука значительно 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 нагревается насос, когда накачивают велосипедную шину. То же происходит и на самолете в тех его частях, где воздух сжимается. 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° С, то на поверхности самолета при М = 5 температура может достигать почти 1000° С.

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° С. 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.

Если еще больше увеличить скорость полета (до числа М = 10—15), температура воздуха станет такой высокой, что уже необходимо учитывать изменения физических и химических свойств газов, образующихся у самого крыла. Исследование течения воздуха при таких скоростях началось недавно.

перейти к началу страницы