Звуковой и тепловой барьеры

Поиск и аренда частных самолетов

Что же это за явления?

С началом полета, на самолет начинает действовать сопротивление, оказываемое воздухом. Чем выше скорость, тем, следовательно, больше сопротивление. Собственно, как возникает сопротивление? Об этом мы уже могли прочитать ранее. Любое перемещение тела в воздухе (тропосфера) и в разреженном слое (стратосфера) создает турбулентность. Турбулентность излучается в разных направлениях. Скорость, в которой распространяется турбулентность – равняется скорости звука: 338 м/с = 1240 км/ч.

supersonic plane - Звуковой и тепловой барьеры

Прохождение сверхзвукового барьера самолетом

При движении вперед, тело должно „рассекать“ воздушную массу: воздушные частицы при звуковой скорости смещаются. Если само тело движется со скоростью звука или со сверхзвуковой скоростью, то частицы воздуха больше не могут так смещаться. Это ведет к значительному изменению в обтекании движущегося тела. На поверхности тела и перед ним образуются массы сжатого воздуха, которые называются „Скачками уплотнения“. При превышении скорости звука, перед телом возникает интенсивный скачок уплотнения. Для смещения этого скачка, необходима энергия движущегося тела. Благодаря этому, можно объяснить сильное увеличение сопротивления при переходе от звуковой скорости полета в сверхзвуковую.

Старые законы аэродинамики уже не справлялись с новыми поставленными задачами, поэтому появилась необходимость, из накопленного опыта сущности этих явлений, вывести новые законы и создать новую отрасль науки – аэродинамика сверхзвуковой скорости. Теоретическое обоснование для этого странного явления было найдено. Все последующие исследования основывались уже на крепкой научной основе.

В борьбе за достижение более высоких скоростей полета проводились исследования, касательно возможностей значительного уменьшения сопротивления (сопротивление формы и трения). Были испробованы десятки самых разнообразных вариантов конструкций фюзеляжа, крыльев, хвостовых отсеков. Все накопленные данные проводимых исследований были обобщены. Результатом стало принятие решения об объединении всех самых лучших элементов составных частей в одном самолете. Спроектированный самолет внешне практически не отличался от своих предшественников – крылья были такие же прямые, только более обтекаемые, фюзеляж был точно таким же, но также с более обтекаемой формой. Одним словом: это было еще не „кардинальное“ решение, но оно все же помогло самолету приблизиться к скорости звука.

В это время уже проводилась научно-исследовательская работа над созданием принципиально нового типа стрелоподобных крыльев. По прогнозам ученых раз и навсегда должны были быть устранены те сложности, возникавшие на полетах с большой скоростью, которые до сих пор казались непреодолимыми. Но здесь ученые столкнулись с серьезными проблемами. С одной стороны форма могла ослабить волновой кризис, а с другой при взлете и посадке, и в особенности при маневрировании на стрелоподобных крыльях возникали ярко выраженные явления прерывания потока частиц воздуха, обтекаемых крылья. Самолет потерял свою способность планирования и управляемость. Он наклонялся на крыло и переходил в штопор. Но ученным все же удалось найти путь, который позволил устранить все эти недостатки. Появились новые чертежи разработок, на которых были начерчены до этого неизвестные профили самолета.

Смотрите также:  AERO Friedrichshafen 2018 - VTOL Discopter Air Taxi

Узкий, конусообразный фюзеляж сильно выдвинут вперед. Особенное хвостовое оперение. Но самым главным изменением были короткие и как стрелы покатые назад крылья.

Как и каждый другой самолет, этот самолет тоже должен был совершать полеты, как и со сверхзвуковой скоростью, так и на небольших скоростях, необходимых при посадке. При этом следует принять во внимание то, что законы обтекания при дозвуковой и сверхзвуковой скоростях являются разными. Это означает, что аэродинамическое расположение самолета должно иметь такое свойство, когда вопреки разным законам обтекания, каждый самолет обладает необходимой устойчивостью и способностью к маневрированию.

Появилась потребность в герметически закрытой кабине, которая гарантировала бы безопасность пилота. В верхних слоях атмосферы, где разреженный воздух – давление значительно меньше, чем в нижних слоях. Человеку, находящемуся без специального приспособления, на высоте 15 000 метров, грозит опасность мозгового кровоизлияния, разрыва кровяных сосудов и т.д. Существовала необходимость преобразования всей системы управления самолетом. При дозвуковых скоростях сохраняется определенное давление воздуха на органы управления. При сверхзвуковых скоростях это давление усиливается и его центр атаки смещается. Вследствие этого конструкция органов управления для разных скоростей должна быть принципиально разной.

При этом нужно было принять во внимание то, что при дозвуковых скоростях силы летчика достаточно, для того чтобы подчинить управление самолетом, в то время, как при „звуковом барьере“ ее было бы не достаточно. Поэтому конструкция управления меняется и самолет оснащается бустером рулей. Здесь конструкторы натолкнулись на новую сложность. Пилот должен, как говорят, постоянно „чувствовать“ самолет в полете. Это чувство передается ему через ручку управления. В сверхзвуковом самолете чувство управления пилота должно быть таким же, как и в биплане. В ином случае он теряет связь с самолетом и катастрофа неизбежна.

Нужно было найти выход из этой ситуации, и он был найден благодаря особому бустеру рулей. Внешне для пилота ничего не поменялось: привычное ровное перемещение ручки управления, одинаковая реакция самолета при ручном приеме. Но управляющий механизм был другим. Бустер рулей – это гидравлическая система, которая улавливает соответствующие сигналы (движения при отклонении рычагов управления) летчика, автоматически производит изменения и уменьшает или увеличивает – в зависимости от скорости – эффективную затрату сил, которая передается на руль. Как видно, это была нелегкая задача.

Смотрите также:  2017-й год оказался самым безопасным в истории современной авиации

При пробном полете стрелка прибора числа М медленно ползла вверх, ненадолго задерживалась на единице, а затем сразу передвигалась на вторую отметку. Звуковой барьер был пройден. Но конструкторы вновь предстали перед трудностями. Совершая пробный полет на большой высоте, фюзеляж самолета при определенном состоянии, начинало внезапно трясти. Все терялись в догадках, отчего же появляется эта опасная для самолета тряска. Шел день за днем. И наконец выяснилось, что конструкторам нужно справиться еще с одной проблемой. На этот раз это были „Температурные трудности“ (Тепловой барьер).

При скорости, превышающей 2500 км/ч, температура крыла и фюзеляжа поднимается до 250°. Это явление препятствует дальнейшему увеличению скорости. Поэтому очень важно, заранее знать, что же собой представляет тепло.

Тепло – это форма энергии, которая возникает при движении молекул каждого тела. При газообразовании (как, в общем, и у воздуха) происходит то, что отдельные молекулы газа двигаются с разной скоростью и в разных направлениях. В том случае, если движение меняется или происходит замедление скорости, то часть энергии движения освобождается и переходит к молекулам тормозного тела. Об этом свидетельствует повышение температуры. При движении самолета, воздух ведет себя похоже. Несмотря на то, что конструкция выполнена в обтекаемой форме, все равно возникает разница в скоростях потока вокруг самолета. В находящихся перед самолетом и относительно небольших областях подпора, возникает самое большое торможение молекул воздуха. Сюда относятся носовая часть фюзеляжа и передние кромки поверхностей и хвостового оперения, а также воздухозаборник реактивного двигателя. В этих областях подпора при числе М 1 температура повышается приблизительно на 70°, в то время как для числа М 2 повышение температуры будет составлять уже 220°. Для числа М 10 приводятся данные повышения температуры в 5000°.

Наряду с полным торможением воздуха в областях подпора особенно нужно учитывать влияние скорости в областях пограничного слоя самолета. Здесь речь идет также о торможении, при котором температура в чистых областях подпора повышается только приблизительно на 85%. Следовательно, самолеты, с числом М более 1, всегда совершают полеты в теплой и жаркой оболочках воздуха. Исходя из этого, при полете на дозвуковой скорости – хотя и здесь воздух тоже нагревается – его значение вокруг самолета остается на отметке равной 0° и кабина самолета должна нагреваться, при сверхзвуковой скорости – температура возрастает очень быстро до непереносимых показателей. Происходит обратный теплообмен: от воздуха к самолету.

Смотрите также:  Китай делает ставку на развитие авиации общего назначения

Несомненно лишь то, что тепло невозможно преодолеть. Не существует такого материала, который при постоянно растущей скорости полета смог бы продолжительное время противостоять увеличивающейся температуре. Вместе с тем известно, что в камерах сгорания двигателей преодолеваются очень высокие температуры, но материал при этом разрушается не сразу. По сути, это зависит от уменьшения перехода тепла к самолету. Вывод – относительно небольшая поверхность в соотношении к полной массе нагреваемого самолета. Сама поверхность состоит их материалов, являющихся плохими проводниками тепла. Силиконоподобные покрытия на титаносодержащих деталях поверхности допускают довольно таки сильное нагревание поверхности самолета. Расположенный под ними теплоизолирующий слой препятствует переходу тепла к корпусу самолета. Кроме этого, такие сверхзвуковые самолеты оснащены объемной охлаждающей установкой со сложной системой, так как охватить условия охлаждения достаточно непросто.

Необходимо принять в расчет еще один „температурный фактор“: нагрев во время полета также зависит и от плотности воздуха. Чем меньше плотность воздуха, тем меньше нагрев самолета. Следовательно, на больших высотах можно совершать полет на более высоких скоростях. К сожалению, в обратном смысле, сохранение состояния в полете также зависимо от плотности воздуха. На высотах ниже 40 000 м, диапазон, в котором скорость слишком высока и в котором проявляется вредный нагрев, может быть уменьшен, благодаря повышению термических свойств. Одновременно с этим повышаются термические и аэродинамические высоты полетов, которые достижимы только с прямоточными воздушно-реактивными или с ракетным двигателями.