Аеродинамічні сили на великих швидкостях
Все, що було розказано про лобове опір і підйомну силу, справедливо для обтікання тіл з малими дозвуковими швидкостями, приблизно до 100 м / сек. При великих швидкостях руху, близьких до швидкості
Мал. 19. Схема обтікання тіла потоком:
а - дозвукових обтікання; б - Надзвукове обтікання.
звуку і вище, обтікання тіл має свої особливості. Ці особливості полягають в тому, що на великих швидкостях аеродинамічні сили починають залежати від якості повітря, змінювати свою щільність під дією тиску, т. Е. Від стисливості повітря.
Розглянемо, чим відрізняється обтікання тіл в дозвуковом і надзвуковому потоках (рис. 19). Попередньо згадаємо, що звукові хвилі являють собою малі обурення щільності і тиску, що поширюються в досить щільному середовищі, і що швидкість звуку є швидкість поширення цих збурень. Ці обурення можуть бути чутні людським вухом. Зауважимо ще, що обурення тиску повітря, вироблені, наприклад, ударом хлиста, голосовими зв'язками людини, крилом літака, поширюються на всі боки від тіла зі швидкістю звуку.
При русі з дозвуковій швидкістю передня частина тіла тисне на що знаходяться попереду нього частки повітря. З'являються обурення повітря, що поширюються вперед від одних частинок до інших зі швидкістю звуку. Ці обурення випереджають рухається тіло.
При цьому тіло не зустрічає великого опору. Це-дозвуковое обтікання. А що станеться, якщо тіло буде рухатися з надзвуковою швидкістю?
І в цьому випадку передня частина тіла буде обурювати частки повітря, породжуючи коливання навколишнього повітря.
Але швидкість поширення цих коливань буде як і раніше дорівнює швидкості звуку.
При цих умовах коливання повітряного середовища, що виникають при русі тіла, не встигають поширитися попереду тіла. Перед тілом, що рухається з надзвуковою швидкістю, утворюється шар ущільненого повітря.
Летить з надзвуковою швидкістю тіло залишає позаду себе все нові і нові звукові хвилі (рис. 20).
Раніше виникли хвилі встигають розширитися, і радіус їх зростає. Ці незліченні сферичні хвилі звуку, складаючись, утворюють за тілом конус збурень, в вершині якого знаходиться вістря самого тіла. Чим швидкість руху більше швидкості звуку, тим гостріше цей конус.
Повітряні хвилі обурюють навколишнє середовище. Ці обурення, складаючись, утворюють перед тілом одну загальну хвилю ущільненого повітря. Такий шар стиснутого повітря в кілька разів збільшує опір руху тіла.
У головній частині конуса, на його поверхні, весь час буде відбуватися удар набігаючих частинок повітря. У місці удару виникає стрибок ущільнення - область стиснення повітря. Стрибок ущільнення є причиною додаткового опору. Так як причиною виникнення цього опору є хвилі, то додатковий опір називають хвильовим опором.
Мал. 21. Обтікання загостреного тіла надзвуковим потоком.
У стрибку ущільнення тиск і температура повітря стрибкоподібно зростають. У цій зоні ущільненого повітря енергія руху тіла переходить в підвищення тиску і в теплоту. Таким чином, аеродинаміка великих швидкостей враховує і теплові явища, що відбуваються в потоці газу. За стрибком ущільнення тиск хоча і знижується, але все ж залишається підвищеним (рис. 21). Це тиск діє на лобову поверхню тіла, викликаючи збільшення лобового опору.
Цікаво зауважити, що перегони ущільнення виникають і в природі. Наприклад, відомо, що у метеоритних каменів, що врізаються зі швидкістю кількох десятків кілометрів в секунду в земну атмосферу, утворюється потужний стрибок ущільнення повітря, в якому стиснення настільки велике, що гази в ньому розжарюються, розжарюється і сам метеорит, і випускається той яскраве світло, який ми бачимо, спостерігаючи «падаючі зірки».
Поява на великих швидкостях хвильового опору повітря залежить не від абсолютного значення швидкості, а від ставлення швидкості польоту до швидкості звуку.
На цей зв'язок, між збільшенням опору повітря і швидкістю звуку, вперше в світі вказав учений артилерист професор Артилерійській академії Н. В. Маіевскій. Ставлення швидкості польоту до швидкості звуку названо числом М.
Для швидкості польоту, рівної швидкості звуку, число М = 1.
Через виникнення тільки що описаного хвильового опору формули, за якими підраховуються лобове опір і підйомна сила, уточнюються відповідними змінами коефіцієнта лобового опору Cх і коефіцієнта підйомної сили Су.
Ці коефіцієнти, як ми бачили раніше (§ 3 і 4), на малих дозвукових швидкостях порядку 100 м / сек, що не залежали від швидкості польоту, на швидкостях ж польоту, великих 100 м / сек, вірніше на швидкостях польоту, для яких число М = 0,3 ÷ 0,5, вони сильно залежать від числа М. Величини цих коефіцієнтів визначаються дослідним шляхом при продувці в швидкісних аеродинамічних трубах.
Наші вчені-аеродинаміки невпинно вишукують нові кращі форми частин надзвукових літальних апаратів.
Зовнішні форми надзвукового літака незвичайні і значно відрізняються від форм тихохідного дозвукового літака. З ними ми ознайомимося в розділі «Літаки».