Рух із надзвуковою швидкістю

Ударні хвилі, як ми щойно говорили, поширюються із надзвуковими швидкостями. Виявляється, що рух твердих тіл у повітрі із надзвуковою швидкістю також призводить до утворення ударних хвиль. Тому для сучасної авіації ударні хвилі мають дуже велике значення.

Рух із швидкостями, значно перевищують 330 м/с, тобто. 1200 км/год, віднедавна стало реальністю в авіації. Рух літаків і літаків-снарядів, що розсікають повітряний простір зі швидкостями, що перевалили через звуковий бар'єр – так називається рубіж 1200 км/год, – дуже різко відрізняється від рухів, що лежать з іншого боку звукового бар'єру. Ця відмінність полягає в тому, що перед тілом, що летить з надзвуковою швидкістю, утворюється ударна хвиля.

Схема ударної хвилі, що створюється снарядом закругленої форми, показано на рис. 129. Фронт хвилі - це крива поверхня, що проходить кілька попереду тіла, що рухається. У міру віддалення від лінії руху фронт відстає від снаряда та віддаляється.

Дещо по-іншому виглядає картина ударної хвилі у загостреного тіла, що має добре знайому кожному форму снаряда. Мал. 130 показує, що ударна хвиля «сіла на ніс» снаряда; фронт хвилі набув конусоподібної форми.

Снаряд, що летить із надзвуковою швидкістю, можна сфотографувати. Різке відмінність щільностей повітря навколо снаряда чітко описує фронт ударної хвилі, породжуваної ним. Чим швидше рухається снаряд, тим гостріший конус.

Ударна хвиля є основним джерелом опору, що переживає тіло, що рухається з надзвуковою швидкістю. А при швидкостях руху, які менші за швидкість звуку, опір створюється, як ми говорили, в основному виникненням турбулентного руху.Тому найвигідніші форми тіла для рухів цих двох типів різні. Що вигідно для швидких рухів, то невигідно для повільніших і навпаки.

Тіло, загострене попереду, сприяє турбулентності і, отже, збільшує опір руху із дозвуковими швидкостями. Навпаки, загострена форма снаряда зменшує опір ударної хвилі.

Тупе попереду тіло зменшує турбулентність і тому вигідніше при дозвукових швидкостях, ніж загострене. При переході через звуковий бар'єр ця форма стає менш вигідною, оскільки основним джерелом опору стає ударна хвиля. З цієї причини снаряди знарядь загострені попереду – адже вони рухаються із надзвуковими швидкостями.

Ліквідувати ударну хвилю і разом з нею основне джерело опору тіла, що розсікає повітря із надзвуковою швидкістю, на жаль, неможливо. Завдання конструкторів снарядів і літаків у тому, щоб послабити опір, створюваний ударною хвилею.

Для снарядів та корпусу літака зменшення опору досягається загостренням форми. А яку ідею можна запропонувати для крил? Надшвидкісні літаки набули за останнє десятиліття нових обрисів: крила притиснулися до корпусу, літак набув стрілоподібної форми. Зроблено це для того, щоб боротися з опором ударних хвиль (рис. 131).

Замість того, щоб обговорювати рух літака, що розсікає повітря, можна говорити про потік повітря, що набігає на літак. Адже це одне й те саме.

На рис. 131 зображено літак, крило якого стоїть косо до потоку. Векторну швидкість повітря у крила можна розкласти на два вектори, направивши один із них уздовж, а інший упоперек крила. Уздовж довжини крила повітря ковзає вільно, і це поздовжнє ковзнерух не може бути істотним джерелом опору. Основний опір крило відчуватиме від руху повітря впоперек крила. Але поперечна складова швидкості, з якою повітря рухається назустріч крилу, може бути істотно менше лобової швидкості. Може статися навіть, що при русі літака з надзвуковою швидкістю поперечна швидкість повітря по відношенню до його крил буде нижче звукового бар'єру. Це зменшення поперечної швидкості призведе до послаблення ударних хвиль та зменшення опору. Ось чому надшвидкісні літаки і надають стрілоподібної форми.

Втім, перед конструкторами літаків стоїть нелегке завдання – знайти компроміс між формами, зручними для надзвукових та звичайних швидкостей. Такий компроміс потрібен з простої причини – літак злітає і сідає за відносно невеликих швидкостей.

В даний час є реактивні літаки, що літають зі швидкістю багатьох тисяч кілометрів на годину, і конструктори продовжують свою роботу, щоб завоювати ще більші швидкості. Нові труднощі постають цьому шляху. Подолавши звуковий бар'єр, інженери зустрілися із тепловим бар'єром.

Літак або снаряд, що швидко рухається, стискають повітря, що знаходиться перед ними. Стиснення призводить до підвищення температури. Повітря, що розсікається тілом, що рухається, нагрівається, а значить, нагріваються і стінки літака.

Підвищення температури виявляється пропорційним квадрату швидкості повітря. Чим більша швидкість, тим більше нагрівається повітря. На момент досягнення звукового бар'єру температура повітря перед літаком підвищується лише на 60°. Це ще немає великого практичного значення. Але при швидкості руху літака, що в два рази перевищує швидкість звуку, повітря нагрівається вже на 240°, а при досягненніПотрійна швидкість звуку повітря отримує температуру близько 820 ° C і т.д. Неважко зрозуміти, що це нагрівання веде до значних технологічних ускладнень.

З наведених цифр видно, як швидко збільшується температура при наростанні швидкості руху. Під час руху зі швидкостями близько 10 км/с температури стають настільки значними, що будь-яке тіло плавиться і перетворюється на газ. Зі світового простору в атмосферу Землі безупинно падають метеорні тіла – камені та камінці різних розмірів. Вони рухаються зі швидкостями кілька десятків кілометрів на секунду. На висоті 150-200 км над поверхнею Землі, коли атмосфера стає менш розрідженою, ці прибульці починають помітно нагріватися, а на висотах близько 130-60 км температура їх зростає настільки, що вони випаровуються. Неозброєним оком ми помічаємо камінчик на нічному небі. Коли ми його побачили, нам здається, що зірка впала з неба. "Падіння зірки" триває недовго: частка секунди - і камінчик випарувався.