Аэродинамические явления в атмосфере

Над поверхностью земли постоянно наблюдаются воздушные течения. Они крайне разнообразны и могут быть как слабыми дуновениями ветерка, так и наводящими ужас тайфунами, разрушающими всё на своём пути.

Солнце неравномерно нагревает земную поверхность благодаря её неоднородности (моря, суша, горы, степи, леса), это и является основной причиной возникновения местных воздушных течений. Более нагретый воздух, расположенный над обнажённой землёй, сухими степями, песком и скалами, расширяется и поднимается вверх. Наверху начинается движение в сторону холодного воздуха, находящегося над лесами, болотами, водными пространствами и т. д. А в нижнем слое менее нагретый воздух направляется в сторону тёплого.

Кроме того, мощные воздушные течения возникают вследствие большого нагрева земного шара у экватора по сравнению с полярными областями.

Течения бывают горизонтальными и вертикальными, их направление и скорость часто меняются, особенно при обтекании всевозможных препятствий. При этом движение становится беспорядочным и поток насыщается вихрями больших или малых размеров. Наблюдать вихревое движение приходится часто. При случае понаблюдайте завихрённое движение воды за устоями мостов или бурлящую полосу воды за гребным винтом моторной лодки.

В чистом воздухе вихри невидимы, тем не менее их можно наблюдать, когда они кружат дорожную пыль, сухие листья или пушинки ив и тополей.

Встречающиеся в природе циклоны также являются вихрями, только колоссальных размеров.

Иногда в месте встречи двух различных по температуре и скорости воздушных масс возникают вращающиеся столбы воздуха, поперечник которых достигает десятков и даже сотни метров. Одновременно столб несётся вперёд. Воздух в нём вращается вокруг вертикальной оси и при этом перемещается вверх. Скорость движения внутри него около 100 м/сек (рис. 93). При

Аэродинамические явления в атмосфере

Рис. 93. Схема смерча.

столь быстром вращении воздуха внутри вихря возникают центробежные силы, благодаря чему воздух там разрежен и давление понижено. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает её в себя, образуя колоннообразную вращающуюся массу воды. Такой вихрь носит название водяного смерча, а вихрь, проносящийся над сушей, — тромба. Водяные смерчи образуются на морях (рис. 94), озёрах и реках. Особенно эффективны, но вместе с тем и опасны громады водяных смерчей на море. В старину при приближении водяного смерча к парусному судну полагалось расстреливать его из пушек.

Кроме водяных, бывают ещё и песчаные смерчи.

Вместе с водой смерч втягивает в себя все достаточно лёгкие предметы: рыб, медуз, раков, лягушек и другие мелкие существа и водяные растения.

Когда смерч выходит на сушу, он превращается в воздушный смерч, часть же втянутых и высоко поднятых предметов и воды продолжает под действием

Аэродинамические явления в атмосфере

Рис. 94. Смерч на Охотском море.

вихря оставаться на высоте. Позднее, когда смерч пройдёт некоторое расстояние и интенсивность его ослабнет, они падают на землю вместе с дождём. Иногда это происходит в большом отдалении от воды.

Такой случай произошёл в 1933 г. на Дальнем Востоке, в 50 км от Тихого океана: вместе с дождём падали морские медузы. Позднее, в 1949 г., в Новой Зеландии был обильный дождь с тысячами морских рыбок, причём произошло это на расстоянии около 20 км от берега.

В природе смерчи — частое явление; так, например, в Америке за год проходит около ста пятидесяти смерчей, причиняя смерть в среднем за год более чем 200 че-

ловекам и большой материальный ущерб. Вот одно из описаний смерча.

«Весь день 8 июня 1953 г. тяжёлый гнетущий зной стоял над штатами Мичиган и Огайо. С юга неслись тёмные кучевые облака. Они затянули небо сплошной свинцово-серой пеленой. Температура сильно поднялась.

Аэродинамические явления в атмосфере

Рис. 95. Установка проф. Н. Е. Жуковского для искусственного воссоздания смерча.

Слой раскалённого воздуха, как одеяло, покрывал землю. Поверх же этого «одеяла» дули прохладные ветры с северной части Скалистых гор. Чёрные грозовые тучи протянулись до побережья озёр Гурон и Эри. И вдруг в разных местах из туч свесились до земли 6 хоботообразных воронок. То были смерчи, или, как их называют в Америке, торнадо. В 8 ч. 30 м. вечера в несколько мгновений множество жилых домов было обращено в руины».

В одной из книг Н. Е. Жуковского, который посвятил много замечательных трудов изучению вихревого движения, описана установка для получения искусственного смерча. В этой установке над чаном с водой размещается на расстоянии 3 м полый шкив диаметром 1 му имеющий несколько радиальных перегородок (рис. 95). Если шкив привести в быстрое вращательное движение, то он начнёт закручивать столб воздуха. Внутри крутящегося столба воздуха, т. е. внутри воздушных вихрей, давление понижено, а следовательно, вода, находящаяся под этим столбом, устремится вверх и одновременно из-за наличия трения о крутящийся воздух придёт во вращательное движение.

Аналогично водяному смерчу искусственно можно создать и песчаный смерч.

Из большого числа видов воздушных течений большой интерес представляют восходящие и нисходящие

потоки. В атмосфере вертикальные течения образуются как в результате неравномерного нагрева поверхности Земли, так и вследствие разнообразного рельефа местности. Горизонтальный поток воздуха, встречающий на своём пути возвышенность, отклоняется ею вверх. За возвышенностью поток будет снижаться.

Восходящие и нисходящие потоки могут ещё образовываться в области грозовых и кучевых облаков, достигая скорости 10÷30 м/сек. Кучевые облака — это вершина восходящих воздушных потоков.

Законы образования воздушных течений необходимо знать пилотам планёров, самолётов и вертолётов.

При полёте в восходящих и нисходящих течениях самолёты испытывают сильную «болтанку». При встрече с такими потоками резко и часто меняются углы атаки крыльев. Так, например, если самолёт летит под углом атаки 1° со скоростью 100 м/сек и под него поддул восходящий поток со скоростью 20 м/сек, то угол атаки увеличится в 12 раз (рис. 96). Если на тот же самолёт

Аэродинамические явления в атмосфере

Рис. 96. Изменение угла атаки самолёта при полёте: а—в восходящем потоке, б—в нисходящем потоке.

подействует нисходящий поток со скоростью 20 м/сек, то угол атаки уменьшится, примет отрицательное значение, при котором подъёмная сила станет отрицательной и самолёт начнёт проваливаться.

Таким образом, изменение углов атаки влечёт за собой резкое изменение аэродинамических сил, что вызывает сильные толчки, подбросы и провалы самолёта.

Эти явления часто и неправильно объясняют наличием в воздухе каких-то «воздушных ям». У человека, летящего на самолёте, воздушная «болтанка» вызывает ощущение, близкое к тому, что испытывают при качке на море.

В таких, резко меняющихся условиях, особенно у передних кромок грозовых облаков, летать опасно. Самолёт может разрушиться. По имеющимся лётным наставлениям грозовые облака надо обходить.

Другим интересным явлением в атмосфере, относящимся к аэродинамике больших скоростей, является полёт в ней метеоритов. Полёт метеорита можно видеть в ясную ночь, когда внезапно на небе появляется яркая «падающая» звезда. Она беззвучно прочерчивает светящийся след среди неподвижных звёзд и так же тихо исчезает.

Метеоритные тела бывают размером от мельчайших крупинок до крупных металлических и каменных глыб. Каждый час на нашу Землю обрушивается большое число, иногда доходящее до 20 000, метеоритов — пришельцев из далёких пространств. И если бы воздух атмосферы не оказывал им сопротивления, то наша Земля подверглась бы варварской небесной бомбардировке. Воздух, окутывающий Землю, служит надёжной «бронёй» от метеоритов. Но иногда эта «броня» ими пробивается, и тогда на землю выпадают метеориты. Эти метеориты являются единственными небесными телами, которые мы можем взять в руки. Метеоритные камни влетают в атмосферу холодными, имея в среднем на высоте 100÷120 км скорость 12 000÷70 000 м/сек.

Сколь велико аэродинамическое торможение даже при полёте в очень разреженном воздухе, видно из того, что скорость метеорита на высоте 40 км за 1 сек иногда уменьшается с 55 до 40 км/сек.

Мелкие метеоритные камни весом в несколько граммов встречают в воздухе огромное сопротивление, полёт замедляется и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Такие метеориты раскаляются, испаряются и, превращаясь в газы, оставляют за собой светящийся след.

Крупные метеориты, если они не успевают рассыпаться в воздухе, израсходовав кинетическую энергию на преодоление сопротивления воздуха, в конце пути замедляют полёт. Зона, где задерживается полёт метеорита, называется зоной задержки. Из неё метеорит падает на Землю, как обычно брошенный с большой высоты камень, достигая при встрече с Землёй скорости 100÷200 м/сек.

Из ознакомления с аэродинамикой больших скоростей (ч. I, § 5) мы знаем, что перед телом, например, перед пулей, снарядом, летящим со сверхзвуковой скоростью, образуется волна уплотнения со скачком, где давление и температура резко повышаются. То же самое происходит и перед головной частью метеорита, только здесь давление и температура оказываются несравненно большими (рис. 97). Волна уплотнения от метеорита, распространяясь в воздухе, доходит до поверхности Земли, порождая звуковые и ударные волны.

Аэродинамические явления в атмосфере

Мы знаем, что сопротивление воздуха на больших скоростях зависит от числа М. У ракет это число доходит до 25. У метеоритных тел оно может достигать 100.

Летательным аппаратам будущего предстоит летать со скоростью метеоритов, поэтому изучение полёта метеоритов представляет большой интерес. Недалеко то время, когда аэродинамики, вооружённые знаниями об обтекании газами тел на больших скоростях, смогут в аэродинамических трубах воспроизводить картину обтекания метеоритных тел. И не случайно, что астрономы при изучении метеоритов обратились за помощью именно к аэродинамике.

Полёт метеоритов в атмосфере напоминает нам о тех трудностях, с которыми придётся встретиться человечеству при осуществлении первых космических полётов.

Однако полёт некоторых метеоритных тел, благополучно достигающих поверхности земли, даёт нам надежду на успешное преодоление этих трудностей.

Космическому кораблю придётся дважды пронизать атмосферу Земли — в начале и в конце полёта. При взлёте корабль пересечёт атмосферу со скоростью, значительно меньшей, чем при возвращении, поэтому аэродинамическое сопротивление и аэродинамический нагрев в этом случае не будет иметь столь грозного значения.

При возвращении из «рейса», врезаясь с колоссальной скоростью в атмосферу, космический корабль встретит огромное сопротивление воздуха, которое вызовет высокий аэродинамический нагрев.

Однако скорость космического корабля при входе в атмосферу будет много меньше скорости метеоритных тел, а форма его более удобообтекаема. Поэтому у космического корабля аэродинамическое сопротивление все- таки не вызовет столь резкого торможения и столь высокого нагрева, как это наблюдается у метеоритных тел. Тем не менее обшивка корпуса корабля начнёт нагреваться и подобно метеориту может раскалиться добела, и на время даже засветится как звезда.

Но это не значит, что космический корабль сгорит. От сгорания его предохранит применение жаропрочных и неокисляющихся материалов, тепловая изоляция и искусственное охлаждение.

Толстая тепловая изоляция задержит большую часть тепла, а проникшую внутрь корабля часть тепла встретит мощная система искусственного охлаждения.

Для искусственного охлаждения в качестве холодильного тела можно использовать воду или сжиженные газы — воздух, аммиак, кислород и т. п. Холодильное тело, испарясь, заберёт тепло и унесёт его в окружающую атмосферу.

Приближаясь к Земле, космический корабль будет иметь огромную скорость, которую необходимо снизить для благополучного приземления.

Так же как и в случае падения метеоритов космический корабль, летящий с огромной скоростью, испытает сильное и резкое торможение, обусловленное аэродинамическим сопротивлением воздуха.

Кроме аэродинамического способа торможения, возможно ещё торможение при помощи собственного двигателя, выбрасывающего струю газов по направлению полёта. Такое торможение для достаточного снижения скорости космического корабля требует дополнительно большого количества топлива, да вдобавок к этому количеству потребуется ещё топливо, которое необходимо, чтобы унести с собой посадочное топливо. Из этого следует, что аэродинамический способ торможения является более обещающим.

При аэродинамическом способе торможения скорость сначала уменьшается за счёт сопротивления, испытываемого корпусом корабля. Когда сопротивления, оказываемого корпусом, становится недостаточно, можно ввести в действие относительно небольшой специальный парашют. Конечно, такой тормозной парашют мыслится не из лёгкого шёлка или капрона, а из жаропрочного материала возможно с применением искусственного охлаждения.

Для дальнейшего уменьшения скорости и безопасности приземления, советский учёный Ф. А. Цандер предложил снабдить космический корабль выдвигающимися крыльями, которые при обычном полёте втянуты в корпус корабля и выдвигаются лишь при посадке. На этих крыльях предполагается планировать не только в атмосфере Земли, но и в атмосфере других планет — Венеры, Марса.

Кроме описанного назначения крыльев, их предполагается использовать при возвращении на Землю в качестве средства для удержания корабля в пределах атмосферы.

Для этого, при подходе корабля к атмосфере, чтобы он её не проскочил, крылья устанавливаются к направлению потока воздуха так, чтобы их подъёмная сила была направлена к центру Земли. В этом случае подъёмная сила прижмёт корабль к Земле, заставляя его по спирали огибать Землю и постепенно, на большом участке пути, плавно снижать космическую скорость.

При этом корабль не испытывает чрезмерных нагрузок.

В дальнейшем полёте, когда центростремительная сила станет меньше веса корабля, крылья устанавливаются под таким углом атаки, при котором будет создаваться подъёмная сила, направленная от центра Земли. При этом космический корабль переходит на обычное планирование.

Из всего сказанного видно, что учёным придётся много поработать над аэродинамикой космического корабля. Но настанет время, когда аэродинамики, совместно с другими учёными дадут все исходные данные, необходимые для создания первого беспилотного космического корабля.

На Венской сессии Всемирного Совета Мира президент Академии наук СССР академик А. Н. Несмеянов заявил, что «наука достигла такого состояния, когда реальна посылка ракеты на Луну...»

4 октября 1957 года Советский Союз, запустив первый в мире искусственный спутник Земли, возвестил всему миру о том, что человечество вплотную подошло к полётам в межпланетное пространство. Если ракетостроители добьются увеличения скорости на 3 км/сек к скорости спутника, то такая ракета сможет значительно углубиться в околоземное космическое пространство.

Там её движение не будет стеснено аэродинамическим сопротивлением и мощным панцирем земного тяготения. Привычный земной полёт сменится специфическим космическим движением, отличающимся поразительной скоростью, плавностью, бесшумностью, уменьшением веса до полной потери весомости. Ракета с выключенным двигателем сможет покрывать расстояния в миллиарды километров.

 

Смотрите также