Аэродинамические силы на больших скоростях

Всё, что было рассказано про лобовое сопротивление и подъёмную силу, справедливо для обтекания тел с малыми дозвуковыми скоростями, примерно до 100 м/сек. При больших скоростях движения, близких к скорости

Аэродинамические силы на больших скоростях

Рис. 19. Схема обтекания тела потоком:

а — Дозвуковое обтекание; б — Сверхзвуковое обтекание.

звука и выше, обтекание тел имеет свои особенности. Эти особенности состоят в том, что на больших скоростях аэродинамические силы начинают зависеть от свойства воздуха, изменять свою плотность под действием давления, т. е. от сжимаемости воздуха.

Рассмотрим, чем отличается обтекание тел в дозвуковом и сверхзвуковом потоках (рис. 19). Предварительно вспомним, что звуковые волны представляют собой малые возмущения плотности и давления, распространяющиеся в достаточно плотной среде, и что скорость звука есть скорость распространения этих возмущений. Эти возмущения могут быть слышимы человеческим ухом. Заметим ещё, что возмущения давления воздуха, производимые, например, ударом хлыста, голосовыми связками человека, крылом самолёта, распространяются во все стороны от тела со скоростью звука.

При движении с дозвуковой скоростью передняя часть тела давит на находящиеся впереди него частицы воздуха. Появляются возмущения воздуха, распространяющиеся вперёд от одних частиц к другим со скоростью звука. Эти возмущения опережают двигающееся тело.

При этом тело не встречает большого сопротивления. Это— дозвуковое обтекание. А что произойдёт, если тело будет двигаться со сверхзвуковой скоростью?

И в этом случае передняя часть тела будет возмущать частицы воздуха, порождая колебания окружающего воздуха.

Но скорость распространения этих колебаний будет по-прежнему равна скорости звука.

При этих условиях колебания воздушной среды, возникающие при движении тела, не успевают распространиться впереди тела. Перед телом, движущимся со сверхзвуковой скоростью, образуется слой уплотнённого воздуха.

Аэродинамические силы на больших скоростях

Летящее со сверхзвуковой скоростью тело оставляет позади себя всё новые и новые звуковые волны (рис. 20).

Ранее возникшие волны успевают расшириться, и радиус их возрастает. Эти бесчисленные сферические волны звука, слагаясь, образуют за телом конус возмущений, в вершине которого находится остриё самого тела. Чем скорость движения больше скорости звука, тем острее этот конус.

Воздушные волны возмущают окружающую среду. Эти возмущения, слагаясь, образуют перед телом одну общую волну уплотнённого воздуха. Такой слой сжатого воздуха в несколько раз увеличивает сопротивление движению тела.

В головной части конуса, на его поверхности, всё время будет происходить удар набегающих частиц воздуха. В месте удара возникает скачок уплотнения — область сжатия воздуха. Скачок уплотнения является причиной добавочного сопротивления. Так как причиной возникновения этого сопротивления являются волны, то добавочное сопротивление называют волновым сопротивлением.

Аэродинамические силы на больших скоростях

Рис. 21. Обтекание заострённого тела сверхзвуковым потоком.

В скачке уплотнения давление и температура воздуха скачкообразно возрастают. В этой зоне уплотнённого воздуха энергия движения тела переходит в повышение давления и в теплоту. Таким образом, аэродинамика больших скоростей учитывает и тепловые явления, происходящие в потоке газа. За скачком уплотнения давление хотя и понижается, но всё же остаётся повышенным (рис. 21). Это давление действует на лобовую поверхность тела, вызывая увеличение лобового сопротивления.

Интересно заметить, что скачки уплотнения возникают и в природе. Например, известно, что у метеоритных камней, врезающихся со скоростью нескольких десятков километров в секунду в земную атмосферу, образуется мощнейший скачок уплотнения воздуха, в котором сжатие столь велико, что газы в нём раскаляются, раскаляется и сам метеорит, и испускается тот яркий свет, который мы видим, наблюдая «падающие звёзды».

Появление на больших скоростях волнового сопротивления воздуха зависит не от абсолютного значения скорости, а от отношения скорости полёта к скорости звука.

На эту связь, между увеличением сопротивления воздуха и скоростью звука, впервые в мире указал учёный артиллерист профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский. Отношение скорости полёта к скорости звука названо числом М.

Аэродинамические силы на больших скоростях

Для скорости полёта, равной скорости звука, число М= 1.

Из-за возникновения только что описанного волнового сопротивления формулы, по которым подсчитываются лобовое сопротивление и подъёмная сила, уточняются соответствующими изменениями коэффициента лобового сопротивления Cх и коэффициента подъёмной силы Су.

Эти коэффициенты, как мы видели раньше (§ 3 и 4), на малых дозвуковых скоростях порядка 100 м/сек, не зависели от скорости полёта, на скоростях же полёта, больших 100 м/сек, вернее на скоростях полёта, для которых число М = 0,3÷0,5, они сильно зависят от числа М. Величины этих коэффициентов определяются опытным путём при продувке в скоростных аэродинамических трубах.

Наши учёные-аэродинамики неустанно изыскивают новые лучшие формы частей сверхзвуковых летательных аппаратов.

Внешние формы сверхзвукового самолёта необычны и значительно отличаются от форм тихоходного дозвукового самолёта. С ними мы ознакомимся в разделе «Самолёты».

Смотрите также