Журнал «Юный техник» - Юный техник, 1956 № 02
Больше же всего, разумеется, приходится сражаться с сопротивлением воздуха авиаконструкторам.
Сопротивление воздуха по мере увеличения скорости плавно растет. Однако когда скорость самолета приближается к скорости звука (примерно 1 200 км/час), сопротивление воздуха скачком резко увеличивается. Перед самолетом вырастает «стена» сжатого воздуха, который не успевает расступаться.
Штурм «звукового барьера» — одна из самых замечательнейших и героических глав в истории авиации. Объединенными усилиями исследователей, конструкторов и летчиков-испытателей «звуковой барьер» был преодолен. Этот барьер остался позади.
И хотя за «звуковым барьером» сопротивление воздуха, как и следовало из данных лабораторных опытов и теоретических расчетов, оказалось больше, чем при подходе к этому барьеру, условия полета там гораздо благоприятнее.
Начали расти рекорды скорости, ранее «упиравшиеся» в стенку. Официальный мировой рекорд скорости, установленный недавно на английском самолете Фэйри «Дельта-2», равен 1 822 км/час. Американский самолет «Белл Х-1» на короткое время достиг скорости около 2 500 км/час, правда он взлетел не сам, а был прицеплен к самолету-матке. Эти скорости были достигнуты при полетах на больших высотах (выше 12 км).
Казалось бы, что и дальше все пойдет гладко. Однако за «звуковой стенкой» возникло новое препятствие, к которому уже приблизились современные скоростные самолеты.
ТЕПЛОВАЯ ЧАЩА
Еще в старину было замечено, что артиллерийские ядра, упав на мокрую землю, окутывались паром Когда же нагрелось ядро? При выстреле? Но было ясно, что массивное ядро не успеет сильно нагреться за короткое время пребывания в стволе.
Ядро нагрелось в полете. Воздух тормозит летящее ядро, и при этом часть кинетической энергии переходит в тепло.
Можно было ожидать, что снаряды будут нагреваться еще сильнее, чем сравнительно более медленные ядра. Однако артиллеристов это не очень беспокоило. Толстая стальная оболочка снаряда обладает большой теплоемкостью, а время его полета невелико. Снаряд оказывается у цели раньше, чем успевает прогреться до опасных пределов.
Сверхдальнобойным снарядам, которые находятся в полете несколько минут, нагрев также не страшен: большая часть их пути пролегает в стратосфере — там, где воздуха мало.
В наши дни до «теплового барьера» добрались и самолеты.
Надо заметить, название «тепловой барьер» менее удачно, чем «звуковой барьер». Когда самолет развивает сверхзвуковую скорость, он в самом деле как бы преодолевает некий барьер и попадает в более устойчивую область полета, чем зона скоростей, близких к скорости звука, простирающаяся от 0,9 М до 1,1 М. За 1 М — один Мах — ученые условились обозначать скорость полета, равную скорости звука.
«Тепловой же барьер» не имеет резко выраженной границы. Точнее было бы назвать его «тепловым возвышением», которое становится все круче и круче, или «тепловой чащей», сгущающейся по мере роста скорости.
Через «тепловой барьер» нельзя «пробиться», как сквозь «звуковой», но зато через него можно «перепрыгнуть» — летать высоко, в разреженном воздухе.
Нагрев в полете, который был не страшен артиллеристам, принес много хлопот творцам самолетов. Ведь время полета самолета измеряется не минутами, а часами. К тому же самолет состоит из тонких металлических оболочек, быстро принимающих температуру ударяющегося о него воздуха.
Те части самолета, которые встречают поток «в лоб», — нос фюзеляжа, передние кромки крыльев и оперения, — нагреваются всего сильнее, до так называемой «температуры торможения». Температура остальных поверхностей, по которым воздушный поток лишь «скользит», ниже — равна приблизительно 85 % от температуры торможения.
Чем выше скорость, тем больше температура (смотри график на цветной вкладке).
1. Размягчается плексиглас.
2. Человек нуждается в защите от нагрева.
3. Закипает бензин.
4. Нарушается нормальная работа электрон гидромеханизмов.
5. Капрон и найлон теряют прочность.
6. Предел прочности резины.
7. Алюминий теряет 20 % своей прочности.
8. Разлагаются авиационные смазки.
9. Закипает керосин.
10. Плавится пайка.
11. Титан теряет 40 % прочности.
12. Размягчается стекло.
13. Предел стойкости обычной стали.
В III системе циркулирует охлаждающая жидкость (8), прокачиваемая насосом (11). Омывая лед (10) с начальной температурой —70°, она охлаждается. Когда лед растает, переключается кран (9) и система работает подобно II системе.
Рис. художн. С. Пивоварова
ТЕМПЕРАТУРА И САМОЛЕТ
Кому не известна пословица: «Куй железо, пока горячо»!
Очень мудрая пословица! Она свидетельствует, что людям давно известно свойство веществ изменять свои качества при нагреве. Изучением этого явления пришлось заняться и авиаконструкторам. Оказалось, что алюминиевые сплавы теряют свою прочность при температуре выше 140–200°. До такой температуры нагревается поверхность самолета при скорости 2 200— 2 400 км/час. Титановые сплавы более стойкие. Они могут выдержать скорость до 3 500 км/час, при этом поверхность самолета нагреется до 450 °C, а в точках торможения — до 540 °C.
Еще хуже переносят нагрев неметаллические материалы. Так, плексиглас оказался непригодным для остекления кабины пилота уже на околозвуковых скоростях. Теперь для остекления используется специальное термостойкое авиационное стекло. Немало пришлось поработать химикам, пока они нашли и высокопрочную пластмассу для обтекателей радиолокационных антенн, находящихся в носу фюзеляжа.
Нагрев самолета может привести к тому, что закипит горючее в баках, потеряет изоляционные свойства резина, исказятся показания приборов, нарушится работа радиоаппаратуры. Неравномерный нагрев самолета, изготовленного из разных металлов, которые расширяются при повышении температуры каждый по-своему, неизбежно вызовет в нем опасные напряжения. Поэтому сверхскоростной самолет надо проектировать так, чтобы нагревающимся частям «было куда податься».
И, наконец, самая главная задача — как уберечь от жары экипаж и пассажиров самолета. Ведь уже при скорости полета 1 200 км/час температура в неизолированной кабине поднимается до +50 °C. Кабина превращается поистине в баню.
Вывод один: чтобы летать со сверхзвуковыми скоростями, нужны специальные меры для борьбы с нагревом. Но какие?
ЛЕТАЮЩИЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Как защитить себя от холода, знает каждый. Надо натопить лечь, если холодно дома, а выходя на улицу, надеть шубу. Избавиться от жары можно сходным способом: или «делая холод», или спрятаться от нее, надев специальную «шубу».
Дома мы «делаем холод» в холодильнике. Может быть, поставить на самолет подобный холодильник? Холодильник, правда, займет всю площадь самолета. Ведь холода потребуется много.
А самое главное, что холодильник не будет работать. Ему некуда будет отводить тепло. Вы спросите, какое тепло? Попробуйте рукой заднюю стенку холодильника, и вы убедитесь, что она горячая. Это холодильный агрегат отдает воздуху комнаты калории, «вынутые» из холодильной камеры нашего агрегата. А ведь самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, окружен горячим воздухом, который «не примет» тепла, откачиваемого из самолета.
Есть другой способ «делать холод».
У кочевников-арабов есть «волшебные» кувшины, в которых вода в самую сильную жару остается холодной. Вода свободно проникает в поры глиняной стенки, и кувшин все время «потеет». Кувшины эти не облицованы глазурью. Капельки влаги, испаряясь со стенок кувшина, уносят с собой тепло. Именно таким способом некоторые ученые решили охлаждать самолет, продавливая охлаждающую жидкость через множество микроскопических пор в обшивке самолета.
Но сложное устройство обшивки и отсутствие сегодня вполне приемлемых здесь пористых материалов не позволяют применять метод «выпотевания». Гораздо проще циркуляционное охлаждение. Однако и эта система не совершенна. Кончилась охлаждающая жидкость, система перестает работать.
Конструкторы задумались. А что, если увеличить запас холода, заливать систему перед взлетом водой, охлажденной до +1 °C, или водо-спиртовой смесью при температуре —20 °C?
Можно поместить в бак циркуляционной системы лед, замороженный до —70 °C. Летчик включил систему охлаждения.
