Как обогнать звук?

Примерно через пятьдесят лет после своего рождения авиация отметила еще одно знаменательное событие — самолет смог преодолеть звуковой барьер. Это означает, что с этого момента скорость некоторых видов специальных летательных аппаратов (сверхзвуковых самолетов) стала больше скорости звука, которая в зависимости от высоты полета равна 300—340 м/с. Преодолеть этот барьер оказалось не таким уж легким делом. Просто разогнать самолет до скорости, немного превышающей 1 000 км/ч, оказалось недостаточным.

Когда какое-нибудь тело, например крыло самолета, движется в воздушной среде, то оно создает вокруг себя возмущения этой среды. На деле это выражается в создании вокруг крыла волн разрежения и сжатия. Они как бы подготавливают находящиеся впереди слои воздуха к обтеканию крыла — частицы воздуха приобретают некоторую скорость и расступаются в стороны еще до того, как передняя кромка крыла их достигнет. Таким образом, самолет как бы прокладывает перед собой туннель, по которому потом и летит.

Но все вышесказанное будет справедливым лишь при условии, что скорость полета самолета не превышает скорости звука, с которой распространяются возмущения. При этом они успевают обогнать крыло и передать команду воздуху расступиться. В результате воздух плавно обтекает крыло.

Первые сверхзвуковые самолеты, обогнав звук, столкнулись с большой проблемой. Воздушные массы оказывались «не готовы» к встрече с крылом и не расступались перед ним. Более того, возмущения не распространялись в разные стороны, а накапливались, сжимая воздух, вдоль двух линий, называемых ударными волнами. Поэтому, когда над нами пролетает сверхзвуковой самолет, мы слышим грохот, напоминающий раскаты грома, — это до нашего уха долетает звуковая волна. Обтекание воздухом крыла при этом уже не будет плавным, и для летательного аппарата будет создаваться дополнительное сопротивление, получившее название «волновое».

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. До самого начала первой мировой войны французские пилоты удивляли мир все новыми и новыми рекордами. 17 сентября 1912 г. Ж. Легане поднялся на 5 450 м. 11 декабря 1912 г. пилот Ролан Гарро добавил к предыдущему рекорду несколько сотен метров (5 610 м). После полета М. Перрейона, состоявшегося 11 марта 1913 г., рекорд высоты стал равен 5 880 м, а концу 1913 г. (28 декабря) Ж. Легане сделал его равным 6 120 м.

В аэродинамике придуман специальный коэффициент, который позволяет судить о том, насколько скорость полета меньше или превышает скорость звука. Эта величина называется числом Маха (М):

М = скорость полета/скорость звука.

Эксперименты показали, что при движении с дозвуковой скоростью, когда М < 0,7, сжимаемость воздуха настолько низкая, что ею можно пренебречь. Но по мере увеличения числа Маха сжимаемость воздуха, а следовательно, и сопротивление летящему самолету, проявляется все сильней.

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. Годы, последовавшие за окончанием первой мировой войны, значительно приподняли планку рекордов высоты полетов. В большой степени этому способствовали полеты американских пилотов. 27 февраля 1920 г. Р. У. Шредер на самолете «Leper» поднялся на 10 093 м. 18 сентября 1921 г. пилот Дж.Э. Макрили на самолете той же модели взлетел до 10 518 м. Французский пилот Сади Лекуэнт в надежде вывести свою страну в лидеры устанавливает два рекорда подряд: 5 сентября 1923 г. — 10 742 м и 30 октября 1923 г. — 11 145 м. Результаты французских летчиков продержались почти три гола, а затем вновь были превзойдены американцами. 25 июля 1927 г. пилот К. Ч. Чемпион на самолете фирмы «Wright» поднялся на 11 710 м, а пилот А. Сусек 8 мая 1929 г. достиг высоты 11 930 м.

Из истории абсолютных мировых рекордов высоты полета. 26 мая 1929 г. в небо поднялся самолет немецкой фирмы «Junkers». Во время полета пилот В. Нойенхофен достиг отметки 12 739 м. 4 июня 1930 г. американец А. Сусек на самолете «Wright» поднялся на 13 157 м. Следующим рекордсменом стал англичанин Ч.Ф. Юинс. 16 сентября 1932 г. он достиг высоты 13404 м. Через гол, 28 сентября 1933 г., француз Ж. Лемуан поднял рекорд до 13 661 м. А итальянский пилот Р. Лонати 11 апреля 1934 г. увеличил его еще почти на километр — 14 433 м.

Процесс преодоления звукового барьера, когда М начинает превышать единицу, потребовал проведения длительных исследований. Ученые различными способами пытались снизить аэродинамическое сопротивление и «заставить» воздушные массы как можно более плавно обтекать крыло самолета. В наше время пилот, находящийся в кабине современного самолета, даже не замечает, когда его аппарат разгоняется настолько, что начинает превышать скорость звука. А вот летчикам 50-х гг. пришлось «хлебнуть лиха» — попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах обычно заканчивались катастрофой — аппарат начинало бросать из стороны в сторону, он становился совершенно неуправляемым.

Однако энтузиастов скоростных полетов это не остановило. Ученые, конструкторы и летчики-испытатели продолжали работу по поиску новых способов увеличения скорости самолета. При этом они сталкивались с новыми интересными явлениями, связанными с полетами со сверхзвуковой скоростью.

Новый экспериментальный сверхзвуковой самолет покидает ангар. Пилот-испытатель получает разрешение на взлет и блестящий на солнце серебром алюминия и свежей краски самолет, нарушив тишину ревом мощных двигателей, поднимается в небо. Через несколько десятков минут приборы показывают рекордный результат — скорость звука превышена более чем в два раза. Аппарат-рекордсмен благополучно возвращается на аэродром, но встречающим его инженерам и ученым открывается печальное зрелище. Сверкающая ранее металлическая поверхность самолета покрылась какими-то пятнами, стекла пилотской кабины помутнели, а краска, которой на фюзеляже и крыльях были нанесены опознавательные знаки, потемнела и в некоторых местах даже обуглилась. Такое ощущение, что вместо полета в низкотемпературных высотах земной атмосферы самолет побывал в раскаленной печи.

Оказалось, что при полете со скоростью, при которой М > 1, сжимаемые перед самолетом воздушные массы нагреваются и передают теплоту окружающим предметам. С этим явлением можно встретиться при накачивании насосом мяча или колес велосипеда. Через некоторое время можно почувствовать, что корпус насоса стал заметно теплее. То же самое происходит и с теми частями самолета, которые во время сверхзвукового полета сжимают перед собой воздух. Эксперименты и измерения, проведенные учеными, показали, что самолет, преодолев звуковой барьер, «наталкивается» еще на один — тепловой. Величина температуры, которую воздух способен передать летательному аппарату, оказалась весьма значительной. Так, например, расчеты показали, что некоторые детали самолета, достигшего скорости, при которой М = 5, могут нагреться до 1 000°С, даже если полет будет проходить в стратосфере на высоте более 12 км, где температура окружающего воздуха опускается ниже минус 55°С.

Практически все материалы при нагревании становятся менее прочными. Например, у «авиационного металла» — алюминия — прочность начинает снижаться уже при нагревании до 200°С. А ведь ученые считают, что достижение скоростей, при которых М будет превышать десять и даже двадцать, причем без последствий для летательного аппарата и его пилота, вполне реально. При этом температура воздуха будет достигать таких огромных значений, что уже необходимо будет учитывать не только физические свойства материалов, из которых изготовлен самолет, но и изменения физических и химических свойств воздуха, окружающего летательный аппарат. Поэтому проблемами, связанными с преодолением звукового и теплового барьеров, ученые всего мира занимаются постоянно.