Сверхзвуковые самолеты - страница 14

. В этом случае в расширяющейся струе скорость уже не уменьшается, а продолжает расти, так что обтекание становится сверхзвуковым. Однако, пока набегающий поток является дозвуковым, область сверхзвукового обтекающего потока не может быть неограниченной, и сверхзвуковой обтекающий поток переходит в дозвуковой.

Увеличение скорости в сверхзвуковой части обтекающего потока приводит к тому, что статическое давление в струе падает, уменьшаясь в конечном счете ниже значения, соответствующего наименьшему сечению. В то же время за профилем преобладает более высокое давление, равное давлению окружающей среды, а поток имеет дозвуковую скорость, равную скорости набегающего потока. Значит, частицы воздуха в струе, обтекающей заднюю часть профиля, перед подходом к его задней кромке должны двигаться с замедлением, а давление должно иметь значение, соответствующее существующим там условиям. Плавное торможение сверхзвукового потока невозможно, поэтому изменение значений скорости и давления происходит резко. Торможение и сжатие движущегося потока воздуха происходит в некоторой плоскости, перпендикулярной поверхности профиля. Эта плоскость образует фронт плоской волны уплотненного воздуха, которая называется ударной волной или прямым скачком уплотнения. На прямом скачке давление резко возрастает, а скорость уменьшается до дозвукового значения. Поскольку за скачком поток уже дозвуковой, то его дальнейшему расширению сопутствуют уменьшение скорости и увеличение давления.

Рис. 1.11. Зависимости коэффициента лобового сопротивления Сх

a – от числа Маха (показано также влияние С х на максимальную скорость полета с данной двигательной установкой);

б – от вида скачков уплотнения; 1 -самолет сверхзвуковой конструкции; 2-самолет дозвуковой конструкции.

Таким образом, наличие сверхзвуковой области обтекания приводит к тому, что в соответствующей части профиля давление оказывается меньше, чем на других его частях (особенно передней), где обтекание остается дозвуковым. Чем меньше давление в сверхзвуковой области, тем больше сила, увлекающая профиль назад, а следовательно, тем больше его волновое сопротивление. С дальнейшим увеличением скорости самолета область сверхзвуковых скоростей на профиле становится более обширной, интенсивность скачка уплотнения увеличивается, возрастают его размеры и происходит дальнейший рост волнового сопротивления. Вскоре после возникновения скачка на верхней поверхности профиля он появляется также и на нижней поверхности, увеличивая и без того уже большое сопротивление. Есть еще одна причина возрастания сопротивления. За скачком вследствие резкого изменения скорости и давления происходит уплотнение и отрыв пограничного слоя воздуха, и возникающая вследствие этого турбулентность увеличивает сопротивление формы. Указанный быстрый рост аэродинамического сопротивления, образующего препятствие в виде своего рода «стенки» уплотненного воздуха, уже в 1936 г. был назван звуковым барьером.

Когда набегающий поток воздуха является сверхзвуковым, скачок уплотнения возникает перед передней кромкой крыла. Форма этого скачка зависит от формы профиля. Если профиль имеет закругленную переднюю кромку, то перед ним возникает криволинейный прямой скачок уплотнения максимальной интенсивности, которому соответствует наибольшее волновое сопротивление. Наименьшее волновое сопротивление создает профиль с острой передней кромкой, на которой возникают косые скачки уплотнения. Их характеризует меньшее изменение параметров течения, а это значит, что при косых скачках уплотнения волновое сопротивление меньше.

На первой стадии развития сверхзвуковой авиации был достаточно хорошо изучен механизм возникновения волнового сопротивления. Понимание происходящих явлений позволило разработать множество средств, а также подобрать соответствующую форму различных частей планера в зависимости от скорости полета. Этим проблемам посвящены последующие разделы книги.

В первый период эксплуатации сверхзвуковых самолетов значительное внимание привлекала проблема так называемого звукового удара-явления, необычного для предыдущего развития авиации. Выяснение физического смысла, широкая распространенность явления, а позднее и введение ограничений в полетах военных самолетов над крупными населенными пунктами привели к тому, что в дальнейшем к этому явлению привыкли. Лишь в 70-х годах – после ввода в эксплуатацию сверхзвуковых пассажирских самолетов – оно снова приобрело актуальность в связи с требованиями ограничения шума, которые были выдвинуты вследствие повышения внимания к охране среды обитания человека.