Движение със свръхзвукова скорост

Ударните вълни, както току-що казахме, се разпространяват със свръхзвукови скорости. Оказва се, че движението на твърди тела във въздуха със свръхзвукова скорост също води до образуването на ударни вълни. Следователно ударните вълни са от голямо значение за съвременната авиация.

Движение със скорости, значително надвишаващи 330 m/s, т.е. 1200 км/ч напоследък стана реалност в авиацията. Движението на самолети и снаряди, пресичащи въздушното пространство със скорости, които са преминали звуковата бариера - това е името на линията 1200 км / ч - е много рязко различно от движенията, лежащи от другата страна на звуковата бариера. Тази разлика се състои в това, че пред тяло, летящо със свръхзвукова скорост, се образува ударна вълна.

Диаграма на ударната вълна, създадена от заоблен снаряд, е показана на фиг. 129. Вълновият фронт е извита повърхност, минаваща малко пред движещо се тяло. При отдалечаване от линията на движение предната част изостава от снаряда и се отдалечава.

Картината на ударната вълна в заострено тяло, което има формата на добре познат на всички снаряд, изглежда малко по-различно. Ориз. 130 показва, че ударната вълна е "седнала на носа" на снаряда; фронтът на вълната придобива конична форма.

Може да се снима летящ със свръхзвукова скорост снаряд. Рязката разлика в плътността на въздуха около снаряда ясно очертава фронта на генерираната от него ударна вълна. Колкото по-бързо се движи снарядът, толкова по-остър е конусът.

Ударната вълна е основният източник на съпротивление, изпитвано от тяло, движещо се със свръхзвукова скорост. А при скорости, които са по-малки от скоростта на звука, съпротивлението се създава, както казахме, главно от възникването на турбулентно движение.Следователно най-изгодните форми на тялото за тези два вида движения са различни. Това, което е полезно за бързите движения, е неблагоприятно за по-бавните и обратното.

Насоченото напред тяло допринася за турбуленцията и по този начин увеличава съпротивлението при движение при дозвукови скорости. Напротив, заострената форма на снаряда намалява съпротивлението на ударната вълна.

Тъпото тяло отпред намалява турбуленцията и следователно е по-полезно при дозвукови скорости, отколкото заостреното. При преминаване през звуковата бариера тази форма става по-малко изгодна, тъй като ударната вълна става основният източник на съпротива. Поради тази причина снарядите на оръдията са насочени напред - все пак те се движат със свръхзвукова скорост.

За съжаление е невъзможно да се елиминира ударната вълна и заедно с нея основният източник на съпротивление на тяло, което прорязва въздуха със свръхзвукова скорост. Задачата на конструкторите на снаряди и самолети е да намалят съпротивлението, създадено от ударната вълна.

За снарядите и тялото на самолета намаляването на съпротивлението се постига чрез изостряне на формата. И каква идея можете да предложите за крилата? През последното десетилетие свръхвисокоскоростните самолети придобиха нови форми: крилата се притиснаха към тялото, самолетът придоби стреловидна форма. Това е направено именно за да се справим със съпротивлението на ударните вълни (фиг. 131).

Вместо да обсъждаме движението на самолет, който прорязва въздуха, можем да говорим за въздушния поток, навлизащ в самолета. Това е едно и също нещо.

На фиг. 131 показва самолет, чието крило е наклонено спрямо потока. Векторната скорост на въздуха в крилото може да се разложи на два вектора, като единият се насочва по протежение на крилото, а другият напречно. По дължината на крилото въздухът се плъзга свободно и това надлъжно плъзганедвижението не може да бъде значителен източник на съпротива. Основното съпротивление, което крилото ще изпита от движението на въздух през крилото. Но в крайна сметка напречният компонент на скоростта, с която въздухът се движи към крилото, може да бъде значително по-малък от челната скорост. Може дори да се случи, че когато самолет се движи със свръхзвукова скорост, напречната скорост на въздуха спрямо крилата му ще бъде под звуковата бариера. Това намаляване на страничната скорост ще доведе до отслабени ударни вълни и намалено съпротивление. Ето защо свръхвисокоскоростните самолети получават стреловидна форма.

Конструкторите на самолети обаче са изправени пред трудна задача - да намерят компромис между форми, които са удобни за свръхзвукови и конвенционални скорости. Такъв компромис е необходим по проста причина - самолетът излита и каца при относително ниски скорости.

В момента има реактивни самолети, летящи със скорост от много хиляди километри в час, а конструкторите продължават работата си за постигане на още по-високи скорости. На пътя стоят нови трудности. Нарушавайки звуковата бариера, инженерите се срещнаха с термичната бариера.

Бързо движещ се самолет или снаряд компресира въздуха пред себе си. Компресията води до повишаване на температурата. Въздухът, разчленен от движещо се тяло, се нагрява, което означава, че стените на самолета също се нагряват.

Повишаването на температурата е пропорционално на квадрата на скоростта на въздуха. Колкото по-висока е скоростта, толкова повече се нагрява въздухът. Докато се достигне звуковата бариера, температурата на въздуха пред самолета се повишава само с 60°. Това все още няма голямо практическо значение. Но при скоростта на самолета, два пъти по-голяма от скоростта на звука, въздухът се нагрява вече с 240 ° и когато достигнетри пъти скоростта на звука, въздухът получава температура от около 820 ° C и т.н. Лесно е да се разбере, че това отопление води до значителни технологични усложнения.

От горните цифри може да се види колко бързо се повишава температурата с увеличаване на скоростта. При движение със скорости от порядъка на 10 km / s температурите стават толкова значителни, че всяко тяло се топи и се превръща в газ. Метеорни тела - камъни и камъчета с различни размери - непрекъснато падат от световното пространство в земната атмосфера. Те се движат със скорост от няколко десетки километра в секунда. На височина 150-200 км над земната повърхност, когато атмосферата стане по-малко разредена, тези пришълци започват забележимо да се нагряват, а на височини от порядъка на 130-60 км температурата им се повишава толкова много, че те се изпаряват. С просто око забелязваме светещо камъче в нощното небе. В момента, когато го видяхме, ни се струва, че звезда е паднала от небето. „Падащата звезда“ не трае дълго: част от секундата - и камъчето се изпарява.