Карл Гильзин - В небе завтрашнего дня
Откуда появляется это тепло?
Очевидно, в тепло переходит работа, которую мы затрачиваем при накачивании, то есть при сжатии воздуха. Когда мы работаем энергичнее, то и тепла выделяется больше. Так здесь проявляется закон сохранения энергии.
И во всех других случаях, когда происходит быстрое сжатие воздуха, он нагревается. Вот почему, между прочим, воздушные компрессоры, которые подают сжатый воздух, обязательно должны иметь какое-нибудь охлаждение.
Своеобразным насосом или компрессором оказывается и быстролетящий самолет — он сжимает находящийся впереди него воздух. Сопротивление воздуха быстродвижущемуся предмету проявляется в том, что на передней поверхности этого предмета давление становится повышенным, большим, чем сзади. Разность давлений и приводит к появлению силы, которая ощущается как сопротивление встречного потока. Если, например, измерить давление воздуха у ветрового стекла быстродвижущегося автомобиля, то оно окажется большим, чем окружающее атмосферное давление. Это приращение давления называют динамическим давлением, или скоростным напором.
Такое повышение давления может быть и полезным и вредным. Лобовое сопротивление, которое оказывает воздух быстродвижущемуся автомобилю и, в особенности, самолету, вредно. Но тот же скоростной напор движет парусные суда, вращает крылья ветросиловых установок, позволяет создать прямоточный воздушно-реактивный двигатель и т. д.
Вред, связанный со скоростным напором, то есть со сжатием воз-/ духа, резко остановленного в своем беге, заторможенного, не ограничивается повышением давления. Мы уже знаем, что это увеличение давления неизбежно связано и с повышением температуры воздуха (вспомните велосипедный насос).
Действительно, точное измерение температуры воздуха перед ветровым стеклом быстродвижущегося автомобиля показало бы, что эта температура тоже чуть выше, чем у окружающего воздуха. Правда, при тех скоростях, с которыми передвигаются автомобили, повышение температуры воздуха за счет торможения встречного потока составляет доли градуса. Но все же это повышение существует, и оно может быть измерено. Если оно невелико, то только потому, что и сжатие тоже мало.
Мы знаем, однако, случаи, когда давление воздуха в результате действия скоростного напора может повыситься в десятки и даже сотни раз. Таково именно сжатие встречного потока самолетом при сверхзвуковой скорости. Значит, и повышение температуры воздуха при этом тоже должно быть гораздо большим.
Действительно, если внезапно затормозить воздушный поток, движущийся вдвое быстрее, чем звук в воздухе, то его температура увеличится на 230°, а при скорости в 10 раз большей скорости звука это увеличение составит почти 5800°!
Измерения показывают, что это действительно так. Передняя кромка крыла самолета все время как бы рассекает поток раскаленного воздуха. Если не принять специальных мер, то она быстро расплавится.
Но ведь известно, что металл хорошо проводит тепло. Значит, передние части крыла, соприкасающиеся с горячим воздухом, будут быстро отдавать тепло другим частям крыла, расположенным сзади, где торможения нет и крыло обдувается холодным воздухом.
Увы, это не так. Воздух оказывается более «коварным», чем хотелось бы. Он сообщает тепло всем частям быстролетящего самолета, а не только передним. Весь самолет оказывается окруженным оболочкой, рубашкой раскаленного воздуха. Самолет, летящий с высокой скоростью, нигде не встречается с холодным окружающим воздухом.
Но если спереди воздух нагревается из-за сжатия при его торможении, то отчего он нагревается сзади* где торможения и, значит, сжатия нет?
Здесь придется рассказать еще об одном свойстве воздуха — его вязкости.
Мы знаем так называемые вязкие жидкости — густой вар, мед, смолу. В отличие от воды или керосина эти жидкости тягучи, текут медленно, их частицы как бы связаны друг с другом. Так и есть на самом деле — именно межмолекулярные силы сцепления делают такие жидкости вязкими.
Но воздух? Разве воздух похож на смолу?
Да, похож.
Конечно, силы связи между частицами воздуха неизмеримо меньше, чем в смоле, но они все же есть. И бывают случаи, когда они обнаруживают себя сильнее, заметнее. Таким случаем и является полет скоростного самолета.
Когда в воздухе движется какое-нибудь тело, оно уносит с собой частицы воздуха, непосредственно прилегающие к его поверхности. Эти частицы как бы прилипают к поверхности тела и остаются неподвижными относительно нее.
Ну, а следующий слой воздуха, соседний с этим первым, будет обладать полной скоростью потока, то есть той скоростью, с которой движется тело? И все остальные слои воздуха тоже? Тогда скольжение воздушных слоев будет происходить только непосредственно у самой поверхности тела, там где самый первый, неподвижный слой соседствует со следующим, обладающим полной скоростью потока?
Да, дело обстояло бы именно так, если бы воздух не обладал вязкостью, если бы между частицами воздуха не существовало сил сцепления, которых мы обычно не замечаем. В действительности же частицы тончайшего слоя воздуха, непосредственно прилегающего к слою «прилипшему», застывшему на поверхности движущегося тела, будут притягиваться к частицам этого неподвижного слоя. Поэтому они не смогут двигаться с прежней скоростью, то есть с полной скоростью потока относительно тела. Их скорость будет значительно меньше.
Но то же самое произойдет и с частицами следующего слоя, прилегающего уже не к неподвижному, а к соседнему с ним слою, движущемуся с малой скоростью. Понятно, что скорость частиц этого второго слоя будет уже несколько больше.
Так от слоя к слою будет расти скорость частиц воздуха, пока на некотором расстоянии от поверхности тела она не станет практически равной скорости так называемого свободного потока относительно тела, или, что все равно, скорости самого движущегося тела. В отличие от этого свободного потока, прилегающие к поверхности слои воздуха называют пограничным слоем.
Легко видеть, какое огромное влияние оказывают свойства пограничного слоя на характер движения тела. По существу, изучение пограничного слоя — главное в аэродинамике.
В частности, например, особый интерес в последнее время вызывает проблема управления пограничным слоем на крыле самолета. С помощью специальных щелей можно изменять свойства пограничного слоя на поверхности крыла, если через эти щели подавать изнутри воздух под давлением или, наоборот, отсасывать воздух из пограничного слоя внутрь крыла. Управление пограничным слоем, проблему которого сейчас решают ученые, намного улучшит летные характеристики самолета и, несомненно, найдет широкое применение в авиации будущего 1*.
Но нас сейчас интересует другое. Если в пограничном слое скорость движения частиц воздуха уменьшается из-за силы вязкости, значит, их кинетическая энергия уменьшается, как и при простом торможении. Куда же она девается? Ведь исчезнуть энергия не может? Нет. Она переходит в тёпло, точно так же, например, как переходит в тепло работа трения твердых тел.
Значит, вся поверхность быстродвижущегося тела оказывается окруженной раскаленным воздухом. Правда, температура задней кромки крыла будет несколько меньше, чем передней. Ведь спереди воздух останавливается, тормозится полностью, а сзади его скорость лишь постепенно уменьшается до нуля. Но все же спасительной отдачи воздуху тепла от задней поверхности крыла не происходит.
Так рост скорости полета выдвигает перед авиацией поистине грозную перспективу: оказывается, скоростной полет должен неизбежно протекать в раскаленном воздухе. Пусть на улице мороз в 60 или даже больше градусов, каким он бывает на высоте 10–11 километров, — самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, будет находиться как бы в раскаленной печи. И чем больше скорость полета, тем выше температура в этой печи.
Но разве может самолет совершить такой полет хоть сколько-нибудь длительный? Металлы, из которых он построен, расплавятся или даже испарятся; а ведь им достаточно только потерять свою прочность, что всегда бывает при нагреве, чтобы самолет рассыпался в воздухе. Летчик в кабине такого самолета неминуемо погибнет от жары. Все оборудование самолета — электрическое, радио, электронное, гидравлическое — выйдет из строя. Топливо воспламенится, резина сгорит, различные рабочие жидкости испарятся. Да и как тут не вспомнить о судьбе мириадов небесных камней, с огромной, космической скоростью врывающихся в земную атмосферу и сгорающих, Испаряющихся в ней, — «падающих звезд»!
А ведь судьбу метеоритов разделило уже немало их искусственных собратьев — высотных ракет и искусственных спутников Земли. Они закончили свой жизненный путь в плотных слоях атмосферы, врываясь в нее с огромной скоростью на обратном пути из космоса. Земной поверхности достигали в этих случаях только отдельные оплавленные обломки, немые свидетели полыхавшего в небе пламени. Багровое пламя, лизавшее стенки кораблей-спутников «Восток», видели их космические капитаны, когда направляли свои корабли на посадку. Это пламя все-таки появлялось, хотя предварительно скорость кораблей была намного уменьшена с помощью тормозных двигателей. Скорость полета самолетов неумолимо и быстро приближается к этой роковой черте. В рекордных полетах самолета «Х-15», о которых говорилось выше 2*, температура обшивки достигала 760°!
