Издательства «КоЛибри» и «Азбука-Аттикус» представляют книгу Зака Скотта «Авиация. Инфографика полета» (перевод Валерия Яценкова).
Книга содержит иллюстрированную историю самого амбициозного предприятия человечества: от первых летательных аппаратов и простых планеров до современных сверхзвуковых самолетов и гиперзвуковых ракет. Оригинальная инфографика и великолепные фотографии наглядно объясняют сложные технические вопросы. Какие физические силы действуют на самолет, какие конструкторские решения позволяли пилотам ставить рекорды, какие военные самолеты показали наибольшую эффективность в сражениях или в разведке, как пассажирские перелеты стали комфортными и безопасными… Всё, что необходимо знать о полетах, в доступной и увлекательной форме.
Предлагаем ознакомиться с фрагментом книги.
Как возникает подъемная сила
Теория подъемной силы возникла в XVIII веке, когда ученые приступили к первым исследованиям в области гидродинамики. Открытия и разработки, сделанные на протяжении двух следующих столетий, привели нас к современному пониманию взаимодействия твердых объектов с потоками жидкостей и газов.
Причины возникновения подъемной силы
Чтобы самолет оставался в воздухе, подъемной силы должно быть достаточно для компенсации силы веса самолета, направленной вертикально вниз. Часто при описании подъемной силы дается только одно объяснение, но чтобы полностью понять, как работает крыло, необходимо уяснить два фактора возникновения подъемной силы: то, как воздушный поток обтекает профиль (скос потока), и то, как ток воздуха создает область низкого давления над крылом и область высокого давления под крылом.
На скоростях существенно ниже 1 Маха — скорости звука — действуют оба фактора, но чем ближе скорость полета к 1 Маху, тем больше доминирует скос потока. После преодоления звукового барьера скос потока становится единственной причиной возникновения подъемной силы, поскольку на сверхзвуковой скорости воздух сжимается и отрицательно влияет на работу профиля крыла. Но об этом позже.
Скос потока
Крыло создает часть подъемной силы, просто изменяя направление движения воздуха. Это связано с его формой, которая заставляет поток воздуха отклоняться вниз. Поскольку третий закон движения Ньютона гласит, что для каждого действия существует равное по силе и противоположное по направлению противодействие, воздух оказывает на крыло воздействие, направленное вверх.
Вспомните, что происходит, если высунуть руку из окна движущейся машины. Если ладонь расположена горизонтально, вы не ощущаете заметной тяги вверх или вниз, но стоит приподнять переднюю кромку ладони — и встречный воздух толкнет руку вверх. Это реакция на то, что ваша ладонь отклоняет воздух вниз.
На рисунке крыло расположено под углом к набегающему потоку. Этот угол довольно типичен для самолета, находящегося в прямом и горизонтальном полете. Позже мы рассмотрим, как изменение угла влияет на подъемную силу и сопротивление крыла.
Разность давлений
Чтобы описать, как движущееся крыло создает разность давлений с двух сторон, необходимо понять принцип Бернулли.
Даниэль Бернулли был швейцарским математиком и физиком, проводившим новаторские исследования в области гидродинамики — в частности, того, как вода течет в различных ситуациях. Он опубликовал свои выводы в труде «Гидродинамика» в 1738 году. Впоследствии заголовок этой книги превратился в название для целой отрасли науки. Хотя в своих экспериментах Бернулли использовал жидкости, его выводы в целом справедливы и для газов. Исключением является высокая скорость потока (примерно более 0,3 Маха), когда воздух перед объектами начинает сжиматься, поскольку исходные уравнения Бернулли работают только для потоков с постоянной плотностью.
Во время экспериментов Бернулли наблюдал, что происходит, когда вода проходит через трубки, имеющие сужение посередине. Первое, что бросается в глаза: в области сужения поток движется быстрее. Для большинства людей это вполне очевидный факт — в конце концов, многие из нас видели широкую медленную реку, которая заметно ускоряет свое течение на более узких участках; если зажать конец садового шланга, то вода вырывается быстрее. Менее очевидно, как изменение скорости жидкости влияет на ее давление.
Бернулли пришел к выводу, что по мере ускорения потока давление жидкости на стенки будет падать. Его идеи проиллюстрированы на следующих рисунках, изображающих две трубки. В первой трубке жидкость неподвижна, а во второй равномерно движется.
На рисунке выше изображено поперечное сечение трубки Вентури, устройства, которое наглядно демонстрирует принцип Бернулли. В этом случае через трубку протекает поток воздуха, а в секции с U-образным изгибом находится жидкость. Если воздух в трубке неподвижен, то жидкость находится на одинаковой высоте с каждой стороны U-образного изгиба. Однако, когда воздух проходит через трубку, жидкость втягивается в область низкого давления в точке, где воздушная скорость больше.
Разность давлений (продолжение)
Теперь, когда мы знаем, что чем быстрее движется поток, тем меньше давление, которое он оказывает на прилегающие поверхности, мы начинаем понимать, почему крыло самолета имеет такую вогнуто-выпуклую форму. Воздух, проходящий над крылом, вынужден двигаться быстрее, чем воздух внизу, поэтому под крылом образуется область высокого давления, а сверху будет область низкого давления. Если эти условия выполнены, на крыло будет действовать сила, направленная вверх. В течение многих лет проб и ошибок, испытаний в аэродинамической трубе, а в последнее время и компьютерного моделирования инженеры разработали такие профили, которые заставляют воздушный поток вести себя нужным образом — увеличивать скорость над верхней частью, в то же время избегая увеличения скорости снизу.
Как правило, верхняя поверхность крыла имеет больший изгиб (кривизну), чем нижняя, и действует как сужение в трубке Вентури. Воздух, протекающий сверху, проходит более длинный путь, поэтому вынужден течь быстрее, чтобы подчиняться законам гидродинамики. Плоская поверхность нижней стороны означает, что путь воздушного потока здесь короче и поэтому воздуху не нужно ускоряться. Однако желательно, чтобы нижняя сторона тоже была несколько изогнутой, так как это гарантирует, что потоки воздуха сверху и снизу при встрече будут двигаться в одном направлении. Если бы два потока встречались под острым углом, это привело бы к турбулентности воздуха за крылом и увеличило сопротивление.
Изогнутый аэродинамический профиль, показанный на рисунке выше, типичен для дозвукового самолета. На более высоких скоростях воздух ведет себя совершенно иначе, и крыло, которое подходит для перемещения со сверхзвуковой скоростью, имеет иные профили. Можно с уверенностью сказать, что если вы видите самолет с относительно толстым профилем и выраженными изгибами обеих поверхностей крыла, то он не предназначен для полетов на высоких скоростях.
На рисунке вверху показан обдув профиля крыла в аэродинамической трубе, в которой одновременно запускались потоки дыма. Фотография была сделана в тот момент, когда потоки достигли передней кромки, и показала, что вдоль верхней поверхности крыла дым проходит более длинный путь, чем внизу. Это наглядное доказательство того, что над крылом поток воздуха ускоряется больше, чем снизу.
