Фpaгмeнты книги
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие авиационной, ракетной и воздуходувной техники во многом связано с достижениями науки, называемой аэродинамикой.
Рассматриваем ли мы движение самолёта, вертолёта, ракеты, пули, автомобиля, лопасти вентилятора, лопасти ветродвигателя, парашюта, а также полёт птицы, насекомого, летучей рыбы, белки-летяги, кленового семечка или явления водяного, песчаного смерча — везде, во всём этом многообразии мы встречаемся с аэродинамическим воздействием воздуха.
Бесчисленны примеры в технике и в природе взаимодействия тел с воздушной или иной газовой средой.
Что происходит в потоке воздуха или иного газа? Что получится, если в этот поток поместить тело, или, наоборот, тело заставить двигаться в неподвижной среде?
Ответы на подобные вопросы даёт аэродинамика. Об основных закономерностях аэродинамики и об их использовании в технике и природе говорится в этой книге.
С незапамятных времён люди с завистью следили за полётом птиц. Они видели, как легко летают птицы, ударяя крыльями о воздух, как парят птицы в воздухе на неподвижно распластанных крыльях. Этот пример в природе рождал мечту о полёте человека. Эту мечту осуществили русские учёные, исследователи и конструкторы, внёсшие большой вклад в изучение и покорение воздуха.
Гениальный учёный, первый русский академик М. В. Ломоносов в 1754 г. на базе своих исследований впервые в истории разработал и построил вертолёт, предназначенный для подъёма в воздух созданных им метеорологических приборов.
Большой вклад в развитие аэродинамики внёс и другой гениальный русский учёный Д. И. Менделеев. Его работы по сопротивлению жидкостей послужили основой для дальнейшего изучения явлений, связанных с движением тел в воздухе.
В 1882 г. в России морским офицером А. Ф. Можайским был построен самолёт, совершивший первый в мире полёт. К сожалению, в те времена полёт Можайского не прославил его имени.
Полёты в природе и технике весьма разнообразны и непосредственно связаны с аэродинамикой. Великий русский аэродинамик, проф. Н. Е. Жуковский, исследуя парение птиц и движение планёров, положил начало новой отрасли науки — динамике полёта.
Он впервые в мире дал теорию крыла и воздушного винта, объяснив возникновение подъёмной силы, поддерживающей летящий самолёт в воздухе.
Профессор Н. Е. Жуковский является создателем науки о полёте летательных машин. Он оставил человечеству много замечательных трудов по теории авиации, ветродвигателей, гребных винтов, полёта птиц, явлений смерча, вихрей и др.
В 1918 г., по указанию В. И. Ленина, Н. Е. Жуковский создал Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), сыгравший исключительную роль в развитии современной авиационной техники.
Ученик проф. Н. Е. Жуковского, академик С. А. Чаплыгин, по праву считается основоположником новой отрасли аэродинамики — аэродинамики больших скоростей, открывшей путь к достижению тех скоростей, с которыми движутся современные самолёты, ракеты, лопасти паровых турбин и воздушных нагнетателей.
Академиком Б. Н. Юрьевым, также являющимся учеником Н. Е. Жуковского, проведены крупнейшие исследования в области теории и расчёта крыла, воздушного винта и вертолёта.
Исключительно крупные исследования в области обтекания тел газом при больших скоростях проведены выдающимся советским учёным академиком С. А. Христиа-новичем. Кроме того, больших успехов в области аэродинамики добились советские учёные — профессора И. В. Остославский, Я. М. Серебрийский, А. А. Дородницын и другие.
Таким образом, советские аэродинамики своими замечательными исследованиями помогли прославленным авиационным конструкторам А. Н. Туполеву, А. С. Яковлеву, С. В. Ильюшину, А. И. Микояну, С. А. Лавочкину и другим создать совершенные самолёты новых форм.
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Воздушный океан
Воздушный океан простирается над землей на огромную высоту. У поверхности земли (на уровне моря) давление и плотность воздуха достигают наибольшего значения. С высотой давление и плотность воздуха уменьшаются и на высоте 800 -ъ 1300 км атмосфера постепенно, незаметно переходит в очень разреженный межпланетный газ, плотность которого крайне ничтожна и составляет всего несколько десятков молекул на 1 см3.
Плотность воздуха в движении тела играет значительную роль, а именно: чем больше плотность воздуха, тем больше величина воздействия воздуха на движущееся тело.
В аэродинамике принято различать весовую и массовую плотности.
Весовая плотность есть вес единицы объёма воздуха.
Массовая плотность — это масса воздуха, находящегося в единице объёма. Насколько быстро падает плотность с высотой, видно из того, что на высоте 5 км плотность меньше, чем у земли в 1,6 раза, на высоте 20 км — меньше, чем у земли, в 15,6 раза. Из-за уменьшения плотности сопротивление всякого тела на высоте меньше,
1 Очевидно, весовая и массовая плотность это не что иное, как удельный вес и плотность вещества, выраженные в технической системе единиц. В дальнейшем все расчёты и выводы, приводимые в книге, будут также даваться в технической системе единиц (м — кГ — сек).
чем у земли. Так, ракета, летящая на высоте 12 км, где плотность в 4 раза меньше, чем на уровне моря, будет испытывать в 4 раза меньшее сопротивление, чем у земли, а на высоте 32 км сопротивление уменьшится в 100 раз. Отсюда видно, как выгодно летать на больших высотах.
Воздух, как всякое газообразное тело, обладает незначительными силами взаимодействия между молекулами, много меньшими, чем силы взаимодействия молекул жидких тел.
Молекулы воздуха всегда находятся в непрерывном беспорядочном движении. Давление газа принято рассматривать как суммарное - ~ .уг действие ударов движущихся моря, равное давлению столба воздуха высотой во всю толщу атмосферной оболочки. Давление такого столба уравновешивается давлением столба ртути высотой 760 мм при 0°С (рис. 1).
Приборы для измерения давления называются манометрами. Манометры, измеряющие только атмосферное давление, называются барометрами.
Как частицы воды у дна океана испытывают давление, большее, чем в верхних слоях, так и частицы воздуха в «воздушном океане» у поверхности земли подвержены большему давлению, чем частицы в вышележащих слоях. Нижние слои атмосферы сжаты весом всего воздуха, расположенного над ними.
Рис. 1. Давление атмосферы уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм.
Скорость движения молекул и число ударов о препятствие зависят от температуры газа и количества молекул в единице объёма газа. В технике давление измеряют в кило-граммах-силы на 1 кв. см (кГ/см2). Давление в 1 кГ/см2 называется технической атмосферой и обозначается 1 аг. В физике за давление в 1 атмосферу (физическая атмосфера обозначается атм) принимается давление воздуха на уровне
Для практических целей можно принять, что в нижних слоях тропосферы на каждые 100 м высоты давление уменьшается на 0,01 атм.
Свойства атмосферы на одной и той же высоте не остаются постоянными. Давление воздуха у земли в наших широтах может колебаться примерно от 730 мм рт. ст. до 780 мм рт. ст., а температура от — 45° до +35° С. Меняется плотность воздуха, а с ней и аэродинамические силы, действующие на тело. Из-за этого результаты испытаний одних и тех же самолётов или моделей, произведённых в различное время и в различных местах, будут сильно отличаться друг от друга. Поэтому для удобства аэродинамических расчётов и для возможности сравнения результатов испытаний условились считать, что для данной высоты давление, температура, плотность и скорость распространения звука остаются постоянными, независящими от времени и места проведения испытания. В соответствии с этим была выработана таблица Международной стандартной атмосферы (MCA), в которой давление, температура, плотность воздуха, скорость звука, хотя и искусственны, но всё же остаются близкими к осреднённым данным, соответствующим летнему состоянию атмосферы средних широт. По таблице MCA на уровне моря принято: давление 760 мм рт. ст., температура t — 15°С, плотность
р = 0,125 — — , скорость распространения звука 341 м/сек.
Изменение этих величин по высотам видно из приводимой ниже сокращённой таблицы MCA.
Атмосфера делится на тропосферу, стратосферу и ионосферу. Нижний слой атмосферы в умеренных широтах до высоты в среднем 9 -ч- 11 км называется тропосферой — в ней большое обилие облаков, ветров и гроз. Там происходят все метеорологические явления — это кузница погоды. Температура и давление в тропосфере по мере удаления от земли падают. Та часть атмосферы, которая расположена над тропосферой и поднимается до высоты около 80 -=- 90 км, называется стратосферой.
Температура в ней на высоте 11 — 30 км около минус 50 -4- 60°, на высоте 30 -4- 55 км повышайся, достигая плюс 40 -4- 50° С, а затем вновь понижается и в верхних слоях стратосферы доходит до минус 70 -4-80° С. Б стратосфере водяные пары присутствуют в совершенно ничтожных количествах. Изредка в ней появляются облака. В стратосфере наблюдаются сильные ветры. Верхние слои атмосферы, начиная приблизительно с высоты 80 90 км и до высоты 800 -4- 1300 км называются ионосферой. В этом слое газ ионизирован.
Тропосфера и нижние слои стратосферы достаточно изучены, особенно советскими аэронавтами и метеорологами. Всем известны героические полёты советских стратостатов «СССР» в 1933 г. на высоту 19 км, «Осоавиа-хим-1» в 1934 г. на высоту 22 км; полёты радиозондов конструкции проф. Молчанова на высоту 40-^42 км с автоматически регистрирующей аппаратурой.
В последнее время сильно возрос интерес к ионосфере, куда начинают проникать современные ракеты дальнего действия и искусственные спутники Земли.
Для исследования высоких слоев атмосферы прибегают к различным методам. К ним относятся полёты метеорологических ракет, наблюдения за «падающими звёздами»-метеорами (130 -н 80 км) и полярными сияниями, полыхающими иногда на высотах до 1000-=-1200 км и радиофизические методы.
2. Два уравнения аэродинамики
Течение газа или жидкости выражается двумя важными уравнениями: уравнением неразрывности течения и уравнением Бернулли.
Ознакомимся с ними на примерах.
Уравнение неразрывности течения, или, как его иногда называют, уравнение постоянства расхода или сплошности потока.
Посмотрим на реку, спокойно текущую по равнине. У реки в этом месте большая площадь поперечного сечения, или, как говорят, большое живое сечение. Но вот река входит в зажатое берегами русло, площадь её поперечного сечения уменьшается и бег ускоряется.
Зададим себе вопрос: почему в узком месте река стала течь быстрее? Для этого поинтересуемся расходом воды, помня, что под словом расход понимается количество воды, прошедшее через данное поперечное сечение за единицу времени. Если вода течёт неразрывно и никуда в сторону не уходит, то расход воды у большого и малого поперечных сечений реки одинаков. Поэтому, чтобы через малое поперечное сечение прошло столько же воды, сколько и через большое, воде приходится ускорять свой бег.
Так же, как вода в реке, ведёт себя поток жидкости или газа при движении по трубам или при обтекании различных тел. В узком месте движение ускоряется, в широком месте замедляется.
В основе уравнения неразрывности лежит закон Ломоносова о сохранении вещества. Например, сколько воздуха вошло в аэродинамическую трубу, столько же должно из неё и выйти.
Количество воздуха, вошедшее за 1 сек в канал трубы, подсчитать нетрудно. Для этого надо площадь поперечного сечения умножить на скорость и на массовую плотность воздуха (рис. 2).
Таким образом, получим:
т. е. скорость течения обратно пропорциональна площади поперечного сечения потока.
Уравнение Бернулли. Этим уравнением широко пользуются при аэродинамических расчётах. Оно получено выдающимся учёным физиком и математиком, членом Петербургской академии наук Даниилом Бернулли (1700 — 1782).
Уравнение Бернулли можно пояснить на примере суживающегося трубопровода, через который течёт газ (рис. 3).
В узком сечении трубы скорость больше, чем в широком, поэтому в сужающейся трубе газ движется ускоренно. Ускоренное движение возможно только под действием силы. Эта сила создаётся разностью давлений. Следовательно, давление в широкой части трубы должно быть больше, чем в узкой.
(...)
Часть III. Аэродинамика в природе
Мы привыкли отмечать аэродинамику в технике и часто не замечаем аэродинамических явлений в природе, а они встречаются в ней на каждом шагу. Попробуйте при прогулке в лесу или в поле понаблюдать природу: вот повисла в воздухе и скользнула в сторону стрекоза, с куста вспорхнула птичка и скрылась в чаще леса, высоко в небе, почти не взмахивая крыльями, парит ястреб. А вот подул ветерок, закружились и, поднявшись высоко в воздух, отправились в дальнее путешествие пушинки тополя и парашютики одуванчика.
Все эти полёты в природе подчиняются законам аэродинамики. Ознакомимся с наиболее характерными примерами использования аэродинамики в природе.
1. Полёт птиц
С давних пор человека привлекал полёт птиц.
Пытливый ум человека добился того, что человек с 1916 г. летает выше птиц — орла, грифа, кондора, залетающих иногда на высоту 6000 — 7000 м; что человек с 1912 г. стал летать быстрее птиц, в частности стрижа, летающего со скоростью 144 км/час. И, наконец, с 1924 г. человек летает без посадки дальше птиц, в частности дальше перелётных птиц ржанок, при благоприятных условиях пролетающих без посадки 3000^-3500 км (рис. 74).
Птицы в воздухе выполняют всевозможные фигурные полёты. Они могут совершать вираж, глубокий разворот, «мёртвую петлю», обратную «мёртвую петлю»
Рис. 74. Максимальные скорости, высоты и дальности, достигнутые на рекордных самолётах по годам. Пунктиром указаны рекорды самолётов, не превзошедшие лучших показателей у птиц, достигнутых при благоприятных условиях.
и т. д. Человечество отняло у птиц и эту монополию. Начало этому было положено в 1913 г. выдающимся русским лётчиком, штабс-капитаном П. Н. Нестеровым, впервые совершившим вираж, глубокий разворот и «мёртвую петлю», по случаю которой петербургская газета от 28 августа 1913 г. сообщала: «Полёт русского лётчика вниз головой» (по телеграфу).
«Киев. Сегодня в 6 часов вечера военный лётчик второй авиационной роты поручик Нестеров в присутстствии офицеров-лётчиков, врача и посторонней публики сделал на Ньюпоре на высоте 600 м «мёртвую петлю», т. е. описал полный круг в вертикальной плоскости, после чего спланировал к ангарам».
Если учесть несовершенство и примитивность тогдашней авиационной техники и отсутствие парашюта, то можно понять всю смелость дерзновенного полёта русского лётчика.
До настоящего времени человек не превзошёл птиц по экономичности полёта. Так, например, у самого наилучшего современного самолёта на одну лошадиную силу двигателя приходится около 14 кГ полётного веса, а у птицы кондора, который может поднять на воздух
выми и кроющими перьями, образующими лёгкую и гибкую аэродинамическую поверхность. Если крыло птицы рассечь поперёк размаха, то мы увидим характерный аэродинамический профиль, как говорят, — птичий профиль (рис. 75,а). Этим профилем часто пользовались строители первых самолётов. Профиль крыла птицы весьма гибок и в зависимости от условий полёта может принимать различный вид, сильно меняя свою вогнуТоСть. Сплошное крыло птицы може! Стать многощелевым, обладающим большим коэффициентом подъёмной силы.
Щелевое крыло, применяемое на некоторых самолётах (рис. 75, б), позаимствовано человеком у птиц.
Для полёта любого аппарата нужна подъёмная сила и сила тяги. Они также нужны и для полёта птицы. Как известно, у самолёта эти силы создаются раздельно — подъёмная сила крыльями, а тяга — винтовым или реактивным двигателем. У птицы же подъёмная сила и сила тяги создаются совместно в одном месте и одним органом — машущими крыльями. Для создания указанных сил птица взмахивает крыльями и одновременно поворачивает их вокруг, оси, проходящей параллельно размаху крыла. Этот поворот (наклон) птице нужен для придания различных углов атаки крыльям, т. е. для различных встреч профиля крыла с воздухом. Полный взмах крыла делится на взмах вверх и взмах вниз. Весьма распространено ошибочное мнение, что только при взмахе вниз крылья совершают полезную работу, взмах же вверх бесполезен. Ниже мы увидим, что взмах вверх тоже является полезным. Разновидностей способов махания крыльями много; разберём один из них.
Перед нами летит птица (рис. 76, а) в установившемся горизонтальном полёте. Опытами и наблюдениями установлено, что в этом случае направление махания близко к вертикальному. Поэтому истинное движение крыла относительно воздуха должно рассматриваться как равнодействующая, полученная от сложения двух направлений движений — движения крыла в вертикальной плоскости и поступательного движения крыла вместе с корпусом птицы в горизонтальной плоскости, равного скорости полёта птицы.
При опускании (взмахе вниз) (рис. 76, в) равнодействующую скорость движения крыла получим, сложив по правилу параллелограмма вертикальную скорость крыла vy, направленную вниз, с горизонтальной скоростью vx, равной скорости полёта птицы. Получим истинное направление скорости и её величину:
Исследования махания крыльями, произведённые известным советским учёным М. К Тихонравовым,
показывают, что если крыло при опускании будет иметь положительный угол атаки а, то относительно направления скорости в этих условиях обтекания возникнет аэродинамическая сила R, направленная вверх и вперёд. Разлагая её по правилу параллелограмма на две силы,
Рис. 76. Аэродинамические силы, действующие на крыло птицы.
получим вертикальную силу, противодействующую весу птицы, и горизонтальную силу, направленную вперёд, т. е. тягу, тянущую птицу вперёд. Эта сила уравновешивает лобовое сопротивление птицы.
При подъёме (при взмахе вверх) (рис. 76, б) крыло имеет вертикальную скорость vy, направленную вверх, и одновременно горизонтальную скорость vx. Складывая эти скорости, получим истинную скорость. Если крыло к направлению этой скорости расположено под положительным углом атаки а, то при таком обтекании возникнет аэродинамическая сила, направленная вверх и назад. Разлагая её, получим вертикальную силу, поднимающую птицу вверх, и горизонтальную силу, тянущую крыло назад — отрицательную тягу.
Из рассмотрения взмахов видно, что птица получает поддерживающую силу как при опускании, так и при подъёме крыла. Тянущую же силу птица получает при опускании крыла, но она по величине перекрывает отрицательную тягу, в результате чего птица летит вперёд. Построенные модели с машущими крыльями, производящие взмахи по разобранному выше способу, успешно летали.
Помимо машущего полёта, птица может совершать парящий полёт. Парящим полётом называется такой полёт, при котором птица может набирать или сохранять высоту, не прибегая к взмахам крыльев. Парящий полёт птицами совершается с широко распростёртыми крыльями. Парение птицами достигается за счёт использования различных восходящих потоков (рис. 77). Подчеркнём отличие парения от планирования. Как было сказано ранее, планирование — это полёт со снижением, при нём птицы, не пользуясь взмахами, с распростёртыми крыльями производят снижение.
В зависимости от того, к какому способу полёта приспособлена птица, они делятся на птиц-парителей, малопарящих птиц и птиц-непарителей, летающих исключительно за счёт взмахов крыльями. Все дневные хищники — орлы, коршуны, ястребы, соколы, кондоры, грифы — и большая часть морских птиц — альбатросы, чайки, пеликаны и др. — являются прекрасными парителями. Непарящими птицами являются: горлица, воробей, колибри.
Аэродинамические формы птиц весьма совершенны. Клюв, голова, шея плавно вытянуты по направлению полёта, ноги поджаты и почти не выступают из перьев, напоминая самолётное «убранное шасси». Переход крыла к корпусу плавен (особенно у чаек). Хвостовое оперение минимально.
Современный планёр является летающим аппаратом, во многом позаимствованным у птиц-парителей. Взгляните на птиц/парителей, высоко летящих с распластанными крыльями. Как много у них общего с планёрами — большое удлинение крыльев, плавные линии, обтекаемый корпус.
Планёру не хватает только гибкости крыла и тех приборов, которые заменили бы человеку чутьё птицы
к восходящим потокам воздуха. Особенно планёры близки к морским парителям — альбатросам, чайкам, буревестникам. Заметим, что наиболее совершенной птицей в аэродинамическом отношении является альбатрос. Он имеет самый большой среди птиц размах крыльев, достигающий 4,2 м, и наибольшее удлинение крыльев, равное А.= 17,65 (рис. 78).
Для сравнения птиц-парителей и .планёров приводим таблицу:
Данные таблицы показывают близость таких вели? чин, как удлинение крыльев, удельные нагрузки на едцг ницу поверхности крыла, вертикальные скорости снижет рця при планировании в СПРВДЙРОМ воздухе у птиц-пари»
телей и у планёров. Особенно сильно влияет на аэродинамические качества удлинение крыльев. У альбатроса оно достигает рекордной величины К = 17,65.
Взлётно-посадочные качества птиц безупречны, за исключением тяжёлых водоплавающих птиц.
Большинство птиц «висеть» в неподвижном воздухе не может, но некоторые птицы, как жаворонок, зимородок, пустельга и колибри, обладают этим свойством. Колибри могут «висеть» перед цветком, беря из него сок.
Кстати, наибольшее число взмахов в секунду из всех птиц делает колибри — 38 взмахов.
Наряду с посадочными и взлётными данными лётными характеристиками птицы являются: скорость,
дальность и высота полёта. По наблюдениям наибольшей скоростью горизонтального полёта v= 144 км/час обладает стриж. Это не значит, что птицы в ином виде полёта не могут летать быстрее. В пикирующем полёте сокол-сапсан, преследуя добычу, развивает скорость до 360 км/час. В горизонтальном же полёте он развивает скорость 90 км/час.
Наблюдениями с гор и самолётов установлено, что наибольшая высота полёта ворон и галок около 2000 м, жаворонка — 1900 м, журавлей — 4500 м.
Птицы-парители, используя восходящие потоки воздуха, залетают на большие высоты. На Кавказе горные орлы (бородачи) поднимаются на высоту 5000 м. В Тибете грифы и кондоры летают на высоте около 7000 м.
Дальность полёта без посадки у птиц весьма велика. Окольцовыванием птиц установлено, что при благоприятных условиях чибисы перелетали из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрыв расстояние в 3500 км, золотые ржанки днём и ночью летели из Новой Шотландии в Южную Америку, пройдя путь около 4000 км.
Человек, научившись летать, раньше всего превзошёл птицу по скорости полёта, затем по высоте полёта и лишь позднее по дальности полёта. Полёты на дальность в сильной степени связаны с экономичностью полёта.
Экономичность полёта летательного аппарата (в том числе и птицы) можно охарактеризовать отношением веса аппарата к мощности его двигателя. Это отношение называется коэффициентом нагрузки на единицу мощности. От него сильно зависят
показатели летательного аппарата. Чем выше этот коэффициент, тем совершеннее летательный аппарат. Проведём сравнение по экономичности полёта между самолётом и птицей.
Таблица 2
Таблица 2 показывает, что наибольшей нагрузкой на лошадиную силу, а следовательно, и наибольшей грузоподъёмностью, обладают рекордные самолёты на дальность. Им приходится иметь с собой большой груз в виде горючего. Нагрузка на единицу мощности у них в среднем равна около 14 кГ/л.с.
Нагрузка на 1 л. с. у различных птиц весьма велика и колеблется от 35 до 135 кГ/л. с., т. е. в Зч-б раз больше, чем у самолёта. Это подтверждает высокую экономичность полёта птиц и заставляет продолжать изучение летательного аппарата, где бы функции продвижения и поддержания были соединены в одном агрегате. Этим агрегатом являются крылья. Соединение указанных функций в одном агрегате является экономически выгодным.
В летательном аппарате с машущими крыльями аэродинамически выгодно иметь гибкое крыло, позволяющее изменять форму его поперечного сечения, т. е. профиль крыла. Такое крыло можно наилучшим образом приспособлять к конкретным условиям обтекания.
Машущий полёт в технике ещё не удалось воссоздать, хотя было сделано много попыток. Правда, отдельные модели с машущими крыльями летают. Не надо думать, что здесь мыслится слепое подражание природе, копирование полёта птиц. Бесплодны попытки тех, кто
думает, что осуществить машущий полёт можно, прикрепив к спине человека крылья, подобные птичьим, и, взмахивая ими, оторваться от земли и лететь с помощью мускульных усилий. Осуществить машущий полёт возможно на аппарате, летающем при помощи взмахов крыльями, приводимыми в действие мотором.
2. Полёт насекомых
Считается, что из всех, известных в настоящее время видов живых существ приблизительно ZU их способны к полёту. Сюда входят птицы — их около 10 000 видов, летучие мыши — их около 600 видов и главным образом летающие насекомые — их насчитывается около 350 000 видов. К ним относятся стрекозы, бабочки, всевозможные жуки, мухи, комары, саранча, кузнечики и т. д.
Полёт многих насекомых отличается большим совершенством. Было отмечено, что крупная стрекоза-дозорщик из семейства коромысел не отставала от самолёта, летевшего со скоростью 144 км/час. По другим данным у стрекоз отмечалась скорость полёта, равная 96 км/час. У бабочек бражников максимальная скорость полёта доходит до 54 км/час. Стрекозы, слепни, бражники по скорости полёта могут быть сравнены с некоторыми птицами. Громадное большинство других насекомых летает гораздо медленнее.
Дальность полёта без посадки у некоторых насекомых, как например у саранчи, весьма велика. В данном случае имеется в виду перелёт саранчи через Красное море, при котором промежуточные посадки этих насекомых были невозможны. С промежуточными же посадками американская бабочка (Danais) при своих миграциях покрывает расстояние до 4000 км, как например при полёте из Мексики в Канаду и Аляску.
Некоторые насекомые способны создавать достаточную для полёта аэродинамическую силу при подъёме на большую высоту, хотя плотность воздуха там значительно меньше. Так, например, бабочки црапивницы и стрекозы залетают в седловину Эльбруса на высоту 5300 м.
Насекомые пользуются планирующим и машущим видами полётов. Некоторая часть их, как например поденки, может парашютировать. Для этого они, взлетев
вертикально вверх на 1 2 м, останавливают крылья
в несколько приподнятом состоянии и медленно опускаются вертикально вниз.
Планирующий полёт у бабочек и стрекоз состоит в том, что они, прекратив махание крыльями, некоторое время скользят в воздухе, затем несколько раз ударяют крыльями и снова планируют.
Отдельные насекомые могут планировать в течение 4 — 5 минут, а стрекозы даже парить, используя восходящие потоки воздуха от нагретой земли. Однако планирующий вид полёта, а тем более парящий полёт, у насекомых встречается редко.
Машущий полёт является основным видом полёта насекомых. Число взмахов в секунду сильно колеблется. У некоторых насекомых взмахи столь часты, что они сопровождаются гудением, жужжанием и писком.
Число взмахов в секунду:
бабочки капустницы — 9 взмахов в секунду
стрекозы — 80 — 100 » » »
Комары «толкунчики», рой которых часто вьётся столбом, предвещая хорошую погоду, делают около 800 взмахов в секунду.
Управление полётом осуществляется исключительно посредством изменения углов наклона плоскости махания крыльев и изменением углов атаки крыла. Всякого рода «воздушные рули» в полёте у насекомых отсутствуют.
Большинство насекомых прекрасно маневрируют в воздухе. С полного хода они могут резко повернуть в сторону. У некоторых видов мух и других насекомых это достигается внезапным прекращением работы крыльев той стороны тела, куда насекомое должно повернуть, 4Td вызывает своего рода резкий и далёкий прыжок летящего насекомого в сторону. Управляемым полётом хорошо владеют стрекозы: они при охоте за мелкими летающими насекомыми или драке между собой могут резко отклоняться в сторону и, следуя друг за другом, в точности повторять маневры впереди летящего насекомого. Кроме этого, стрекоза, преследуя ускользающую от неё вверх добычу, может взлетать на короткое расстояние вверх почти вертикально.
Не присаживаясь на цветок и запуская на лету в него хоботок, бражник может долгое время «висеть»
стороны в сторону, то удаляясь от него, то, наоборот, приближаясь, подобно тому, как это делают крохотные птички колибри.
Некоторым насекомым доступен полёт назад, а также «стоячий полёт», при котором их туловище неподвижно висит в воздухе. У мух, сирфид и пчёл в это время энергично работают крылья, оставляя в воздухе силуэт в виде двух туманных полукругов. Из этого положения насекомое от времени до времени может внезапно перескочить в сторону так быстро, что уловить это1 глазом невозможно; можно лишь убедиться, что насекомое из прежнего места исчезло и появилось вновь в другом месте.
Наряду с этим часть насекомых плохо управляет своим полётом. Не умея в короткое время создать должную аэродинамическую силу, способную изменить направление полёта, они часто налетают на различные препятствия. К таким относятся навозные жуки, жуки-дровосеки и др. Крылья насекомых сплошные, поэтому они ближе к самолётным чем к птичьим. Они представляют собой гибкие, эластичные, чаще всего прозрачные хитиновые пластинки, имеющие в продольном направлении утолщения — жилки, играющие роль самолётных лонжеронов. В поперечном направлении также имеются жилки, укрепляющие крыло. Жилки прочнее
перед цветком, покачиваясь из других частей крыла, состоят также из хитина и наиболее концентрированы у передней кромки крыла.
Аэродинамический профиль машущих крыльев и их очертания в плане показаны на рисунках 79, 80.
I Размах крыльев у насекомых колеблется в больших пределах, начиная примерно с 2 мм и достигая у самого длиннокрылого насекомого — у американской бабочки «тизании» — 300 мм.
У ископаемых насекомых аэродинамические поверхности были ещё больше. Например, у стрекозы, найденной советским палеонтологом Ю. М. Залесским в пермских отложениях на Урале (Вишера), размах крыльев достигал 1,15 м.
Как и всякому летательному аппарату, для полёта насекомого нужна подъёмная сила и тяга. Эти аэродинамические силы создаются крыльями. Аэродинамика полёта насекомых в настоящее время изучена мало, меньше, чем аэродинамика птиц.
В отличие от птиц плоскость махания крыльев у насекомых значительно отклоняется от вертикали.
В полёте движение конца крыла можно рассматривать двояко. С одной стороны, крыло перемещается относительно тела, с другой стороны, конец крыла перемещается относительно горизонтальной поверхности. Относительно тела крыло описывает своим концом характерную кривую в виде цифры восемь (рис. 81). При обычном горизонтальном полёте ось этой кривой наклонена к горизонту в среднем приблизительно на 45°. Для исследования восьмёркообразной кривой приклеивались
Рис. 80. Форма и количество крыльев у насекомых.
Кусочки сусального зблота к концу крыла осы, закрепляли ее неподвижно и заставляли работать крыльями под прямыми лучами солнца. В воздухе блестящее золото вычерчивало восьмёрку подобно тому, как это получается, когда горящим углем быстро машут в темноте.
По отношению к неподвижному наблюдателю крыло описывает своим концом волнообразную кривую, по своему виду напоминающую синусоиду (рис. 82).
В разных точках кривой, которую описывает машущее крыло, резко меняется наклон пластинки (профиля) крыла. При движении крыла вниз и одновременно вперёд наклон очень мал, крыло почти горизонтально. В восходящей части кривой (при взмахе вверх) наклон резко меняется и профиль крыла располагается почти вертикально. Ось вращения профиля близка к передней кромке крыла.
Рис. 82. Кривая, описываемая концом крыла насекомого.
Для выяснения аэродинамических сил, возникающих при машущем полёте, необходимо знать углы, под которыми находится профиль крыла, относительно направления движения.
При взмахе, т. е. при движении по нисходящей линии синусоиды, в её нижней части профиль крыла, приобретая всё увеличивающийся угол атаки, испытывает большую аэродинамическую силу.
Крыло при взмахе вверх, т. е. переходя на восходящую линию синусоиды, резко меняет своё положение, переворачиваясь по оси переднего края и двигаясь с большей быстротой, чем при взмахе вниз, толчками получает силу тяги.
Таким образом, при движении вниз крыло, обладая подъёмной силой, поддерживает тело в воздухе; при движении крыла вверх крыло создаёт силу тяги.
В целях дальнейшего изучения полёта насекомых проводились интересные опыты над стрекозами по замене их собственных крыльев крыльями «протезами». Для этого у стрекозы обрезались все четыре крыла, оставались лишь маленькие культи, на которые наклеивались гуммиарабиком крылья другой стрекозы. Несмотря на такое механическое соединение крыльев, стрекозы продолжали несколько хуже, но все же летать.
В настоящее время исследования полёта насекомых и птиц успешно осуществляются с помощью скоростной киносъёмки, которая производится в специальных помещениях — инсектариях. Замедленный просмотр результатов съёмки позволяет внимательно проследить за процессом махания, за малейшими поворотами и изгибами крыльев насекомых.
3. Полёт млекопитающих, рыб и растений
Некоторые млекопитающие и рыбы могут летать по воздуху. Для этого у них есть аэродинамические поверхности. У одних они развиты сильно, у других менее заметно. К животным, у которых аэродинамические поверхности сильно развиты и являются главными органами передвижения, относятся представители группы рукокрылых — летучие мыши и крыланы. Особенно многочисленны разновидности летучих мышей. К ним относятся: ночевки, ушаны, нетопыри, а также вампиры, водящиеся в лесах Южной Америки и питающиеся насекомыми и соками плодов. Крыланы, или, как их иногда называют, летучие собаки, обитают в тропической части Америки, в Индии и в Австралии.
Животными, у которых аэродинамические поверхности развиты слабо и служат только вспомогательными органами, являются: простые белки, белки-летяги, водящиеся в лесах Сибири (рис. 83), австралийские белки-летяги, шерстокрылы (рис. 84), живущие на островах Индийского океана, и когуаны, иногда называемые летучими маки. Их пассивные, не машущие, аэродинамические поверхности позволяют им после прыжка совершать только планирующий полёт.
Обыкновенная белка имеет пушистый хвост, обладающий относительно большой аэродинамической поверхностью. Им белка ловко пользуется при прыжках с ветки на ветку. Возникающая на распушённом хвосте аэродинамическая сила удлиняет и стабилизирует прыжок и до некоторой степени позволяет белке управлять своим прыжком. Обыкновенная белка совершает прыжки длиной около 10 м, а вот белка-летяга прыгает в длину на 40 и- 50 м. Как ей это удаётся? Оказывается, увеличение дальности прыжка в 4 -г- 5 раз стало возможным благодаря наличию у белки-летяги увеличенной аэродинамической поверхности.
У сибирской белки-летяги по бокам туловища между передними и задними лапками имеются перепонки, покрытые пушистым мехом. Белка-летяга, делая прыжок с дерева, раскрывает перепонки и дальше летит в распластанном виде, с сильно увеличенной аэродинамической поверхностью. В воздухе на этой поверхности создаётся достаточная подъёмная сила, позволяющая белкам-летягам совершать планирующие полёты.
Белка-летяга при помощи своих аэродинамических поверхностей может немного изменять направление своего полёта, выбирая для посадки более удобное и безопасное место. Перед посадкой она несколько изменяет свой угол атаки, поднимается немного вверх и, теряя скорость, смягчает посадочный толчок.
Все эти качества помогают белке-летяге успешнее ускользать от своих врагов — куницы, ласки и др.
У другого животного — когуана — перепонки имеются не только между передними и задними лапами, но также между шеей и передними лапами и между хвостом и задними лапами. Отмечен случай прыжка когуана с высоты 14 м на длину 70 м.
Рис. 85. Летучая мышь и её крыло.
С аэродинамической точки зрения у рассмотренных животных мы не обнаруживаем тех совершенств, которые имеются у птиц и некоторых насекомых. Эти животные не могут парить или совершать машущий полёт. Они могут только планировать. Другое дело такие животные, как летучие мыши и крыланы. Особенно летучие мыши. У них хорошие аэродинамические формы. Они прекрасные летуны. У летучих мышей и крыланов кожные перепонки имеются не только между туловищем и конечностями, но также между весьма длинными пальцами передних конечностей, образующих крылья. Крылья летучих мышей имеют удлинение К = 6 -г- 8 (рис. 85). Летучие мыши и крыланы летают при помощи взмахов крыльями. Полёт летучих мышей лёгок и быстр. Они хорошо маневрируют в воздухе, а некоторые из них, как ушан, могут висеть в воздухе на одном месте подобно птицам — зимородку и пустельге. Летучие мыши могут совершать большие перелёты и подниматься на высоту до 2000 м. Обладая хорошими лётными качествами, летучие мыши интересны и тем, что имеют сплошное крыло, образованное не перьями, а голыми сплошными перепонками. Это лишний раз доказывает, что полёт с помощью взмахов крыльями можно совершать не только на крыльях, покрытых перьями, но и на сплошных и что машущий полёт не является монополией пернатых.
Крыланы также имеют перепончатые крылья, подобные крыльям летучих мышей, но эти животные значительно больше по размерам. Размах крыльев у их представителей — калонга (рис. 86) достигает 1,5 м, а у будуля — 1,25 м. Они неплохие летуны и могут совершать полёты до 150 км (рис. 87).
Моряки, плавающие в Средиземном море и тропических частях Атлантического и Индийского океанов, часто бывают свидетелями любопытных зрелищ: из воды поднимаются стаи рыб и, как птицы, уносятся вдаль и снова скрыраются в волнах. Иногда сильный порыв
Рис. 87. На утренней заре тысячные стаи калонгов летят на ночлег.
9 Зек. щт.
ветра забрасывает их на палубу проходящего корабля. Если рассмотреть такую рыбу, то в глаза бросается большая длина грудных и хвостовых плавников (рис. 88). Расправленные грудные плавники по форме напоминают удлинённые крылья, обладающие сравнительно большой площадью, на которой при полёте летучей рыбы в воздухе возникают аэродинамические силы. Летучая рыба, предварительно разогнавшись в воде, сильным движением хвоста вырывается в воздухе и, пользуясь распростёртыми плавниками, как крыльями,
Рис. 88. Летучие рыбы.
совершает пологий планирующий полёт. Этот полёт летучей рыбе нужен для защиты от преследования морских хищников — акул, касаток и др.
Полёт летучей рыбы стабилизируется хвостовыми плавниками. Аэродинамические поверхности летучих рыб не активны, как у птиц, и не обладают удовлетворительной управляемостью; поэтому летучих рыб часто можно видеть заброшенными ветром на палубу корабля.
Удлинение «крыла» у летучих рыб колеблется от 7 до 22, а удельная нагрузка, приходящаяся на единицу поверхности «крыла», равна 10 -т- 30 кГ/м2. Полёты летучие рыбы совершают со скоростью около 30 км/час, поднимаясь при этом до 3 м. Дальность полёта летучих рыб достигает 100 -г- 150 м, редко больше. Продолжительность пребывания в воздухе равняется 10 -г 18 сек.
Аэродинамические поверхности встречаются не Только у птиц, животных и рыб, но и у некоторых семян деревьев и растений. Ими растительный мир пользуется для увеличения дальности разлёта созревших семян.
Семена клёна (рис. 89), иногда называемые «носиками», имеют сравнительно большую аэродинамическую поверхность в виде двух, симметрично расположенных лопастей. Лопасти семечка клёна имеют некоторую аэродинамическую закрутку. Поэтому, падая на землю,
они совершают быстрое вращательное движение, несколько напоминая авторотацию (самовращение) вертолётного несущего винта, При таком вращении аэродинамические силы увеличивают время падения семечка, а следовательно, увеличиваются шансы на относ ветром семечка в сторону.
Семя ясеня в отличие от клёна имеет одну длинную лопасть, тоже вращающуюся при падении созревшего семечка. Семена берёзы имеют по бокам два лёгких симметричных крылышка. Лёгкие семена тополя окружены маленьким пухообразным комочком. Эта своеобразная аэродинамическая поверхность увеличивает площадь сопротивления воздуха и позволяет семенам тополя в тёплые сухие дни подниматься высоко в воздух и долго парить, далеко улетая от родного дерева.
Аэродинамические поверхности имеются у семян одуванчика, чертополоха, мать мачехи, рогоза и т. д. Природа придала этим семенам лёгкую пушистую аэродинамическую поверхность, обладающую большой парусностью (рис. 90).
Рис. 90. Аэродинамическая форма семян одуванчика и рогоза.
В атмосфере всегда есть передвижения воздуха величиной от малейших дуновений до сильного ветра. Они-то, воздействуя на поверхность созревшей шапки
одуванчика, раздувают её и создают аэродинамические силы, уносящие на многие километры семена-путешественники.
Полёт опушённых семян напоминает редкий случай, когда группа парашютистов, прыгнув с самолёта близ г. Минска, попала в болтанку, насыщенную сильными восходящими потоками, стала подниматься вверх и скрылась в облаках. Парашютистам удалось приземлиться лишь за 14 км от предполагаемого места приземления.
На опушённое семечко слабые дуновения производят такое же воздействие, как мощные восходящие потоки в случае с парашютистами.
Воздушные течения не только несут семена по воздуху, но и перемещают их по поверхности земли. У ели и сосны семечко снабжено одним прозрачным крылышком. В зимнее время с помощью этого крылышка семечко под воздействием ветра быстро, как буер, скользит по насту, передвигаясь на десятки километров от материнского дерева (рис. 91).
У степных растений — курай, рогачку, качима, катрана и др. — (рис. 92), известных в народе под именем «перекати-поле», само семечко не имеет аэродинамической поверхности, но зато высохшие стебли этих кустов образуют шарообразную форму, представляющую
Рис. 91. Аэродинамическая форма семян сосны и ели.
собой значительную аэродинамическую поверхность. Осенью такие растения под действием ветра отламываются у корня и перекатываются ветром на сотни километров, по дороге.высеивая свои семена.
4. Аэродинамические явления в атмосфере
Над поверхностью земли постоянно наблюдаются воздушные течения. Они крайне разнообразны и могут быть как слабыми дуновениями ветерка, так и наводящими ужас тайфунами, разрушающими всё на своём пути7
Солнце неравномерно нагревает земную поверхность благодаря её неоднородности (моря, суша, горы, степи, леса), это и является основной причиной возникновения местных воздушных течений. Более нагретый воздух, расположенный над обнажённой землёй, сухими степями, песком и скалами, расширяется и поднимается вверх. Наверху начинается движение в сторону холодного воздуха, находящегося над лесами, болотами, водными пространствами и т. д. А в нижнем слое менее нагретый воздух направляется в сторону тёплого.
Кроме того, мощные воздушные течения возникают вследствие большого нагрева земного шара у экватора по сравнению с полярными областями.
Течения бывают горизонтальными и вертикальными, их направление и скорость часто меняются, особенно при обтекании всевозможных препятствий. При этом движение становится беспорядочным и поток насыщается вихрями больших или малых размеров. Наблюдать вихревое движение приходится часто. При случае понаблюдайте завихрённое движение воды за устоями мостов или бурлящую полосу воды за гребным винтоМ моторной лодки.
В чистом воздухе вихри невидимы, тем не менее их можно наблюдать, когда они кружат дорожную пыль, сухие листья или пушинки ив и тополей.
Встречающиеся в природе циклоны также являются вихрями, только колоссальных размеров.
Иногда в месте встречи двух различных по температуре и скорости воздушных масс возникают вращающиеся столбы воздуха, поперечник которых достигает десятков и даже сотни метров. Одновременно столб несётся вперёд. Воздух в нём вращается вокруг вертикальной оси и при этом перемещается вверх. Скорость движения внутри него около 100 м/сек (рис. 93). При столь быстром вращении воздуха внутри вихря возникают центробежные силы, благодаря чему воздух там разрежен и давление понижено. Когда такой столб приближается к воде, то засасывает её в себя, образуя колоннообразную вращающуюся массу воды. Такой вихрь носит название водяного смерча, а вихрь, проносящийся над сушей, — тромба. Водяные смерчи образуются на морях (рис. 94), озёрах и реках. Особенно эффективны, но вместе с тем и опасны громады водяных смерчей на море. В старину при приближении водяного смерча к парусному судну полагалось расстреливать его из пушек.
Кроме водяных, бывают ещё и песчаные смерчи.
Рис. 93. Схема смерча.
Вместе с водой смерч втягивает в себя все достаточно лёгкие предметы: рыб, медуз, раков, лягушек и другие мелкие существа и водяные растения.
Когда смерч выходит на сушу, он превращается в воздушный смерч, часть же втянутых и высоко поднятых предметов и воды продолжает под действием
Рис. 94. Смерч на Охотском море.
вихря оставаться на высоте. Позднее, когда смерч пройдёт некоторое расстояние и интенсивность его ослабнет, они падают на землю вместе с дождём. Иногда это происходит в большом отдалении от воды.
Такой случай произошёл в 1933 г. на Дальнем Востоке, в 50 км от Тихого океана: вместе с дождём падали морские медузы. Позднее, в 1949 г., в Новой Зеландии был обильный дождь с тысячами морских рыбок, причём произошло это на расстоянии около 20 км от берега.
В природе смерчи — частое явление; так, например, в Америке за год проходит около ста пятидесяти смерчей, причиняя смерть в среднем за год более чем 200 человекам и большой материальный ущерб. Вот одно из описаний смерча.
«Весь день 8 июня 1953 г. тяжёлый гнетущий зной стоял над штатами Мичиган и Огайо. С юга неслись тёмные кучевые облака. Они затянули небо сплошной свинцово-серой пеленой. Температура сильно поднялась.
Слой раскалённого воздуха, как одеяло, покрывал землю. Поверх же этого «одеяла» дули прохладные ветры с северной части Скалистых гор. Чёрные грозовые тучи протянулись до побережья озёр Гурон и Эри. И вдруг в разных местах из туч свесились до земли 6 хоботообразных воронок. То были смерчи, или, как их называют в Америке, торнадо. В 8 ч. 30 м. вечера в несколько мгновений множество жилых домов было обращено в руины».
В одной из книг Н. Е. Жуковского, который посвятил много замечательных трудов изучению вихревого движения, описана установка для получения искусственного смерча. В этой установке над чаном с водой размещается на расстоянии 3 м полый шкив диаметром 1 м, имеющий несколько радиальных перегородок (рис. 95). Если шкив привести в быстрое вращательное движение, то он начнёт закручивать столб воздуха. Внутри крутящегося столба воздуха, т. е. внутри воздушных вихрей, давление понижено, а следовательно, вода, находящаяся под этим столбом, устремится вверх и одновременно из-за наличия трения о крутящийся воздух придёт во вращательное движение.
Аналогично водяному смерчу искусственно можно создать и песчаный смерч.
Из большого числа видов воздушных течений большой интерес представляют восходящие и нисходящие потоки. В атмосфере вертикальные течения образуются как в результате неравномерного нагрева поверхности Земли, так и вследствие разнообразного рельефа местности. Горизонтальный поток воздуха, встречающий на своём пути возвышенность, отклоняется ею вверх. За возвышенностью поток будет снижаться.
Восходящие и нисходящие потоки могут ещё образовываться в области грозовых и кучевых облаков, достигая скорости 10-4-30 м/сек. Кучевые облака — это вершина восходящих воздушных потоков.
Законы образования воздушных течений необходимо знать пилотам планёров, самолётов и вертолётов.
При полёте в восходящих и нисходящих течениях самолёты испытывают сильную «болтанку». При встрече с такими потоками резко и часто меняются углы атаки крыльев. Так, например, если самолёт летит под углом атаки 1° со скоростью 100 м/сек и под него поддул восходящий поток со скоростью 20 м/сек, то угол атаки увеличится в 12 раз (рис. 96). Если на тот же самолёт
V гор.
Рис. 96. Изменение угла атаки самолёта при полёте: а — в восходящем потоке, б — в нисходящем потоке.
подействует нисходящий поток со скоростью 20 м/сек, то угол атаки уменьшится, примет отрицательное значение, при котором подъёмная сила станет отрицательной и самолёт начнёт проваливаться.
Таким образом, изменение углов атаки влечёт за собой резкое изменение аэродинамических сил, что вызывает сильные толчки, подбросы и провалы самолёта.
Эти явления часто и неправильно объясняют наличием в воздухе каких-то «воздушных ям». У человека, летящего на самолёте, воздушная «болтанка» вызывает ощущение, близкое к тому, что испытывают при качке на море.
В таких, резко меняющихся условиях, особенно у передних кромок грозовых облаков, летать опасно. Самолёт может разрушиться. По имеющимся лётным наставлениям грозовые облака надо обходить.
Другим интересным явлением в атмосфере, относящимся к аэродинамике больших скоростей, является полёт в ней метеоритов. Полёт метеорита можно видеть в ясную ночь, когда внезапно на небе появляется яркая «падающая» звезда. Она беззвучно прочерчивает светящийся след среди неподвижных звёзд и так же тихо исчезает.
Метеоритные тела бывают размером от мельчайших крупинок до крупных металлических и каменных глыб. Каждый час на нашу Землю обрушивается большое число, иногда доходящее до 20 000, метеоритов — пришельцев из далёких пространств. И если бы воздух атмосферы не оказывал им сопротивления, то наша Земля подверглась бы варварской небесной бомбардировке. Воздух, окутывающий Землю, служит надёжной «бронёй» от метеоритов. Но иногда эта «броня» ими пробивается, и тогда на землю выпадают метеориты. Эти метеориты являются единственными небесными телами, которые мы можем взять в руки. Метеоритные камни влетают в атмосферу холодными, имея в среднем на высоте 100-М20 км скорость 12 000-^70 000 м/сек.
Сколь велико аэродинамическое торможение даже при полёте в очень разреженном воздухе, видно из того, что скорость метеорита на высоте 40 км за 1 сек иногда уменьшается с 55 до 40 км/сек.
Мелкие метеоритные камни весом в несколько граммов встречают в воздухе огромное сопротивление, полёт замедляется и их кинетическая энергия переходит в тепловую. Такие метеориты раскаляются, испаряются и, превращаясь в газы, оставляют за собой светящийся след.
Крупные метеориты, если они не успевают рассыпаться в воздухе, израсходовав кинетическую энергию на преодоление сопротивления воздуха, в конце пути замедляют полёт. Зона, где задерживается полёт метеорита, называется зоной задержки. Из неё метеорит падает на Землю, как обычно брошенный с большой высоты камень, достигая при встрече с Землёй скорости 100-г-200 м/сек.
Из ознакомления с аэродинамикой больших скоростей (ч. I, § 5) мы знаем, что перед телом, например, перед пулей, снарядом, летящим со сверхзвуковой скоростью, образуется волна уплотнения со скачком, где давление и температура резко повышаются. То же самое происходит и перед головной частью метеорита, только здесь давление и температура оказываются несравненно большими (рис. 97). Волна уплотнения от метеорита, распространяясь в воздухе, доходит до поверхности Земли, порождая звуковые и ударные волны.
Мы знаем, что сопротивление воздуха на больших скоростях зависит от числа М. У ракет это число доходит до 25. У метеоритных тел оно может достигать 100.
Летательным аппаратам будущего предстоит летать со скоростью метеоритов, поэтому изучение полёта метеоритов представляет большой интерес. Недалеко то время, когда аэродинамики, вооружённые знаниями об обтекании газами тел на больших скоростях, смогут в аэродинамических трубах воспроизводить картину обтекания метеоритных тел. И не случайно, что астрономы при изучении метеоритов обратились за помощью именно к аэродинамике.
Полёт метеоритов в атмосфере напоминает нам о тех трудностях, с которыми придётся встретиться человечеству при осуществлении первых космических полётов.
Однако полёт некоторых метеоритных тел, благополучно достигающих поверхности земли, даёт нам надежду на успешное преодоление этих трудностей.
Космическому кораблю придётся дважды пронизать атмосферу Земли — в начале и в конце полёта. При взлёте корабль пересечёт атмосферу со скоростью, значительно меньшей, чем при возвращении, поэтому аэродинамическое сопротивление и аэродинамический нагрев в этом случае не будет иметь столь грозного значения.
При возвращении из «рейса», врезаясь с колоссальной скоростью в атмосферу, космический корабль встретит огромное сопротивление воздуха, которое вызовет высокий аэродинамический нагрев.
Рис. 97. Схема обтекания метеорита.
Однако скорость космического корабля при входе в атмосферу будет много меньше скорости метеоритных тел, а форма его более удобообтекаема. Поэтому у космического корабля аэродинамическое сопротивление все-таки не вызовет столь резкого торможения и столь высокого нагрева, как это наблюдается у метеоритных тел. Тем не менее обшивка корпуса корабля начнёт нагреваться и подобно метеориту может раскалиться добела, и на время даже засветится как звезда.
Но это не значит, что космический корабль сгорит. От сгорания его предохранит применение жаропрочных и неокисляющихся материалов, тепловая изоляция и искусственное охлаждение.
Толстая тепловая изоляция задержит большую часть тепла, а проникшую внутрь корабля часть тепла встретит мощная система искусственного охлаждения.
Для искусственного охлаждения в качестве холодильного тела можно использовать воду или сжиженные газы — воздух, аммиак, кислород и т. п. Холодильное тело, испарясь, заберёт тепло и унесёт его в окружающую атмосферу.
Приближаясь к Земле, космический корабль будет иметь огромную скорость, которую необходимо снизить для благополучного приземления.
Так же как и в случае падения метеоритов космический корабль, летящий с огромной скоростью, испытает сильное и резкое торможение, обусловленное аэродинамическим сопротивлением воздуха.
Кроме аэродинамического способа торможения, возможно ещё торможение при помощи собственного двигателя, выбрасывающего струю газов по направлению полёта. Такое торможение для достаточного снижения скорости космического корабля требует дополнительно большого количества топлива, да вдобавок к этому количеству потребуется ещё топливо, которое необходимо, чтобы унести с собой посадочное топливо. Из этого следует, что аэродинамический способ торможения является более обещающим.
При аэродинамическом способе торможения скорости сначала уменьшается за счёт сопротивления, испытываемого корпусом корабля. Когда сопротивления, оказываемого корпусом, становится недостаточнр, можно ввести в действие относительно небольшой специальный парашют. Конечно, такой тормозной парашют мыслится не из лёгкого шёлка или капрона, а из жаропрочного материала возможно с применением искусственного охлаждения.
Для дальнейшего уменьшения скорости и безопасности приземления, советский учёный Ф. А. Цандер предложил снабдить космический корабль выдвигающимися крыльями, которые при обычном полёте втянуты в корпус корабля и выдвигаются лишь при посадке. На этих крыльях предполагается планировать не только в атмосфере Земли, но и в атмосфере других планет — Венеры, Марса.
Кроме описанного назначения крыльев, их предполагается использовать при возвращении на Землю в качестве средства для удержания корабля в пределах атмосферы.
Для этого, при подходе корабля к атмосфере, чтобы он её не проскочил, крылья устанавливаются к направлению потока воздуха так, чтобы их подъёмная сила была направлена к центру Земли. В этом случае подъёмная сила прижмёт корабль к Земле, заставляя его по спирали огибать Землю и постепенно, на большом участке пути, плавно снижать космическую скорость.
При этом корабль не испытывает чрезмерных нагрузок.
В дальнейшем полёте, когда центростремительная сила станет меньше веса корабля, крылья устанавливаются под таким углом атаки, при котором будет создаваться подъёмная сила, направленная от центра Земли. При этом космический корабль переходит на обычное планирование.
Из всего сказанного видно, что учёным придётся много поработать над аэродинамикой космического корабля. Но настанет время, когда аэродинамики, совместно с другими учёными дадут все исходные данные, необходимые для создания первого беспилотного космического корабля.
На Венской сессии Всемирного Совета Мира президент Академии наук СССР академик А. Н. Несмеянов заявил, что «наука достигла такого состояния, когда реальна посылка ракеты на Луну...»
4 октября 1957 года Советский Союз, запустив первый в мире искусственный спутник Зем-w, возвестил
всему миру о том, что человечество вплотную подошло к полётам в межпланетное пространство. Если ракетостроители добьются увеличения скорости на 3 км/сек к скорости спутника, то такая ракета сможет значительно углубиться в околоземное космическое пространство.
Там её движение не будет стеснено аэродинамическим сопротивлением и мощным панцирем земного тяготения. Привычный земной полёт сменится специфическим космическим движением, отличающимся поразительной скоростью, плавностью, бесшумностью, уменьшением веса до полной потери весомости. Ракета с выключенным двигателем сможет покрывать расстояния в миллиарды километров.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Прочитав эту книгу, читатель ознакомился с основами аэродинамики и многочисленными примерами и явлениями, взятыми из техники и природы. Это поможет читателю познать сущность аэродинамических явлений, часто встречающихся в нашей жизни.
Значение аэродинамики далеко не исчерпывается приведёнными примерами. Аэродинамика, как и всякая наука, позволяет глубже проникать в тайны природы и помогает человечеству устранить преграды, стоящие на его пути, на пути достижения больших скоростей передвижения и на пути создания совершенных машин, облегчающих как труд, так и условия жизни человека.
В наши дни советскими аэродинамиками совместно с лётчиками-испытателями скоростных самолётов проделана большая работа по достижению сверхзвуковых и звуковых скоростей. Много сделано по улучшению воздушно-реактивных двигателей, по созданию совершенных вентиляционных установок и обтекаемых форм автомобилей и по внедрению ветродвигателей в народное хозяйство.
Перед учёными и инженерами, работающими в аэродинамических лабораториях, на заводах и участвующими в лётных экспериментах, стоит задача дальнейшего усовершенствования скоростных самолётов.
|
