Техника - молодёжи 1954-06, страница 27

сфере, на высоте около 18 км, на самолетах, по бвоей форме очень напоминающих кинжалы. Тонкие крылья этих летательных аппаратов имеют клиновидную переднюю кромку. Эта кромка при скорости полета, несколько превосходящей скорость звука, вызывает на некотором расстоянии перед собой «отсоединенную» искривленную ударную волну. При дальнейшем увеличении скорости волна садится на острие, становится более прямолинейной. Такую волну аэродинамики зовут «присоединенной». Затраты энергии при увеличении скорости в случае присоединенной волны меньше, чем при отсоединенной волне.

Естественно, что исследователей очень заинтересовало, при каких условиях волна присоединяется. Были произведены соответствующие теоретические расчеты и намечены эксперименты, которые должны были подтвердить их Для проведения этих опытов нужны были дорогие и сложные аэродинамические трубы, внутри которых мощные компрессоры гонят воздух со скоростью сотен метров в секунду. Вот тут-то и вспомнили снова о «гидро-аналогии» Жуковского, которая сулила возможность обойтись без сложнейшего оборудования, сделать простыми и доступными тончайшие явления.

О «МЕЛКОЙ ВОДЕ» И ПОВЕРХНОСТНОМ НАТЯЖЕНИИ

В аэродинамических лабораториях построили небольшие бассейны. Миниатюрные модели снарядов и профилей крыльев из лакированного дерева или воска стали «протаскивать» по гладкой поверхности воды. Фотоаппарат запечатлевал форму волн, отходящих от моделей. Но эти опыты не дали обнадеживающих результатов. В частности, для случая присоединения волны к клину аналогия оказалась удовлетворительной лишь при скоростях, не превышающих звук более чем в 1,4 раза, и для клиньев с утлом, при вершине не превышающем 10°. Если увеличивали скорость или делали угол раствора клина большим, то волна присоединялась к вершине слишком рано. Зародилось подозрение, что волны на поверхности воды не имеют себе подобных в воздухе, по крайней мере в обычной атмосфере. Чем же отличаются волны, образующиеся на поверхности воды, от волн в воздухе при сверхзвуковом полете?

Представьте себе ракету, летящую со сверхзвуковой скоростью. От ее заостренной передней части конусом отходит волна, в которой плотность окружающего воздуха может «ударно» возрасти, скажем, в два раза. А на поверхности воды даже самый быстроходный крейсер не сможет создать носовую волну, в два раза поднимающую уровень моря. Только на мелком месте волны могут изменять уровень воды во столько же раз, во сколько изменяется плотность воздуха при переходе через волны, образующиеся при сверхзвуковом полете. Значит, глубина бассейнов, где методом гидравлической аналогии изучают полет со сверхзвуковой скоростью, должна быть очень небольшой, немногим более 6 мм. Кстати, теория гидравлической аналогии так и называется — «теория мелкой воды».

Не только слой воды, но и модели должны быть довольно тонкими, иметь форму, не вызывающую вихрей, так как вихри иногда становятся источниками новых волн. Такое вихревое происхождение имеют волны реки, наблюдаемые в безветрие. Причиной их являются вихри, образующиеся на дне реки при обтекании неровностей.

Есть и другое отличие волн на поверхности воды от волн в воздухе. Проведите пальцем достаточно быстро хотя бы по поверхности лужи, и вы увидите, как поверхность воды слегка морщится перед вашим пальцем. При движении по воде палец возбуждает волну, которая в следующее мгновение проявляет характерную способность «расползаться» на группу волн, имеющих разные скорости. Вперед «выбегает» наиболее мелкая рябь. В образовании этой ряби, называемой «капиллярными волнами», основную роль играет поверхностное натяжение воды. В воздухе же возмущение распространяется в виде одной-единственной волны, — ведь никакого «поверхностного натяжения» там нет.

Аэродинамики обратились к химикам с просьбой найти вещество, сильно уменьшающее силы поверхностного натяжения воды. Поиски увенчались успехом, и поверхностное натяжение оказалось ослабленным в два раза.

Однако опыты снова принесли разочарование. Мелкие капиллярные волны превратились в более крупные. Ослабление поверхностного натяжения сильно уменьшило мелкую рябь, но в то же время раздробило основную волну на группу волн, которая опять-таки расползалась. Пришлось признать в данном случае «слабость» химии, а относительное влияние капиллярных волн уменьшать увеличением размеров модели. От большой модели отхо-

Аналогия «расползания волн» на поверхности жидкости и при

обтекании клина сверхзвуковым потоком сильно разреженного газа.

дят большие волны, мелкая же рябь почти незаметна. Впрочем, если ограничить тематику исследования, а именно —- изучать только боковые и кормовые волны, отходящие от модели, то можно и не увеличивать размер моделей.

Так ученые пытались сгладить различия, приблизить друг к другу явления, происходящие на поверхности воды и в атмосфере. Но, может быть, эти различия только кажущиеся и явления, подобные расползанию водяных волн, надо искать и при сверхзвуковом полете?

О ВЫСОТНЫХ ПОЛЕТАХ И ФИГУРАХ ВЫСШЕГО ПИЛОТАЖА

Взгляните на фотографию ударной волны перед клином, помещенным в очень разреженный сверхзвуковой поток. Вы ясно увидите расползание ударной волны, внешне аналогичное расползанию волн на поверхности воды. Правда, в разреженном газе расползание непрерывное, на поверхности же воды оно выражено серией волн.

Недостаток аналогии оказался ее достоинством. Хотя свойства ударных волн при больших разрежениях мало изучены, но уже сейчас вырисовывается возможность моделировать в ванночке с водой явления, происходящие при полете быстрее звука в заоблачных высях ионосферы или в космосе при взрыве сверхновых звезд или столкновении туманностей.

При этих катастрофах вихри и струи разреженнейшей материи образуют сложные системы волн, пронизанных перепутанным магнитным полем. Но и таким магнитно-гидродинамическим волнам аналогичны волны на поверхности расплавленного металла в магнитном поле.

Существует и еще одна область аэродинамических исследований, где гидроаналогию не может заменить в настоящее время никакой другой метод исследования Это изучение явлений, происходящих при сверхзвуковом ускоренном движении и движении тел по сложным траекториям. Ведь размеры труб ограниченны, и невозможно заставить модель ракеты или крыла двигаться в трубе по сложным траекториям, а тем более невозможно в подобных установках обозреть сложную и обширную картину волн, которые образуются при таких эволюциях.

Только наблюдением за моделями, движущимися с ускорением и замедлением по криволинейным траекториям на поверхности обыкновенной воды, можно получить сейчас картину распределения волн при сверхзвуковом полете в аналогичных условиях. А зная общую картину волн, образуемых скоростным самолетом или ракетой, можно, например, объяснить происхождение непривычных звуков, слышимых при их полете, и много других интересных вещей.

Короче, «гидравлическая аналогия» Жуковского в настоящее время может помочь нам исследовать неустановившееся движение со сверхзвуковой скоростью.

Изучение всех этих явлений — возможная область действия «гидравлической аналогии» Жуковского. С ее помощью мы сможем узнать и приключения метеоров, вонзающихся в нашу атмосферу со скоростью десятков километров в секунду, и уточнить взлетные траектории будущих космических ракет, и понять таинственные сегодня переплетения струй материи в далеких галактиках.

25