Космическая скорость в лаборатории

Сверхзвуковой истребитель

Прежде чем опытный образец нового самолета оторвется от бетонированной дорожки аэродрома, он уже не один раз до этого побывает в полете. Вернее не сам самолет, а лишь его крошечный прототип, модель. Да и полет совершается не на безбрежных просторах воздушного океана, а в ограниченном пространстве аэродинамической лаборатории. И тем не менее этот «моделированный полет» позволяет конструктору выяснить целый ряд важнейших вопросов, на которые не могут дать достаточно точного ответа теоретические вычисления: какие силы действуют на самолет в полете, устойчив ли он в воздухе, легко ли поддается управлению и правильно ли выбран для него запас прочности? Все эти возможности открылись перед конструкторами летательных аппаратов только благодаря изобретению аэродинамических труб.

Созданные еще на заре развития авиационной техники, аэродинамические трубы вместе с ней прошли более чем вековой путь развития и совершенствования. И как не похожи друг на друга сверхзвуковые реактивные самолеты и винтомоторные летательные аппараты начала XX века, также резко отличаются современные аэродинамические трубы от первой «лопастной воздуходувки» Циолковского. Непрерывно увеличивая скорость создаваемого ими воздушного потока, аэродинамические трубы вместе с самолетами шагнули за «звуковой барьер» и вплотную приблизились к сверхзвуковым скоростям современных многоступенчатых ракет.

Сейчас ученые и конструкторы имеют в своем арсенале для исследований самые различные типы аэродинамических труб — от небольших настольных установок диаметром всего в один сантиметр до гигантских агрегатов, в которых могут испытываться даже самолеты в натуральную величину. Правда, в таких натурных аэродинамических трубах скорость воздушного потока обычно невелика и не превышает 100 метров в секунду. Поэтому с их помощью можно воспроизводить только взлет и посадку самолета, когда скорость его намного меньше, чем во время полета.

Чтобы придать большую скорость такому гигантскому воздушному потоку, потребовались бы силовые установки поистине сказочной мощности. Например, в одной аэродинамической трубе, созданной в США, шириной в 25 метров и высотой в 12,2 метра, чтобы сообщить воздушному потоку скорость в 90 метров в секунду, приходится использовать шесть вентиляторов общей мощностью в 36 000 лошадиных сил!

Намного большие мощности можно получить в небольших по размерам аэродинамических трубах. Но и для них пришлось бы затрачивать громадное количество энергии, чтобы непрерывно поддерживать сверхзвуковой воздушный поток, если бы не были созданы специальные типы аэродинамических труб — накопителей энергии. Обычно в аэродинамических трубах воздух приводится в движение мощным многоступенчатым компрессором или реактивным двигателем. Во время испытаний компрессор или реактивный двигатель работает непрерывно. Но можно с помощью того же компрессора накачать в баллон воздух до высокого давления и выпустить его затем в аэродинамическую трубу сразу, в виде высокоскоростной струи газа. Можно сделать и наоборот. Сначала откачать из баллона воздух до очень высокого разрежения и соединить его при помощи аэродинамической трубы с наружной атмосферой. Тогда в разреженное пространство с большой скоростью устремится воздушный поток.

У таких баллонных и вакуумных аэродинамических труб период действия после каждой зарядки не превышает одной минуты. Но в то же время трубы кратковременного действия обладают и существенными преимуществами перед обычными устройствами.

Дело в том, что в баллонных трубах расходуемая за короткий промежуток времени энергия движущегося воздушного потока накапливается за гораздо более длительный период. Поэтому мощность, развиваемая такой трубой во время испытаний, намного превышает мощность используемого компрессора. В аэродинамических же трубах постоянного действия — их мощность меньше мощности компрессора.

аэродинимеческая труба

Аэродинамическая труба.

Такой принцип постепенного накопления энергии и быстрого расходования ее за короткое время позволил с помощью уже имеющихся силовых установок достигнуть гораздо больших скоростей. Например, если аэродинамическая труба кратковременного действия со скоростью воздушного потока, в пять раз превышающей скорость звука, использует силовую установку мощностью в 8000 лошадиных сил, то аэродинамическая труба постоянного действия (на ту же скорость), потребовала бы установки в 150 000 лошадиных сил!

«КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ПОРОГ»

Аэродинамическим трубам, как и самолетам, пришлось столкнуться со своим «скоростным порогом», поставившим предел для дальнейшего роста скоростей. Но в отличие от звукового барьера самолетов «скоростной порог» аэродинамических труб имеет совсем иную природу.

Чтобы создать быстрый поток газа, необходимо предварительно пропустить его через специальное расширяющееся сопло, на выходе из которого и получается сверхзвуковая скорость. Расширяясь в сопле, газ одновременно охлаждается, как это следует из законов термодинамики. И чем большая сверхзвуковая скорость создается в аэродинамической трубе, тем большее должно быть расширение потока в сопле, и тем в большей степени охлаждается воздух. В результате при скорости потока, более чем в четыре раза превышающей скорость звука, воздух охлаждается настолько сильно, что входящий в его состав кислород начинает сжижаться. Воздушный поток резко изменяется, и становится уже невозможным воспроизвести полет самолета в атмосфере.

Чтобы предотвратить конденсацию кислорода, стали предварительно нагревать воздух до высокой температуры. Тогда, несмотря на значительное охлаждение его в расширяющем сопле, температура все же остается выше точки сжижения кислорода. И действительно, создав специальные подогревательные устройства, ученые достигли скоростей воздушного потока, уже в восемь раз превышающих скорость звука. Но, как показали дальнейшие исследования, это были всего лишь частичные успехи.

Последующее увеличение сверхзвуковых скоростей стало даваться такой дорогой ценой, что от этого метода пришлось отказаться — он стал экономически невыгодным. Ведь нагреть громадное количество газа, движущегося с большой скоростью,— нелегкая задача. Приходится создавать уникальные по своей громоздкости и сложности теплообменники.

В таких трубах с теплообменниками энергия, затрачиваемая только для нагрева газа, начинает уже превышать энергию, затрачиваемую на приведение его в движение. Кроме того, для дальнейшего существенного увеличения скорости сверхзвукового потока пришлось бы нагревать воздух до температуры, при которой начинают уже плавиться стенки трубы.

В поисках выхода из этого затруднительного положения пробовали заменить воздух другим газом, который сжижается при более низкой температуре, например гелием. Но этот газ обладает другими, чем воздух, свойствами и поэтому с его помощью нельзя точно воспроизвести полет самолета в атмосфере, хотя отдельные вопросы могут быть выяснены и на гелиевых трубах.

Трудности были настолько велики, что некоторые ученые решили было отказаться от испытания неподвижной модели в движущемся воздушном потоке и разгонять саму модель в покоящемся воздухе. Небольшие модели весом до десяти граммов выстреливались в аэродинамическую трубу из специальных «ружей». В таких установках действительно удалось воспроизвести большие сверхзвуковые скорости полета — до 16 000 километров в час. Если же выстреливать модель навстречу движущемуся ей сверхзвуковому потоку газа, то можно получить скорости, в 30 раз превышающие скорость звука. Но ценность таких испытаний снижается тем, что к быстро движущейся модели нельзя подсоединить многие измерительные приборы и определить действующие на нее силы или другие величины.

Продолжение следует.

Автор: А. Шибанов.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что достижение космической скорости в лабораторных условиях несомненно станет научной сенсацией и многие информационные сайты, как скажем http://panoramanews.ru/ будут взахлеб о ней рассказывать.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *