Нестандартные решения и новый тип полета, штурм трех скоростей звука и ударно-волновая газодинамика – все смешалось в этой истории о том, как летал один из самых необычных сверхзвуковых самолетов.
Перед телом, летящим быстрее звука, воздух уже не успевает растекаться в стороны со своей – звуковой – скоростью.
Сверхзвуковое тело нагоняет и трамбует разбегающийся воздух, не давая ему расступаться. Поэтому на сверхзвуке сжатие вокруг тела становится значительным, что приводит к многократному уплотнению воздуха. Оно происходит на особой границе в потоке – скачке уплотнения.
Сверхзвуковое сжатие проявляется в двух формах. Первая – это волна: кратковременное уплотнение воздуха с последующим расширением. Сжатие воздуха здесь многократное, гораздо более сильное, чем при обычных звуковых колебаниях. Тесная связка «сжатие-расширение» свободно распространяется в воздухе на большие расстояния в виде сверхзвуковой ударной волны.
Другая форма сжатия – поток. За скачком уплотнения воздух у поверхности сверхзвукового тела остается сжатым. Он струится по поверхности непрерывным плотным потоком: он либо все время поджимается набегающим под углом атаки воздухом, либо просто не успевает расшириться за время обтекания. Сжатый поток течет и в разных ограниченных пространствах – газодинамических каналах и проточных частях, воздухозаборниках и соплах.
Все это сильно меняет картину обтекания по сравнению с дозвуковой. На сверхзвуковом теле возникает скачок уплотнения, который расходится в потоке позади тела, образуя конус Маха. Он есть на всех передних точках и кромках – носовом обтекателе, передних кромках крыла, килях, воздухозаборниках. Дальше от самолета скачок уплотнения создает ударную волну, а у поверхности оставляет за собой поток сжатого воздуха, который и дает подъемную силу в сверхзвуковом полете.
У дозвуковых летательных аппаратов подъемная сила возникает при обтекании профиля крыла, а также за счет угла атаки – небольшого угла, с которым плоскость крыла встречает набегающий поток. Профиль крыла для дозвукового полета сверху более выпуклый.
Обтекающий эту выпуклость воздух ускоряется, его давление снижается, в итоге возникает местная зона разрежения, которая «подсасывает» крыло кверху. Перепад давлений между нижней и верхней частью крыла направлен вверх и образует подъемную силу.
При сверхзвуковом обтекании картина меняется. Воздух, не успевая разбегаться вокруг крыла, сжимается его клиновидной передней кромкой. Верхняя часть крыла встречает набегающий поток с очень небольшим углом атаки, слегка уплотняет его и обтекается этим сжатым воздухом. В разрежение он переходит лишь на наиболее толстой части крыла, на выпуклости которой поток поворачивает вниз, к задней кромке. В это местное разрежение течет сжатый спереди крыла воздух, «подкачивая» и ослабляя его. Разрежение в сверхзвуковом полете занимает лишь заднюю часть крыла, а потому дает меньшую часть подъемной силы.
Главное действие разворачивается на нижней поверхности крыла, расположенной под углом атаки к набегающему потоку. Здесь возникает сплошная зона сжатого воздуха, образуемая сверхзвуковым вклиниванием крыла в воздушную массу. Столкновение воздуха с наклонной поверхностью уплотняет его. Не успевающий расширяться воздух течет сжатым потоком по низу крыла, образуя зону высокого давления.
Так на крыле сверхзвукового самолета проявляются обе формы сверхзвукового сжатия – расходящаяся ударная волна и сжатое течение вокруг крыла. Высокое давление сжатого снизу воздуха толкает крыло вверх, становясь главной частью сверхзвуковой подъемной силы. Она создается основным газодинамическим эффектом снизу крыла – сжатием потока на нижней поверхности.
Как оседлать волну
В классическом сверхзвуковом полете ударная волна, образующаяся на всех передних кромках летательного аппарата, играет, скорее, негативную роль.
Она отнимает у самолета ощутимую часть энергии движения и уносит ее в окружающее пространство. Для снижения потерь от ударной волны нос сверхзвуковых самолетов делают заостренным, как и скошенные передние кромки крыльев, килей и воздухозаборников. Однако, если суметь направить ударную волну на нижнюю поверхность самолета и удержать ее там, она приложила бы свое высокое давление в месте контакта с поверхностью, что увеличило бы подъемную силу самолета. Такая попытка предпринималась в середине ХХ века.