Физика в бою - В. Жуков

Впервые летчики почувствовали неладное в конструктивных формах довоенных самолетов при полетах с большой дозвуковой скоростью. Она достигалась при крутом пикировании и в тех случаях, когда использовались ракетные ускорители. В этот момент с самолетом начинали происходить странные и опасные явления: он трудно поддавался управлению, а то и совсем выходил из-под контроля летчика.

Стало ясно, что нельзя безнаказанно увеличивать скорость полета, устанавливая на самолетах все более мощные двигатели, пока не будет определена физическая причина этих и других непонятных явлений. Почему еще в дозвуковом полете самолет вдруг начинает испытывать какое-то дополнительное и очень большое сопротивление? И почему он при этом становится неуправляемым? За выяснение этой загадочной картины взялись ученые-аэродинамики.

Надо сказать, что в механике, в этом старейшем разделе физики, за последние десятилетия очень сильно развилась аэродинамика — наука о движении воздуха. С тех пор как Н. Е. Жуковский разгадал тайну птичьего крыла и объяснил механизм образования его поистине чудодейственной подъемной силы, которая затем помогла поднять в небо аппараты намного тяжелее воздуха, ученые немало сделали для развития авиации. Не одна научная проблема, важная для практики, была решена ими. И вот теперь предстояло решить новую.

Были созданы специальные аэродинамические трубы с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями потока. В них подверглась тщательному исследованию модели самолетов различной формы. В результате множества опытов было установлено, что при обтекании околозвуковым потоком модели самолета с толстым крылом большого удлинения (то есть имеющего большое отношение размаха крыла к хорде или, попросту говоря, ширине) около поверхности машины образуются обширные зобы со сверхзвуковой скоростью потока. В конце этих зон возникают сильные ударные волны, которые и оказываются источником большого дополнительного сопротивления, названного поэтому «волновым».

Похожие результаты ученые получили и при сверхзвуковых скоростях потока в трубе, если модель самолета имела тупую носовую часть и крылья были установлены под большим углом (так называемым углом атаки) к направлению потока. Более простыми оказались течения воздуха около тонких тел с заостренной носовой частью и около тонких крыльев с острой передней кромкой и малыми углами атаки.

Таким образом, было установлено, что обычные прямые крылья большого удлинения и большой относительной толщины (по отношению к ширине крыла), очень хорошие при малых скоростях полета, совершенно непригодны для самолетов с большими дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями. Слишком велико их волновое сопротивление. Кроме того, при переходе к большим дозвуковым скоростям полета (вспомним пикирование) происходит резкое перераспределение давления воздушного потока на поверхности самолета, что сразу же ухудшает его управляемость и даже может вывести из повиновения летчику.

Этими недостатками, как выяснилось, почти не страдают тонкие стреловидные или треугольные крылья с малым удлинением. И чем большая предполагалась максимальная скорость самолета, тем большим должен был быть угол стреловидности, меньше удлинение и относительная толщина крыла. Так самолеты-цапли стали самолетами-ласточками, а точнее — застывшим изображением птиц в самой выгодной для данной скорости полета форме. Однако этой внешней аналогии не стоит придавать большого значения: ведь самой быстрой птице не угнаться за самым тихоходным самолетом, и тем более птицам никогда не узнать, что такое волновое сопротивление, рожденное сверхзвуковыми скоростями.

Итак, благодаря могучим современным двигателям и найденной совершенной форме крыла скорости самолетов на сегодня перевалили рубеж 3 тыс. км/час. А как будет дальше? Конечно, скорости будут расти, ведь техника не может стоять на месте, жизнь требует новых, более быстроходных самолетов. Ученые — аэродинамики и термодинамики — с уверенностью говорят, что наука уже дала ответ на то, какие скорости полета в авиации могут быть освоены в недалеком будущем. Называют цифры, превышающие скорость звука в 10–12 раз! Такие скорости длительного и экономичного полета в атмосфере могут дать в будущем, как считают зарубежные специалисты, прямоточные воздушно-реактивные двигатели.

Но одно дело наука, другое — практика. Пока что освоены скорости, равные только трем звуковым. Но уже при такой скорости появились проблемы, которые начинают всерьез волновать специалистов. Вот хотя бы посадка самолетов. Практика показывает, что с возрастанием максимальной скорости неизбежно увеличивается и посадочная. Сейчас она у некоторых самолетов стала превышать 250 км/час. Пришлось принимать специальные меры, чтобы обезопасить посадку. Однако, по мнению зарубежных специалистов, ни удлинение посадочных полос, ни использование тормозных парашютов не сняло определенной тревоги за каждый самолет, идущий на посадку с большой скоростью. Режим посадки находится уже на грани аварийного. Каков же выход из этого положения?

Ответ в общем-то давно известен. Уменьшить посадочную скорость можно, используя на посадке крылья дозвуковых самолетов, тех, что находятся в нижней части нашего графика. Но такие крылья, как мы уже говорили, для сверхзвуковых полетов совершенно неприемлемы. Они ведь должны быть стреловидными. А если объединить два этих качества в одно — сделать крыло с изменяющимся положением относительно самолета и потока воздуха? Подлетает, скажем, такой самолет к аэродрому, разворачивает, подобно птице, стреловидное крыло, делает его прямым и начинает планировать, совершая посадку с малой скоростью…

Идея создать крылья с изменяющейся в полете конфигурацией, вообще говоря, не нова. Однако зарубежные специалисты долгое время считали, что достигнутый уровень современной техники не позволяет осуществить надежную конструкцию такого крыла.

В последнее время в среде зарубежных военных специалистов не раз обсуждался вопрос о том, как создать самолет, который обладал бы одновременно качествами боевых машин разного назначения, например истребителя-перехватчика и тактического бомбардировщика. Однако истребитель должен обладать способностью длительно патрулировать в воздухе на самом экономичном режиме дозвукового полета и при необходимости резко набирать большую скорость, а бомбардировщик — иметь возможность на низкой высоте преодолевать на сверхзвуковой скорости зону действия наземных радиолокационных станций противника.

И все это, оказывается, возможно осуществить, если самолет уподобить соколу или орлу, которые раскидывают крылья и делают их прямыми при длительном полете— парении и складывают для стремительного броска на добычу. Проект такого самолета, «самого спорного в мире», как назвала его зарубежная печать, был разработан в США. Построен и опытный образец, известный под названием многоцелевого сверхзвукового истребителя-бомбардировщика F-111.

Максимальная скорость этого самолета составляет 2655 км/час на высоте 18,3 км. При взлете, патрулировании и посадке стреловидность его крыла минимальная — 16°, а размах крыла при этом равен 19,2 м. При крейсерском режиме полета стреловидность максимальная — 75,5° и размах — 9,7 м. Различные положения крыла F-111 показаны на рис. 7.

Во время одного из летных испытаний при умеренной скорости полета — 740 км/час посадочная скорость F-111 составила всего 125 км/час. В другом полете со скоростью 1900 км/час даже отказ тормозного парашюта, как сообщала печать, не помешал летчику произвести безаварийную посадку.

Некоторые из зарубежных специалистов считают, что крыльями с изменяющейся в полете геометрией будут обладать в будущем только многоцелевые самолеты, т. е. такие, которые способны решать несколько различных задач. Но есть и другие мнения, согласно которым подобные крылья будут иметь более широкое применение, например в сверхзвуковой транспортной авиации и даже на гиперзвуковых самолетах. Кстати, как сообщалось в печати, крыло с изменяющейся в полете геометрией собирается использовать фирма «Боинг» при постройке нового сверхзвукового транспортного самолета. Считают, что это позволит улучшить взлетно-посадочные характеристики и уменьшит необходимую длину взлетно-посадочной полосы.

А вот пример из арсенала сторонников первой точки зрения. Экспериментальный гиперзвуковой пилотируемый самолет Х-15А-2 имеет неподвижное прямое крыло. В том, что крыло сделано прямым, видно стремление конструкторов в какой-то мере облегчить посадку. Но крыло тонкое и имеет малое удлинение, а это уже дань большой сверхзвуковой скорости, так как этот самолет рассчитан на максимальную скорость 8800 км/час на высоте 30,5 км. Х-15А-2 снабжен ракетным двигателем и не может взлетать с земли. Он доставляется на определенную высоту самолетом-носителем. Однако садится машина по-самолетному, но с громадной посадочной скоростью (340 км/час, а по некоторым данным, и выше), требующей от пилота поистине циркового искусства в точности приземления.