Нагревание поверхности самолета при больших скоростях

Поверхность быстро летящего самолета нагревается по двум причинам:

1. вследствие сжатия воздуха в передней части крыла, фюзеляжа и хвостового оперения;

2. вследствие трения воздуха о поверхность самолета.

При ударе о крыло лобовая струйка тормозится и теряет кинетическую энергию, которая превращается в энергию давления и тепло. Прирост температуры воздуха в точке торможения составляет

DТ = .

Слой воздуха, обтекающий крыло самолета в непосредственной близости, также теряет свою кинетическую энергию. В этом слое кинетическая энергия превращается в тепло, которое нагревает воздух в пограничном слое и само крыло.

Нагрев поверхности самолета под влиянием трения в пограничном слое составляет 85% величины нагрева и точке торможения

D Т = 0,85DТ =

Как видно из формулы, приращение температуры в точке торможения пропорционально квадрату скорости полета. Эти формулы можно изобразить в виде графика.

При полете с большими скоростями поверхность всего самолета, особенно передних кромок крыла и оперения, сильно нагревается. В связи с этим возникает новая проблема – защита конструкции самолета и экипажа от высоких температур.

Способы защиты самолета от воздействия высоких температур

1. Применение жаростойких металлов и сплавов (нержавеющая сталь, сплавы титана, тугоплавкие керамики, созданные на основе окислов металлов).

2. Охлаждение поверхности самолета (способом отпотевания). В этом случае охлаждающая жидкость подводится под давлением к обшивке, выступает на ее поверхность и, испаряясь, охлаждает обшивку самолета.

3. Самым действенным средством защиты самолета от нагрева, даже при очень больших скоростях, является полет на больших высотах в условиях низких температур и малой плотности воздуха.

Вклад отечественных ученых в развитие аэродинамики больших скоростей

Как отмечалось ранее, еще в прошлом веке выдающийся ученый генерал артиллерии Майевский (1823-1892гг.) указал на значение сжимаемости воздуха при больших скоростях движения. Значение скорости звука он выразил известным отношением М = , которое получило название числа Майевского.

Огромный вклад в науку о полете с большими скоростями внес академик С.А.Чаплыгин. Он явился основоположником новой науки – газовой динамики или аэродинамики больших скоростей. Труды С.А.Чаплыгина получили мировую известность и послужили основой для создания скоростной авиации.

В настоящее время уже никого не удивляет скорость полета, в 2-3 раза превышающая скорость звука. Скорость современных ракет достигает М=20 и более.

При разработке вопросов повышения скорости встречается ряд трудностей. Возникают новые области аэродинамики. Требуются принципиально новые испытательные установки с быстродействующей аппаратурой. Создание новых самолетов и ракет становится все более актуальной и сложной задачей.

В 1961 году на соискание Ленинской премии была представлена работа профессора Черного «Аэродинамика течений с сильными ударными волнами». В этой работе рассматривается движение воздуха при мощных взрывах. Оказывается, что движение тела с очень большой скоростью можно рассматривать как непрерывную последовательность взрывов от зарядов, распределенных в местах, через которые пролетает тело.

Профессор Черный объединил существовавшую теорию движения воздуха при мощных (атомных) взрывах с аэродинамикой больших скоростей. Он создал эффективные приемы расчета сопротивления тела при полете с большой скоростью и определения давления в различных точках летящего тела.

В передней части летящего тела возникают высокие температуры, где молекулы азота и кислорода распадаются на атомы. При этом свойства воздуха усложняются.

Профессором Черным выявлено неожиданное и весьма существенное влияние малого затупления передней кромки тонких корпусов летательных аппаратов и крыльев при больших скоростях на распределение давления по их поверхности на общее сопротивление. Например, если у крыла с хордой 1м и толщиной в средней части 8см передняя кромка имеет затупление 0,5мм, то сопротивление такого крыла при большой скорости будет в два раза больше, чем сопротивление такого же крыла с острой передней кромкой. Это имеет важное значение, так как острая передняя кромка крыла обычно плавится и затупляется.