Пути увеличения скорости

На протяжении всей своей истории люди мечтали об увеличении скорости перемещения по сравнению с той, которую может создать передвижение на животных или ветер, наполняющий паруса судов. Но повышение скорости стало возможным только после изобретения парового двигателя и в особенности после изобретения двигателя внутреннего сгорания. Это и понятно: увеличение скорости движения требует значительного увеличения затрачиваемой мощности на преодоление сопротивления среды, в которой мы перемещаемся

Например, приращение скорости на 10% требует увеличения мощности на 33%. Кроме того, с ростом скорости встречаются такие трудности, которые не позволяют эффективно использовать даже располагаемые мощности. Рассмотрим, например, движение автомобиля. При своем перемещении он отбрасывает назад все, что лежит на земле, и отталкивается от нее. Для движения колеса автомобиля должны иметь надлежащее сцепление с поверхностью земли, а с ростом скорости сила этого сцепления уменьшается.

Помимо этого, малейшие неровности поверхности дороги вызывают сильные удары в колеса, которые и так очень напряжены от огромной скорости вращения (колеса гоночного автомобиля делают более 50 об/сек). Именно уменьшение силы сцепления и большие нагрузки, возникающие в колесах при быстром вращении, как мы это увидим ниже, являются основным препятствием идя дальнейшего увеличения скорости наземного транспорта.

Если мы обратимся к авиации, то увидим (рис. 9), что рост скорости полета самолетов, особенно быстрый в 20—30 годах, позже стал заметно уменьшаться и в 1940 г. почти приостановился. Это объясняется, во-первых, тем, что к этому времени были достигнуты околозвуковые скорости полета, при которых начал сказываться эффект сжимаемости воздуха, выразившийся прежде всего в резком увеличении сопротивления движению. Во-вторых, движитель самолетов — воздушный винт — благодаря вращению обтекается воздухом с большей скоростью, чем остальные агрегаты самолета — его фюзеляж, крылья и оперение.

Поэтому винт в большей мере встречается с эффектом увеличения сопротивления, требуя повышенной мощности для своего вращения. Эффект сжимаемости воздуха, кроме увеличения сопротивления, приводит к снижению тянущих свойств воздушного винта, и при скорости около 800—900 км/час коэффициент полезного действия его становится близким к нулю.

Таким образом, хотя мощность поршневого двигателя внутреннего сгорания при полете на любой скорости остается постоянной, тяга, которую развивает движитель самолета — воздушный винт, постепенно падает и не позволяет достичь скорости полета более 750— 800 км/час.

Совсем другое положение возникает в случае применения реактивных двигателей. В воздушно-реактивном двигателе сжатый воздух, смешиваясь с распыленным горючим (чаще всего керосином), сгорает и с большой скоростью выбрасывается из сопла наружу. Тяга такого двигателя зависит от количества (массы) выбрасываемых газов и от их скорости, но мало зависит от скорости полета. Это принципиальное отличие реактивного двигателя от поршневого сняло вопрос о недостатке мощности для полета на больших скоростях. Кроме того, реактивный двигатель позволяет в сравнительно небольшом агрегате сосредоточить большие тяги и мощности.

Разрешив проблему мощности двигателя, авиаторы столкнулись с необходимостью преодолевать другие препятствия «звукового барьера», выражающиеся в резком изменении устойчивости и управляемости летательного аппарата.

Так как характеристики летательного аппарата в очень большой степени зависят от того, какова скорость полета по отношению к скорости звука, а скорость звука изменяется с высотой полета, принято измерять скорость полета скоростных самолетов не в км/час, а в относительных единицах, показывающих отношение истинной воздушной скорости к скорости звука на данной высоте полета.

Это отношение называют числом М: М = υ/α, где α — скорость звука.

Для успешного преодоления «звукового барьера» потребовалось значительное изменение конфигурации летательных аппаратов — они приобрели стреловидные крылья и оперение. Толщина профиля крыла намного уменьшилась, так как выяснилось, что основная доля сопротивления создается крылом, а его сопротивление пропорционально квадрату относительной толщины профиля.

Для улучшения управляемости самолетов на звуковых скоростях полета движение рулевых поверхностей стали осуществлять специальными устройствами с подводом внешней энергии, а не мускульной силой человека. Все это способствовало тому, что с 1944 г. вновь начался существенный прирост скорости полета (рис. 9).

Рис. 9. Изменение максимальной скорости полета самолетов по годам (зарегистрированные рекорды)

Дальнейший еще более значительный рост скорости полета в атмосфере в настоящее время встречает преграду в виде так называемого кинетического нагрева конструкции. Нагревание конструкции самолета происходит от трения и подтормаживаиия воздуха, обтекающего его поверхность.

Степень нагрева зависит от квадрата числа М и начинает оказывать существенное влияние при скоростях более М = 1 (рис. 10).

Рис. 10. Расчетная температура торможения в зависимости от числа М

Увеличение скорости полета может привести к недопустимому нагреванию конструкции самолета. Поэтому максимально допустимые из-за нагрева скорости полета связывают с термином «тепловой барьер». Чем выше скорость, тем большие трудности возникают для обеспечения возможности полета в условиях нагрева. Нагрев конструкции приводит к понижению прочности материалов, усложняет и ухудшает работу двигателей, вызывает большие трудности по обеспечению работоспособности экипажа и аппаратуры.

Такой широко распространенный и хороший конструкционный материал, как дюраль, становится непригодным при скоростях полета у Земли выше М = 3. При скоростях полета более М = 4 даже такие материалы, как титан или специальная сталь, тоже становятся неприемлемыми.

На условия нагревания влияет высота полета: чем больше высота полета, т. е. разреженнее воздух, тем меньше тепла передается самолету в единицу времени.

Таким образом, нагрев самолета является серьезным препятствием для увеличения скорости полета на малой высоте. Если осуществлять полет не на малых высотах, а в стратосфере, то нагрев будет значительно меньше. Однако полет на высотах более 30—35 км становится невозможным по другой причине — плотность воздуха недостаточна для создания необходимой подъемной силы крыльев даже при полете с большими сверхзвуковыми скоростями.

При полете самолетов на малой высоте их скорость ограничивается не только кинетическим нагревом, но и величиной предельно допустимого скоростного напора

обусловливающего прочность конструкции. Дело в том, что пропорционально с увеличением q растут и нагрузки на самолет. Положение усугубляется тем, что увеличение скорости полета у Земли приводит не только к росту нагрузок, но и к снижению прочностных характеристик конструкционных материалов в связи с кинетическим нагревом.

Итак, на малых высотах скорость полета самолета ограничивается нагрузками и кинетическим нагревом, а на больших высотах полет становится невозможным из-за чрезвычайной разреженности воздуха.