вой скоростью, то на земле мы часто слышим как бы удары грома — это доходит до нас ударная волна). Поэтому при сверхзвуковой скорости сопротивление движению значительно больше.
В аэродинамике удобно измерять скорость не в метрах в секунду или километрах в час, а в отношении скорости полета к скорости звука. Эта величина называется числом Маха:
Число М=1 соответствует скорости полета около 1200 км/час, или 340 м/сек. Чем больше число М, тем сильнее проявляется сжимаемость воздуха. При небольшой дозвуковой скорости, когда число М меньше 0,7 , сжимаемостью воздуха можно пренебречь: воздух ведет себя так же, как любая жидкость. Раздел аэродинамики, изучающий обтекание различных тел воздухом без учета его сжимаемости, называется гидродинамикой, в отличие от газовой динамики, в которой учитывается сжимаемость воздуха.
Преодоление «звукового барьера», т. е. завоевание самолетами скоростей, соответствующих числу М>1, потребовало от ученых и инженеров широких исследований в газовой динамике. Они стремились уменьшить аэродинамическое сопротивление и создать как можно более плавное обтекание самолета. Сейчас летчик даже не замечает, когда самолет превышает скорость звука, а многие первые попытки получить при пикировании даже околозвуковую скорость на старых самолетах кончались катастрофой: самолет начинало бросать, он переставал быть управляемым.
Ученые продолжают искать, как еще больше увеличить скорость самолета. И тут обнаруживаются новые интересные явления.
Вот самолет подготовлен к рекордному полету. Он выглядит совсем новым, как будто и не совершили на нем множество тренировочных полетов. «Взлет разрешаю!» — передает по радио руководитель полетов, и самолет стремительно уходит ввысь. Через полчаса, когда он идет еще на посадку, уже известно: в течение нескольких минут самолет превысил скорость звука больше чем вдвое.
Знакомая во всех деталях машина подруливает к ангару. Но что это? Краска, которой написаны большие опознавательные номера, потемнела и обуглилась; сверкающая металлическая поверхность самолета во многих местах покрылась пятнами; помутнели стекла кабины
летчика. Такое впечатление, будто самолет побывал в раскаленной печи. Но ученые и инженеры ждали этого!
Сжатие нагревает газ, и он передает теплоту окружающим предметам. Поэтому, например, нагревается насос, когда накачивают велосипедную шину. То же происходит и с самолетом: при полете с большим числом М он сильно нагревается. Иными словами, преодолев звуковой барьер, самолеты встречаются с тепловым барьером. Если полет происходит в стратосфере (т. е. выше 11 км), где температура воздуха равна — 56,5° Ц, то на поверхности самолета температура может достигать:
Все материалы при нагревании становятся менее прочными. Так, у алюминия, который чаще всего применяется в конструкциях самолетов, прочность снижается очень заметно при температуре около + 200° Ц. Чтобы преодолеть тепловой барьер, будут применены новые жаростойкие материалы из металлов и полимеров (уже сейчас для самолетов начинают применять сталь и титан), но, конечно, изменится и форма самолета. Это сделают ученые и конструкторы. Если еще больше увеличить скорость полета (до числа М=10—15), температура воздуха станет такой большой, что уже необходимо учитывать изменения физических и химических свойств газов, образующиеся у самого крыла. Исследование течения воздуха при таких скоростях началось сравнительно недавно, и получены лишь первые результаты.
ЗАКОНЫ АЭРОДИНАМИКИ И ОБТЕКАНИЕ КРЫЛА
Важнейшие физические законы — закон сохранения энергии и закон сохранения массы— играют существенную роль в аэродинамике.
В простейшем случае, когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно просто. Вся энергия жидкости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется статическим давлением в воздухе. Этот закон, окончательно сформулированный швейцарцем Бернулли, указывает: если скорость жидкости растет, то давление будет уменьшаться; если она уменьшается, давление увеличивается.
68