Почему у нынешних самолётов стреловидные крылья?

В 1903 году братья Райт подняли свой летательный аппарат в воздух, и он набрал скорость всего около 10 километров в час. Но для того времени это было потрясающее достижение. Люди пытались научиться летать в течение несколько столетий, и члены американской семьи стали первыми, кому удалось осуществить эту мечту. Могло показаться, что до сверхзвукового полёта инженеры будут двигаться столь же неспешно, но он был достигнут менее чем за 50 лет- в 1947 году. Ещё один американец, Чак Йегер, разогнал реактивный "Bell X-1" до более чем 1200 км/ч. Чтобы это достижение стало возможным, потребовался не только очень мощный двигатель, но и крылья. Инженерам пришлось решить сотни технических задач, но помимо этого ещё и отказаться от одного из самых больших заблуждений аэродинамики. Выработанные ими решения, позволяющие сохранить целостность сверхзвукового летательного аппарата, стали основной практически для всех современных самолетов.

Первый полёт Флайера-1 17 декабря 1903 года, пилотирует Орвилл, Уилбур — на земле. Фотография Джона Т. Дэниелса со спасательной станции Килл Дэвил Хиллс, использован фотоаппарат Орвилла на треножнике. Автор: John T. Daniels
Первый полёт Флайера-1 17 декабря 1903 года, пилотирует Орвилл, Уилбур — на земле. Фотография Джона Т. Дэниелса со спасательной станции Килл Дэвил Хиллс, использован фотоаппарат Орвилла на треножнике. Автор: John T. Daniels

Поначалу достижение всё больших скоростей обеспечивалось лишь за счёт повышения мощности двигателей и прочности корпусов. Однако в какой-то момент обнаружилось, что самолеты начинают вести себя очень странно. Поначалу этот эффект вообще был замечен у пропеллеров. Это, по сути, мини-крылья, повёрнутые набок, причём движущиеся гораздо быстрее, чем те самолеты, которые они поднимают в небо. Когда их скорость превысила половину скорости звука, они внезапно перестали производить то количество тяги, которое от них ожидали авиаинженеры. Крылья после определённого порога тоже отказывались обеспечивать прежнюю подъёмную силу. Поэтому самолет, который спокойно и надёжно летал на 15% от скорости звука, мог неожиданно спикировать в землю, набрав 60% от неё.

Эту загадку никто не мог решить лет пятнадцать, пока специалист по аэродинамике Джон Стэк не обнаружил фундаментальный изъян в тех моделях и уравнениях, которые использовались для понимания движения воздуха вокруг тех или иных объектов. В 1933 году, наблюдая за испытаниями в аэродинамической трубе, он понял, что давление воздуха вокруг быстро движущегося объекта падает из-за сжатия воздуха. Вроде бы не такое уж и замечательное наблюдение, но оно разрушило один из самых старых мифов аэродинамики. Дело в том, что инженеры десятилетиями считали, что воздух в атмосфере не способен сжиматься. Они думали, что сталкиваясь с объектами, он не уплотняется, а просто обтекает их. Другими словами, они допускали изменение давления воздуха, но не его плотности.

Фотография ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе (Аэродинамическая лаборатория NASA)
Фотография ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе (Аэродинамическая лаборатория NASA)

Это заблуждение означает, что не нужно обращать внимания ни на процессы внутри воздуха, ни на то как он воздействует на предметы окружающего мира. Оно сильно упрощает вычисления, и как минимум на небольших скоростях никак не сказывается на конечном результате и безопасности полётов. Однако сначала Стэк, а потом и другие исследователи показали, что ближе к скорости звука представление о несжимаемости воздуха может иметь фатальные последствия.

Связано это, если так можно выразиться, с физикой скорости звука. Это, по сути, то, как быстро может передаваться информация между молекулами воздуха. Например, о приближающемся летательном аппарате. Когда самолет летит медленно, молекулы отталкивают друг друга раньше, чем он доберется до них. При скорости же, близкой к звуковой, у воздуха нет времени, чтобы убраться с пути, поэтому он скапливается. Это образует ударную волну, которая фактически действует как щит. Он мешает соседним слоям воздуха обтекать самолет, уменьшает подъемную силу и увеличивает силу сопротивления. Всё вместе это тормозит летящий объект.

 Дым показывает движение воздуха, обусловленное взаимодействием крыла с воздухом. Автор: Tech. Sergeant Russell E. Cooley IV
Дым показывает движение воздуха, обусловленное взаимодействием крыла с воздухом. Автор: Tech. Sergeant Russell E. Cooley IV

Поняв, что именно делает крылья и пропеллеры менее эффективными на высоких скоростях, инженеры придумали различные способы, чтобы устранить или обойти эту проблему. От стабилизаторов, которые не давали ударной волне разорвать самолет на части, до более мощных двигателей, легко преодолевавших дополнительное сопротивление. Кульминацией их работы стал прогремевший на весь мир полёт Чака Йегера. Тем не менее, чтобы запустить высокоскоростные полёты, так сказать, в серию, конструкторам пришлось кардинально пересмотреть своё отношение к форме крыльев самолёта, и изобрести то, что вы видите сегодня в каждом аэропорту.

На заре авиации большинство крыльев были перпендикулярны фюзеляжу. Благодаря этому со встречным воздухом соприкасалась максимально возможная поверхность, обеспечивая наибольшую подъёмную силу. Но на больших скоростях воздуху при такой их форме некуда деться. Он просто накапливается перед крылом, увеличивая аэродинамическое сопротивление и нагрузку на конструкцию. Поэтому инженеры придумали альтернативу - стреловидные крылья. Появившийся наклон позволил воздуху стекать вдоль крыльев, а не скапливаться перед ними.

 Стреловидность крыла (схема-чертёж)
Стреловидность крыла (схема-чертёж)

Этот вид крыльев сегодня используется повсеместно - от боевых истребителей до пассажирских авиалайнеров, при том что последние летают на дозвуковых скоростях. Во всех этих самолётах угадываются одни и те же внешние черты, похожие конструкторские решения. Потому что если что-то надёжно работает, искать новое нужно далеко не всегда.

Уникальность статьи проверена и зафиксирована на text.ru!

Вам интересно будет так же:

| Что успела сделать Япония с “лучом смерти” Николы Теслы? |

| Как морские котики с датчиками на лбу помогли изучить гигантскую полынью в Антарктике |

| Можно ли запитать двигатель космического корабля от чёрной дыры? |

Спасибо что Вы с нами и оставляете комментарии!

Оставайтесь с нами, оставляйте комментарии и свои пожелания.
Дальше ещё больше интересной информации. Подписывайтесь на канал, и Вы не пропустите интересные статьи и новости.
Делитесь с близкими, знакомым и ставьте лайки!

Источник статьи информационный сайт "О Вселенной и Космосе"