Класс!ная физика для любознательных Библиотека по физике Класс!ная физика всегда рядом Прекрасный мир искусства Музей открытки 20 века Малая Яблоновка на реке Оккервиль Коты-рисунок, графика, живопись

добавить на Яндекс

"Что кажется нам чудом, на самом деле таковым не является!" - Симон Стевин
Но, что будет, если кота Шрёдингера засунуть в бутылку Клейна и обмотать всё лентой Мёбиуса?
Техно-шокер
Простые опыты Давай, наука! Простые лекции
Путешествие с "Класс!ной физикой" - Музей BMW в Мюнхене - читать полностью
Астрономия детям Предлагается эксперимент Физика детям

 Класс!ная физика   -  YouTube

«Класс!ная физика» - это class-fizika.spb.ru, class-fizika.narod.ru, class-fizika.ru
«Класс!ная физика» - это и библиотека по физике class-fizika.ru/bib.html

Cамолет и тепловой барьер

ПечатьE-mail

Еще в старину было замечено, что артиллерийские ядра, упав на мокрую землю, окутывались паром. Ядро нагревалось в полете. Воздух тормозил летящее ядро, и при этом часть кинетической энергии переходит в тепло.

Можно было ожидать, что  более быстрые артиллерийские снаряды будут нагреваться еще сильнее. Однако толстая стальная оболочка снаряда обладает большой теп­лоемкостью, а время его полета невелико. Он не успевает прогреться до опасных пределов. Сверхдальнобойным снарядам, которые находятся в полете не­сколько минут, нагрев также не страшен: большая часть их пути пролегает в стратосфере — там, где воздуха мало.

В наши дни до этого «теплового барьера» добрались и самолеты.
Надо заметить, название «тепловой барьер» менее удачно, чем «звуковой барьер». Когда самолет развивает сверхзвуко­вую скорость, он в самом деле как бы преодолевает некий барьер и попадает в более устойчивую область   полета, чем в зонах близких к скорости звука.

«Тепловой барьер» не имеет резко выраженной границы. Точнее было бы назвать его «тепловым возвышением», которое становится все круче и круче, или «тепловой чащей», сгущающейся по мере роста скорости.
Через «тепловой барьер» нельзя «пробиться», как сквозь «звуковой», но зато через него можно «перепрыгнуть» — летать высоко, в разреженном воздухе.

Нагрев в полете, который был не страшен артиллеристам, принес много хлопот конструкторам самолетов. Ведь время полета самолета измеряется часами, а сам самолет состоит из тонких металлических оболочек, быстро принимающих температуру   несущегося мимо него воздуха.
Те части самолета, которые встречают поток «в лоб», — нос фюзеляжа, передние кромки крыльев и оперения, — нагреваются сильнее всего, до так называемой «температуры торможения». Температура остальных поверхностей ниже  и  равна приблизительно 85%  от температуры торможения.
Чем выше скорость, тем больше температура.

Как нагревается самолет в полете?
Какие могут возникнуть проблемы?

Вещества при нагреве меняют свои свойства.
Так алюминиевые сплавы теряют свою прочность при температуре выше 140—200°. До такой температуры нагревается поверхность самолета при скорости 2 200— 2 400 км/час.

Титановые сплавы более стойкие. Они могут выдержать скорость до 3 500 км/час, при этом поверхность самолета нагреется до 450°С,  а в точках торможения - до 540°С.

Еще хуже переносят нагрев неметаллические материалы. Так, оргстекло оказалось непригодным для остекления кабины пилота уже на околозвуковых скоростях. Теперь для остекления используется специальное термостойкое авиационное стекло.

Немало пришлось поработать химикам, пока они изобрели высокопрочную пластмассу для обтекателей радиолокационных антенн на носу фюзеляжа.

Нагрев самолета может привести к тому, что закипит горючее в баках, потеряет изоляционные свойства резина, исказятся показания приборов, нарушится работа радиоаппаратуры.

Неравномерный нагрев самолета, изготовленного из разных металлов, которые расширяются при повышении температуры каждый по-своему, неизбежно вызовет в нем опасные напряжения. Поэтому сверхскоростной самолет надо проектировать так, чтобы нагревающимся частям  при расширении «было куда податься».

И как уберечь от жары экипаж и пассажиров самолета. Ведь уже при скорости полета 1 200 км/час температура в неизолированной кабине поднимается до +50 С,  и кабина  самолета превращается в «баню».

Чтобы летать со сверхзвуковыми скоростями, нужно бороться  с нагревом.
Но как?
Есть два способа: или «сделать холод», или  надеть  специальную «шубу».

Может быть, поставить на самолет  холодильник? 
Но он займет всю площадь самолета, а самое главное, что холодильник не будет работать,  ему некуда будет отводить тепло. Попробуйте рукой заднюю стенку холодильника - она горячая. Холодильный агрегат отдает воздуху комнаты тепло, «вынутое» из холодильной камеры.
А самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, окружен горячим воздухом, который «не примет» тепла, откачиваемого из самолета.

Есть другой способ «делать холод».
У кочевников-арабов есть «волшебные» глиняные кувшины, в которых вода в самую сильную жару остается холодной. Вода проникает в поры глиняной стенки, и кувшин все время «потеет».  Влага, испаряясь со стенок кувшина,  уносит с собой тепло.

Некоторые ученые  предлагали  охлаждать самолет подобным способом, продавливая охлаждающую жидкость через множество микроскопических пор в обшивке самолета; Но сложное устройство обшивки и отсутствие годных пористых материалов не позволили использовать этот метод.

Гораздо проще циркуляционное охлаждение. Однако и эта система не совершенна. Кончилась охлаждающая жидкость,  и система перестает работать.

А что, если увеличить запас холода, заливать систему перед взлетом   водо-спиртовой смесью при температуре —20°С, или поместить в бак лед, замороженный до —70°С. Летчик включил систему охлаждения. Вода потекла под обшивкой, нагрелась, попала в бак со льдом, отдала ему часть тепла и вновь побежала под обшивку. И так продолжается, пока не растает весь лед. После этого система размыкается и работает, выбрасывая воду наружу.

Но оказалось, что все эти системы решают проблему «теплового барьера» только частично, время их работы — считанные минуты, а весит же система охлаждения, например, для сверхзвукового истребителя, 1—2 т!

Другое дело тепловая изоляция.  «Шуба» самолета должна иметь два слоя. Снаружи прочная и жаростойкая обшивка, а за ней теплоизоляция — стеклянное, асбестовое волокно или пенопласт.
Наружная обшивка отдается на «растерзание» высоким температурам. Однако «растерзать» ее не так-то просто. Хотя нагрев тела, летящего, например, со скоростью 5 400 км/час, достигает 950°С, особые сорта стали могут выдержать температуру до 1 000 - 1 200°С, металлокерамика - до 1 400—1 600°С, а карбиды бора и титана — даже до 2 000°С.
Защитить внутренние части самолета от раскаленной обшивки может стеклянное, асбестовое или кремниевое волокно. При скорости 1 600 км/час самолет прогреется до  + 80°C всего за 3 мин., а с теплоизоляцией только за час.
Нос сверхскоростного самолета, очевидно, будет представлять собой длинный, тонкий шпиль. Далеко выброшенный вперед, он будет принимать на себя основной термический удар.

Однако самый верный способ избежать нагрева — летать на больших высотах, в разреженном воздухе. При полете со скоростью 5 000 км/час на высоте 6 000 м самолет нагревается до 700 С за 1,5 мин., а летя с такой же скоростью на высоте 37 000 м, лишь до 300 С и только за 30 мин.
Но даже, если сверхскоростные самолеты в основном будут летать в верхних слоях стратосферы, без тепловой защиты им не обойтись, ведь  в начале и конце полета все равно  придется пронизывать плотные слои воздуха.

Далеко вперед шагнули современные технологии, как в разработке новых конструкций самолетов, так и в создании новейших материалов для самолетостроения.  Современные сверхскоростные боевые истребители достигают скоростей  2500 км/ч  и имеют потолок подъема до 20 000м, а дальше конструкторы обещают скорость и  4000 км/ч.
Хорошо известен  созданный  в 1970-х  годах  сверхзвуковой пассажирский самолет "Concorde"   англо-французского производства,  один из двух (вместе с Ту-144) типов сверхзвуковых самолётов, находившихся в коммерческой эксплуатации. Максимальная скорость его была 2330 км/ч, а потолок 18 300м.




Прикиньте по рисунку, какие проблемы могут возникать у самолетов из-за аэродинамического разогрева на таких скоростях. В точках:
1 – размягчается плексиглас
2 – человек нуждается в защите от нагрева
3 – закипает бензин
4 - нарушается нормальная работа электро- и гидромеханизмов
5 – капрон и нейлон теряют прочность
6 - предел прочности  резины
7 – алюминий теряет 20% своей прочности
8 – раз0лагаются авиационные смазки
9 - закипает керосин
10 – плавится пайка
11 – титан теряет 40% прочности
12 – размягчается стекло
13 - предел стойкости обычной стали

В качестве основного конструкционного материала для «Конкорда» был выбран алюминий,  но его крейсерская скорость  была ограничена так, чтобы  аэродинамический нагрев наиболее теплонагруженных элементов конструкции (носовой части) не превышал 127 °C. Примерно такие же ограничения стояли и  перед советским Ту-144. Американцы, при проектировании аналогичного Boeing 2707, были вынуждены использовать жаростойкие конструкционные материалы - сталь и титан. Дополнительная проблема у них состояла в том, чтобы «совместить» тепловое расширение различных металлов, что потребовало  усложнения конструкции самолёта.
Стекла иллюминаторов «Конкорда» в процессе полёта нагревались так, что могли обжечь, в то время как стекла иллюминаторов обычного авиалайнера часто остывают до отрицательных температур.
В  крейсерском полёте «Конкорда»  максимальная температура носового обтекателя (127 С) являлась одним из наиболее важных контролируемых факторов, автопилот  даже ограничивал скорость,  исходя  из этой величины.

Борьба с тепловым барьером ясна, но впереди встает уже новое препятствие. Возможность плавного повышения сверхзвуковой скорости не безгранична, утверждают ученые. При скоростях выше 6 000 км/час из-за резких скачков давления начнется местное сжижение (!) воздуха. Видные ученые расходятся в оценке нового барьера, однако  упорные исследования позволят разгадать  и его тайны.