Аэродинамические спектры | ТМ 1938-10

Г. ТОКАЕВ

Мы привыкли называть спектром разноцветную полоску, которую отбрасывает призма, когда через нее проходит луч света.

Но это слово имеет и другое значение.

Все тела, передвигаясь в воздушном пространстве, омываются потоком воздуха, причем происходит это по-разному, в зависимости от формы тела и от скорости его движения. Если картину обтекания тела воздушным потоком сделать каким-нибудь образом видимой, то получится спектр обтекания. Конечно, по своему физическому смыслу спектр обтекания не имеет ничего общего со спектром, который отбрасывает призма. Всегда во время аэродинамических исследований бывает очень важно знать точную форму воздушных струй, омывающих тело. Так, например, в аэродинамической лаборатории, когда производятся опыты над моделью крыла самолета, нужно точно измерить силы, действующие на эту модель. Но и подъемная сила крыла, и лобовое сопротивление воздуха, и их моменты сильно меняются в зависимости от того, в каком положении находится крыло относительно потока воздуха. Не всегда возможно определить эту зависимость посредством математики и механики. И вот тогда прибегают к помощи аэродинамических спектров, которые наиболее удобно, наглядно и просто раскрывают физическую сущность обтекания тела, а следовательно, и причину резких изменений сил и моментов крыла.

И не только при лабораторных исследованиях пользуются спектрами обтекания. Они являются еще и наглядной иллюстрацией при изучении аэродинамики. Авиационный специалист должен обладать отличным и глубоким знанием аэродинамики. А в аэродинамике, как и во многих других физических науках, опыт и наглядное изучение играют преобладающую роль. Спектры обтекания — самое важное средство наглядного изучения аэродинамики. Они помогают понять физический смысл обтекания, дают возможность «увидеть», как происходит обтекание тела.

*

Но как получить аэродинамический спектр? Ведь воздух — это прозрачное и невидимое для нашего глаза вещество. Как же сделать видимым движение воздуха вблизи тела? Очевидно, для этого прежде всего нужно сделать видимым самый воздух.

Многие исследователи работали и работают над тем, чтобы наиболее простым способом получить спектры обтекания.

В 1900 г. профессору Марею удалось получить такие спектры при помощи дыма. Он вводил в воздушный поток струйки дыма, освещая их сбоку ярким светом. При этом на экране было видно, как омывается тело воздушным потоком. Дым для этих опытов можно получать различными способами. Например, если смешать воздух, насыщенный парами соляной кислоты, с парами аммиака, то получится белый, хорошо видимый туманообразный дым, вполне пригодный для получения спектров. Марей пытался снять спектр обтекания на светочувствительную бумагу и убедился в том, что при медленном движении воздушного потока спектры получаются достаточно отчетливыми. Когда же воздушный поток двигался с большой скоростью, дым рассеивался, терялась видимость воздушного потока, и получить спектр на светочувствительной бумаге не удавалось.

Оригинальные опыты с аэродинамическими спектрами провел в 1911 г. студент бывшего Петербургского политехнического института П. А. Шишков. Он делал картину воздушного потока видимой при помощи химических реакций. Известно, что такие вещества, как метилоранж, фенолфталеин, конго, лакмус и др., меняют свою окраску от действия на них паров щелочи. Это свойство и использовал П. А. Шишков. Он пропитывал лист бумаги, например, фенолфталеином и помещал его около тела, спектр обтекания которого нужно было получить. В воздух, омывающий это тело, подводились через специальные трубочки пары соляной кислоты или аммиака. Когда воздушный поток набегал на тело, он химически действовал на бумагу, и на ней вырисовывались линии течения воздуха. По этим линиям можно было судить о том, как происходит обтекание. Однако эти опыты очень сложны и поэтому практически не имеют большого значения.

Некоторые исследователи пытались получить спектры обтекания при помощи пыли ликоподия, ламповой копоти и других веществ. Но все эти различные способы имеют общие, очень существенные недостатки. Аппаратура, при помощи которой они производятся, очень сложна. Еще более осложняет дело то, что в воздушный поток приходится вводить посторонние окрашивающие вещества. При всем этом продолжительность опыта очень невелика. Это значит, что спектры на экране получаются неустойчивые и, следовательно, изучать их трудно.

Но самым большим недостатком является то, что отчетливые спектры получаются только при очень медленном движении потока. Вот почему ни один из способов, о которых мы здесь рассказали, не нашел себе в аэродинамике широкого применения.

*

Существует еще один, совершенно отличный по своей идее способ получения спектров обтекания — так называемый тепло-теневой способ. Впервые его предложил английский ученый Тауненд. Способ Тауненда — самый лучший и простой из всех известных до сих пор. В этом случае воздушный поток становится видимым благодаря тому, что его нагревают.

Известно, что нагретый воздух становится менее прозрачным. Именно поэтому в ясный морозный день видно очень далеко, а в жаркий день горизонт как бы затягивается дымкой. Но если нагретый воздух менее прозрачен, то есть в меньшей степени пропускает лучи света, то можно получить его тень на экране. Вот на этом свойстве нагретого воздуха и основан тепло-теневой метод. Автор этой статьи проделал многочисленные опыты в аэродинамической лаборатории, которые не только подтвердили ценность тепло-теневого метода, но и наметили интересные перспективы для его дальнейшего развития.

Как же используется этот метод практически? Специальный электрический прибор — тепловой насадок — непрерывно нагревается электрическим током. Насадок в свою очередь нагревает набегающий на него воздушный поток. Если нагретый воздушный поток освещать ярким боковым светом, то на экране получится его отчетливая тень со всеми деталями движения.

Сзади теплового насадка на специальной державке устанавливают модель испытуемого тела, например крыла самолета. При этом на освещенном экране получается спектр обтекания крыла.

Точно так же можно получить аэродинамические спектры самых разнообразных тел.

Чтобы спектр обтекания был вполне четким, нужно умело выбрать форму теплового насадка. Предложенный автором этой статьи тепловой насадок не является единственно возможным, но он имеет целый ряд преимуществ (см. рисунок). Так, например, стержни отогнуты вверх для того, чтобы изоляционная вилка не оказывала какого-либо влияния на воздушный поток. А длина мостиков выбрана равной 50 мм из следующих соображений. Каждый из мостиков подогревает слой воздуха, ширина которого зависит от длины мостика. Но чем шире слой теплого воздуха, тем более четкой получается его тень на экране. Вот почему длину мостиков не следует делать меньше 50 мм.

Схема установки теплового насадка. Сзади теплового насадка на специальной державке, устанавливают модель испытываемого предмета. Насадок непрерывно нагревается электрическим током и в свою очередь нагревает набегающий на него воздушный поток. Если нагретый воздушный поток осветить сбоку ярким светом, то на экране получится его отчетливая тень — спектр обтекания тела.

Спектры, полученные тепло-теневым методом, можно снимать на светочувствительную бумагу, на кинопленку и т. д. Однако фотографирование спектров обычным способом несколько затруднено. Дело в том, что в помещении, где демонстрируются спектры, ярко освещен лишь экран, а фотосъемка, как известно, может производиться лишь при хорошем освещении. Кроме того, сам спектр состоит из бесчисленного множества вихревых движений и пульсаций. На экране эти быстрые движения видны невооруженным глазом, но заснять их обычным фотоаппаратом очень трудно. Поэтому большой практический интерес представляет создание кинофильма аэродинамических спектров. На кинопленке можно будет видеть все мельчайшие движения воздушного потока, омывающего тело. Воздушная среда станет видимой. Произведенные в этой области опыты уже дали очень хорошие результаты.

Картина обтекании тела воздушным потоком такая же, как если бы это был не воздух, а вода. Однако пользоваться водной средой не всегда удобно, так как очень трудно получить большие скорости водяного потока. Здесь показана фотографии обтекания водой модели крыла аэроплана, Над задней кромкой крыла образовалась вихревая зона. Эти вихри являются основной причиной возникновении аэродинамического сопротивлении. Фотография замечательна тем, что на ней очень четко видны завихрения потока.

Аэродинамический спектр.

Тепло-теневой метод имеет целый ряд преимуществ по сравнению со всеми другими. Схема и аппаратура его очень простые, а спектры получаются весьма четкие. Большое практическое значение имеет и то, что опыт может продолжаться неограниченно долгое время. При этом в воздушный поток не нужно вводить посторонние окрашивающие вещества.

Очень важно и то, что спектры получаются устойчивыми даже при очень больших скоростях воздушного потока.