Нестандартные решения и новый тип полета, штурм трех скоростей звука и ударно-волновая газодинамика – все смешалось в этой истории о том, как летал один из самых необычных сверхзвуковых самолетов.
Сверхзвуковой бомбардировщик XB-70 «Валькирия», созданный американской аэрокосмической компанией North American Aviation, совершил свой первый полет 21 сентября 1964 года. В США обозначение «X» принято для экспериментальных самолетов, а индекс «B» классифицирует машину как бомбардировщик (bomber).
Одно из необычных конструкторских решений самолета видно на снимках: в сверхзвуковом режиме полета концевая треть крыла опускалась вниз, что позволяло значительно увеличить подъемную силу. Чтобы понять, как это получалось, придется совершить краткую экскурсию в область сверхзвукового обтекания. Итак, как же возникает подъемная сила в полете и что необычного было в подъемной силе «Валькирии» в отличие от других сверхзвуковых самолетов?
Звук – это упругие колебания в виде несильных сжатий и разрежений воздуха, распространяющиеся посредством движения молекул газов. Движения воздуха, образуемые простым бегом молекул, например расширение, растекание, обтекание, не могут происходить быстрее звука. Если тело перемещается медленнее звука, толкаемый телом воздух успевает растекаться во все стороны.
Воздух и сверхзвук
Перед телом, летящим быстрее звука, воздух уже не успевает растекаться в стороны со своей – звуковой – скоростью.
Сверхзвуковое тело нагоняет и трамбует разбегающийся воздух, не давая ему расступаться. Поэтому на сверхзвуке сжатие вокруг тела становится значительным, что приводит к многократному уплотнению воздуха. Оно происходит на особой границе в потоке – скачке уплотнения.
Сверхзвуковое сжатие проявляется в двух формах. Первая – это волна: кратковременное уплотнение воздуха с последующим расширением. Сжатие воздуха здесь многократное, гораздо более сильное, чем при обычных звуковых колебаниях. Тесная связка «сжатие-расширение» свободно распространяется в воздухе на большие расстояния в виде сверхзвуковой ударной волны.
Другая форма сжатия – поток. За скачком уплотнения воздух у поверхности сверхзвукового тела остается сжатым. Он струится по поверхности непрерывным плотным потоком: он либо все время поджимается набегающим под углом атаки воздухом, либо просто не успевает расшириться за время обтекания. Сжатый поток течет и в разных ограниченных пространствах – газодинамических каналах и проточных частях, воздухозаборниках и соплах.
Все это сильно меняет картину обтекания по сравнению с дозвуковой. На сверхзвуковом теле возникает скачок уплотнения, который расходится в потоке позади тела, образуя конус Маха. Он есть на всех передних точках и кромках – носовом обтекателе, передних кромках крыла, килях, воздухозаборниках. Дальше от самолета скачок уплотнения создает ударную волну, а у поверхности оставляет за собой поток сжатого воздуха, который и дает подъемную силу в сверхзвуковом полете.
У дозвуковых летательных аппаратов подъемная сила возникает при обтекании профиля крыла, а также за счет угла атаки – небольшого угла, с которым плоскость крыла встречает набегающий поток. Профиль крыла для дозвукового полета сверху более выпуклый.
Обтекающий эту выпуклость воздух ускоряется, его давление снижается, в итоге возникает местная зона разрежения, которая «подсасывает» крыло кверху. Перепад давлений между нижней и верхней частью крыла направлен вверх и образует подъемную силу.
При сверхзвуковом обтекании картина меняется. Воздух, не успевая разбегаться вокруг крыла, сжимается его клиновидной передней кромкой. Верхняя часть крыла встречает набегающий поток с очень небольшим углом атаки, слегка уплотняет его и обтекается этим сжатым воздухом. В разрежение он переходит лишь на наиболее толстой части крыла, на выпуклости которой поток поворачивает вниз, к задней кромке. В это местное разрежение течет сжатый спереди крыла воздух, «подкачивая» и ослабляя его. Разрежение в сверхзвуковом полете занимает лишь заднюю часть крыла, а потому дает меньшую часть подъемной силы.
Главное действие разворачивается на нижней поверхности крыла, расположенной под углом атаки к набегающему потоку. Здесь возникает сплошная зона сжатого воздуха, образуемая сверхзвуковым вклиниванием крыла в воздушную массу. Столкновение воздуха с наклонной поверхностью уплотняет его. Не успевающий расширяться воздух течет сжатым потоком по низу крыла, образуя зону высокого давления.
Так на крыле сверхзвукового самолета проявляются обе формы сверхзвукового сжатия – расходящаяся ударная волна и сжатое течение вокруг крыла. Высокое давление сжатого снизу воздуха толкает крыло вверх, становясь главной частью сверхзвуковой подъемной силы. Она создается основным газодинамическим эффектом снизу крыла – сжатием потока на нижней поверхности.
Как оседлать волну
В классическом сверхзвуковом полете ударная волна, образующаяся на всех передних кромках летательного аппарата, играет, скорее, негативную роль.
Она отнимает у самолета ощутимую часть энергии движения и уносит ее в окружающее пространство. Для снижения потерь от ударной волны нос сверхзвуковых самолетов делают заостренным, как и скошенные передние кромки крыльев, килей и воздухозаборников. Однако, если суметь направить ударную волну на нижнюю поверхность самолета и удержать ее там, она приложила бы свое высокое давление в месте контакта с поверхностью, что увеличило бы подъемную силу самолета. Такая попытка предпринималась в середине ХХ века.
Наработанный опыт и данные, полученные в ходе летных испытаний ХВ-70, использовались при создании серийного сверхскоростного самолета-разведчика Lockheed SR-71. Однако опускание концов крыльев не применялось из-за опасности отказа механизма. На SR-71 использовали широкие аэродинамические наплывы фюзеляжа.
Задача увеличения сверхзвуковой подъемной силы стала ключевой при проектировании американского стратегического бомбардировщика во второй половине 1950-х годов. Новый самолет должен был летать на большие расстояния с невиданной скоростью М=3: настолько быстрый полет затруднял перехват машины и сокращал время до цели. Однако для долгих перелетов требовалось снизить расход топлива. Уменьшить потери на аэродинамическое сопротивление планировалось двумя путями. Во-первых, огромной высотой полета – порядка 25 км, поскольку плотность воздуха там в 30 раз меньше, чем на уровне моря. Во-вторых, максимально используя все, что могло увеличить аэродинамическое качество самолета.
Аэродинамическое качество – ключевая характеристика летательного аппарата, показывающая, насколько хорошо телом создается подъемная сила и сколько потерь в виде неизбежного аэродинамического торможения при этом возникает.
У самолетов, за редкими исключениями, качество в дозвуковом полете обычно намного выше сверхзвукового. При переходе на сверхзвук качество снижается из-за дополнительных волновых потерь (тех самых конусов Маха) и зон сверхзвукового сжатия, где кинетическая энергия самолета расходуется на работу по непрерывному уплотнению потока. Увеличение сверхзвукового аэродинамического качества конструкции самолета позволяет уменьшить в полете угол атаки для сжатия воздуха снизу крыла. А значит, при этой же подъемной силе можно снизить аэродинамическое сопротивление, сокращая расход топлива и увеличивая дальность полета.
Скорость «Валькирии» (М = 3, для высоты 25 км это 885 м/с, быстрее пули армейской снайперской винтовки Драгунова) – настолько высока, что угол конуса Маха, расходящегося от носа самолета, составляет всего 38 градусов. Столь узкий конус ударной волны попадал бы на передние кромки концов крыла, создавая в этом месте тормозящее давление и дополнительный нагрев и так раскаленных до 330°C кромок. За счет сверхзвукового нагрева передних частей конструкции «Валькирия» излучала в переднюю полусферу столько же тепла, сколько назад соплами шести реактивных двигателей.
И конструкторы пошли на необычный шаг. Они сделали концевую треть крыла отклоняемой в полете вниз, на 65 градусов от плоскости основной части. Это позволило убрать наклоненные концы крыла внутрь конуса Маха, создаваемого носовой частью самолета, и вывело кромку крыла из-под действия ударной волны, снизив силу сопротивления и тем самым улучшив аэродинамическое качество самолета.
Но одновременно с наклоном концов крыла их подъемная сила разворачивалась в стороны, оставляя в вертикальной составляющей самолета только 40%. То есть часть подъемной силы, создаваемой концами, при наклоне снижалась в 2,5 раза. При этом наклоненные края крыльев увеличивали сверхзвуковую подъемную силу самолета парадоксальным способом – волновым.
От передних кромок концов крыла, наклоненных на 65 градусов ниже горизонта, ударная волна клином расходилась в стороны, наружу слегка вверх и внутрь слегка вниз. Наружная волна уходила в окружающее пространство, постепенно сливаясь с общим конусом Маха позади самолета. А внутренняя ложилась косой линией под основной неподвижной частью крыла. При скорости М=3 узкий угол Маха придавал этой линии наибольшую длину, протягивая ее по крылу до сопел двигателей, увеличивая площадь и вклад волнового давления в подъемную силу. Дополнительную подъемную силу создавал также конус Маха, отбрасываемый вертикальными боковыми кромками воздухозаборников и тоже ложившийся на низ крыла. В итоге с низом самолета соприкасались две полосы волнового давления, складываясь в V-образную фигуру, лежащую острием за соплами двигателей. Эти полосы своим высоким местным давлением порождали добавочную подъемную силу и повышали аэродинамическое качество на сверхзвуковом режиме полета.
ХВ-70 «Валькирия» при скорости М = 3 за счет ударной волны создавала около трети всей сверхзвуковой подъемной силы. Она стала единственным самолетом, который использовал подъемную силу от ударной волны, практически каталась на этой волне. А опущенные вниз концы крыла работали также добавочными килями, увеличивая курсовую устойчивость самолета в разреженном воздухе стратосферы.
Вместо привычного керосина шесть турбореактивных двигателей самолета работали на пентаборане. Молекула этого экзотического вещества, относящегося к классу бороводородов, состоит из пяти атомов бора и девяти атомов водорода (В5Н9). Несмотря на высокую токсичность, пентаборан намного превосходил обычные авиационные углеводородные топлива и потому использовался для повышения тяговых характеристик двигателей «Валькирии». А за характерный зеленый цвет форсажного огня его окрестили «зеленым драконом».
По мере выполнения программы испытаний с постепенным увеличением высоты и скорости на ХВ-70 нарабатывались данные о полете с большим числом Маха, в том числе на М = 3, на которой обе построенные «Валькирии» налетали в совокупности 1 час 48 минут. Но 8 июня 1966 года случилась катастрофа. Истребитель, летевший рядом, столкнулся с XB-70 №2, сначала зацепив конец крыла бомбардировщика, а потом оторвав ему кили, после чего загорелся сам. Без килей «Валькирия» вошла в плоский штопор и упала. Один из ее пилотов погиб на месте от перегрузок, другой сумел катапультироваться, но приземлился неудачно и больше никогда не летал; пилот истребителя также погиб. Оставшийся XB-70 №1 передали НАСА, впоследствии на нем был выполнен ряд экспериментальных полетов. В последний раз самолет поднялся в воздух 4 февраля 1969 года – и остался на вечной стоянке в Национальном музее Военно-воздушных сил США в штате Огайо.
Тем не менее идея катания на ударной волне не забылась. Через полвека ударная волна на поверхности аппарата снова стала создавать подъемную силу. Но не путем местного, локального падения волны отдельной линией, полосой или иероглифом на днище. Сегодня проектируются гиперзвуковые аппараты, у которых вся поверхность обтянута сплошной ударной волной, объединившейся с пограничным слоем. Но это уже совсем другая история.
