Когда я звонил в редакцию «Гори­зонтов техники для детей», разговор вдруг пришлось прервать. Над Инсти­тутом авиации, где я работаю, проле­тел довольно низко реактивный самолет. От грохота даже стекла в окнах зазвенели.
Самолет — это отличное средство передвижения. Он позволяет с боль­шой скоростью переносить на огромные расстояния пассажиров и грузы. Однако есть у него большой недоста­ток. Он производит сильный шум. А мы все знаем, как трудно бывает его выдержать. Громкие разговоры, крики, радио, пущенное на полную громкость, мешают сосредоточиться на работе, мешают учиться, отравляют отдых на лоне природы. Постоянный шум мо­жет привести к глухоте и другим бо­лезням.
Шум самолета мешает не только окружающим, но и людям, находя­щимся внутри. Поэтому его стенки по­крывают звукоизоляционным материа­лом.
Главные причины шума, вызываемо­го самолетом, — /работа двигателя и обтекание поверхности самолета воз­духом. Трудно устранить этот шум, хотя конструкторы постоянно стре­мятся сократить его. Самым тяжелым для окружения является тром, высту­пающий при определенных условиях полета. На земле слышен грохот, как при взрывах. В расположенных непо­далеку домах могут лопнуть оконные стекла и даже появиться трещины в стенах.
Прежде чем мы займемся выясне­нием механизма и причин этого явле­ния, надо сказать несколько слов о том, что такое звуковой барьер, с которым тесно связан гром. Оба эти явле- ния нетрудно понять тем из вас, кто интересуется авиацией, любит физику и знаком с ее практическим примене­нием. Конечно, в наших рассуждениях надо применить некоторые необходи­мые упрощения.
Простой опыт поможет проиллю­стрировать ход рассуждений. Бели бро­сить камень в воду, то по ее поверхно­сти начнут расходиться круговые вол­ны (см. рис. la). То же самое происхо­дит и тогда, когда палкой начнешь мешать воду.
От носа плывущей лодки (рис. б и в) тоже- расходятся волны, однако они подвержены некоторой деформа­ции по мере увеличения скорости дви­жения лодки.
Волны расходятся с определенной постоянной скоростью, что можно про­верить на опыте. Когда скорость лодки будет такой же, как скорость распро­странения волн перед лодкой образу­ется водяной вал, как бы барьер, ко­торый мешает лодке плыть. Если ско­рость лодки с мощным мотором бу­дет по-прежнему увеличиваться, вал будет как бы разрезан и образующа­яся волна, вместе с круговыми волна­ми, создаст треугольную зону, расхо­дящуюся сзади (рис. 1 б).
Аналогичные явления происходят в воздухе, окружающем летящий само­лет. Только в этом случае (волиы рас­пространяются оространственно, в трех измерениях, а не на плоской поверх­ности. Исследования показали, что воздушные вихри, вызванные летящим самолетом, и шум мотора образуют так называемые волны давления, нося­щие тот же характер, что и звуковые волны. Они расходятся с примерно по­стоянной скоростью, уменьшающейся по мере увеличения высоты. Итак, ле­тящий самолет вызывает распространение волн в виде расширяющихся сфе­рических поверхностей (рис. 2 а). Когда самолет достигнет скорости звука (1200 км/час), расходящиеся волны уплотняются перед носом самолета. Они не успевают «убежать», образуя как бы вал сжатого воздуха (рис. 2 б). Такое явление мы называем именно звуковым барьером. Перед самолетом, превышающим скорость звука, образу­ется ударная волна, фронт которой несет с собой резкий скачок давления.
Звуковой барьер связан, таким обра­зом, со значительным увеличением со­противления самолета. Для преодоле­ния этого сопротивления двигатель са­молета должен развивать очень боль­шую скорость. После превышения ско­рости распространения звука сопроти­вление, конечно, по-прежнему увели­чивается (чем быстрее летит самолет, тем больше сопротивление), однако уже не так стремительно, как в момент преодоления звукового барьера.
При малых скоростях полета явле­ние сжимаемости волн не выступает. Воздух как бы успевает разойтись, не образуя дополнительного сопротивле­ния. Необходимо здесь подчеркнуть, что сопротивление, образующееся в результате трения между воздухом и обтекаемой им поверхностью самоле­та, существует как при малой скоро­сти, так и большой. Однако при боль­ших скоростях, близких к скорости звука или превышающих ее, возникает дополнительная причина, вызывающая увеличение сопротивления, — волно­вое сопротивление. Скорость движения лодки превышает скорость распространения волн.
Давайте рассмотрим пример, пред­ставленный на рисунках 2. Он иллюстрирует слышимость самолета, кото­рый видят люди, находящиеся на зе­мле. На рисунке 2а наблюдатель, сто­ящий под деревом, услышит самолет прежде, чем увидит его над собой.
Когда самолет достигнет звуковой скорости (рис. 2 б), у него перед носом окажется звуковой барьер. Распростра­няющуюся вниз сильную ударную вол­ну наблюдатель на земле услышит как громовой раскат в тот момент, когда увидит пролетающий над ним само­лет. Исследования показали, что наи­большее «уплотнение» воздуха и свя­занное с этим образование ударной волны происходит на гребне профиля крыла. Здесь — главный источник грома.
Иногда гром бывает двойным. Это вытекает из того, что волна перескаки­вает под крыло. В таком случае (рис. 2 в) наблюдатель сначала увидит само­лет над собой, а только потом услы­шит его. Однако условия здесь иные: самолет летит со сверхзвуковой ско­ростью. Когда до наблюдателя дойдет наклонная ударная волна, он услышит гром, но на этот раз — «сверхзвуко­вой».
Иногда при повороте быстролетя-щего самолета образуется особенно > сильная волна с повышенным звуко­вым эффектом. Такое явление назы­вается гипергромом. В тот момент, ко­гда самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, начинает замедлять свой полет, идя на посадку, тоже может
образоваться гром. Конеч­но, когда гром образуется при большой высоте по­лета, он как бы «зату­хает», и его раскаты не так сильны.
Ликвидировать ударную волну и связанный с ней главный источник сопро­тивления самолета, летя­щего со сверхзвуковой скоростью, конечно, не­возможно. Ученые и конструкторы са­молетов стремятся сократить сопротив-. ление, образуемое ударной волной, придавая с этой целью самолету такую форму, чтобы его сопротивление было как можно меньше, а подъемная сила
26 Самолет достигает скорость распростра­нения звука
как можно больше. Сравни фотогра­фию современного самолета, развива­ющего небольшую скорость, и сверх­звукового самолета «Конкорд». Ты увидишь, что они сильно отличаются по форме. Это продиктовано требова­ниями аэродинамики.
Самолет с небольшой скоростью (стр. 15) имеет довольно «пузатый» фю­зеляж, в котором могут поместиться большие гру­зы, прямые длинные кры­лья и винтовые двигатели. У сверхзвукового самоле­та (стр. 15) — фюзеляж вытянутый, иглообраз­ный, реактивные двигате­ли помещены в крыльях. Самолет приобрел стреловпдную форму, что помогает ему легче рассекать воздух и преодолевать сопротивление ударных волн при сверх­звуковой скорости.
И поэтому, а такалЁИамви с тем, что огрошые самолеты Ьпри-зсмлшэтся с большой» скорость, приходится, стро­ить гцрирнш всейдальше от городов. Эти в свою очередь выэвшвст например, всего за 3,5 часа, как «Конкорд»? Ведь дорога от аэродро-gvia занимает больше часа. Развитие, современной авиации — не­легкое дело. Предстоит еще преодо­леть много трудностей, чтобы умень­шить вредное влияние самолета на окружающую среду.