книги из ГПНТБ / Киселев, С. П. Ракета в воздушном океане

Всякое беспрерывное, хаотическое движение молекул есть не что иное, как тепловое их движение. Поэтому при повышении температуры тела увеличивается скорость хаотического движения молекул; при повышении скоро­ сти хаотического движения молекул увеличивается рас­ стояние между молекулами. Так при очень сильном наг­ ревании металл переходит в жидкое состояние. При понижении давления скорость хаотического движения также увеличивается. Поэтому в горах на достаточно большой высоте, где атмосферное давление меньше, вода кипит, превращаясь в пар, не при 100° С, а при меньшей температуре, например, при 80° С. При понижении темпе­ ратуры и повышении давления расстояния между моле­ кулами уменьшаются. В технике путем понижения темпе­ ратуры и повышения давления газ переводят в жидкое состояние. Так получают жидкий кислород, азот и т. д.

Помимо описанных агрегатных состояний веществ — твердого, жидкого и газообразного, можно назвать еще одно состояние — плазменное состояние. Это четвертое состояние вещества.

Плазма— это электрически нейтральная механиче­ ская смесь положительно заряженных ионов и отрица­ тельно заряженных электронов. Положительно заряжен­ ные ноны и отрицательно заряженные электроны взаимо­ связаны и ведут себя как свободные заряды, поэтому плазма в целом нейтральна, но в то же время она явля­ ется хорошим проводником электрического тока. Состоя­ ние плазмы определяется плотностью носителей зарядов, степенью ионизации, абсолютной температурой. Плазма подвержена действию электрических и магнитных полей. Ученые сейчас работают над вопросом применения плаз­ мы в реактивных двигателях в качестве рабочего тела. Исключительно важное значение плазма имеет в созда­ нии управляемой термоядерной реакции. Основная масса Вселенной ионизирована, т. е. состоит из плазмы. Плаз­ ма образуется при высокой температуре или в результа­ те электрических разрядов в газах.

При очень больших скоростях полета некоторых типов ракет (примерно в 8 раз превышающих скорость звука), особенно в верхних, разреженных слоях атмосферы, мо­ гут возникать такие температуры, при которых образует­ ся плазма. Аэродинамические расчеты в таких условиях имеют свои особенности.

20

Поэтому изучению плазменного состояния веществ в аэродинамике уделяется большое внимание.

Некоторые физические свойства воздуха

Так как аэродинамические силы могут возникать только в атмосфере (вообще в среде газов), то ученые большое внимание уделяют изучению свойств воздуха.

Воздух обладает многими физическими свойствами. Мы познакомимся только с теми его свойствами, которые имеют существенное значение при полете летательного аппарата в атмосфере, т. е. так или иначе оказывают влияние на силы, возникающие при его движении.

Установлено, что при движении летательного аппара­ та в атмосфере на силы, возникающие при этом, серьез­ но влияют сжимаемость воздуха, его инертность и вяз­ кость.

Сжимаемость — это свойство воздуха (вообще тел) изменять свой объем, а следовательно, и плотность при изменении давления и температуры.

Вязкость — это внутреннее трение в жидкостях и га­ зах, которое проявляется при перемещении одного слоя жидкости или газа относительно другого. Если привести аналогию с твердым телом, то можно сказать, что в твер­ дом теле силы вязкости проявляются при сдвиге (среза­ ющие усилия)..При этом в твердых телах «вязкость» про­

покоя или прямолинейного равномерного движения. Это собственно и есть 1-й закон механики, открытый Ньюто­ ном, закон инерции. Мерой инертности воздуха является масса воздуха. Чем больше масса воздуха, тем большая сила необходима, чтобы нарушить состояние его покоя.

21

Но масса воздуха не является постоянной. Она уменьша­ ется с высотой, т. е. инертность воздуха с высотой умень­ шается. Инертность воздуха оценивается массовой плот­ ностью его, т. е. массой единицы объема. Естественно, чем больше массовая плотность воздуха, тем больше его инертность.

Параметры воздуха

Принципиальная разница между жидкостью и газом заключается в различной их сжимаемости. Если жидко­ сти (в технической литературе часто пишут «капельные жидкости») практически не сжимаемы, то газы («упругие жидкости») могут изменять своп объем во много раз.

При сжатии или расширении воздуха изменяются его параметры: давление, плотность, температура.

Давление. Удары огромного количества молекул воз­ духа (газов) о поверхность твердого тела воспринимают­ ся как давление. Образно говоря, молекулы воздуха сту­ чат о стенки сосуда как дождевые капли при своем паде­ нии ударяют о железную крышу. Давление — эго сила, которая действует на единицу поверхности перпендику­ лярно этой поверхности и обычно ооозначается буквой р. Давление измеряется техническими или физическими атмосферами. Единица измерения давления

В соответствии с ГОСТом 9867—61 применяется как предпочтительная Международная система единиц, в ко­ торой за единицу силы принимается ныотон — Н(1 кгс = = У,Ь1 Н). Давление же (механическое напряжение) по этой системе измеряется в паскалях (Па) — ныотоиах на квадратный метр (сантиметр) Н/м- (Н/см2).

Атмосферное давление измеряется барометрами, дав­ ление выше атмосферного — манометрами, а давление ниже атмосферного — вакуумметрами.

Чемпература. Вторым важнейшим параметром возду­ ха является температура. Ранее уже отмечалось, что мо­ лекулы воздуха совершают непрерывное хаотическое движение. Это тепловое движение, так как оно характе­ ризует степень нагретости тела. При нагревании воздуха

22

скорость хаотического движения молекул увеличивается, т. е. увеличивается степень его нагретости. А степень нагретости тела определяется его температурой. Измеряя температуру, мы устанавливаем разницу в степени наг­ ретости тел. Для измерения температуры установлено несколько шкал. В технике применяются в основном шка­ лы Цельсия и Кельвина (абсолютная шкала). Нуль гра­

Температура, отсчитываемая по шкале Цельсия, обозна­ чается °С. Температура ниже нуля называется отрица­ тельной, а выше — положительной. Нуль градусов абсо­ лютной шкалы (0 К) находится на 273° ниже пуля шкалы Цельсия (точнее 273,16°). Эта точка шкалы называется абсолютным нулем. При абсолютном нуле прекращается тепловое движение молекул, т. е. их хаотическое взаим­ ное перемещение. Так как и на абсолютной шкале рас­ стояние между точками плавления льда и кипения воды разделено на сто делений, то одни градус абсолютной шкалы соответствует одному градусу Цельсия.

Температура, измеренная термометром с абсолютной шкалой, называется абсолютной температурой и обозна­ чена К.

Плотность. Третьим важнейшим параметром воздуха является плотность. Единица измерения плотности кг/м3 — плотность однородного тела, имеющего при объ­ еме 1 м3 массу 1 кг.

Газовые законы. Уравнение состояния

В аэродинамике часто пользуются газовыми закона­ ми Бойля—Мариотта, Гей-Люссака и уравнением состоя­ ния газа.

Законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака установле­ ны экспериментальным, опытным путем; они связывают между собой параметры газов: давление, температуру, объем. З а к о н Б о й л я —М а р и о т т а гласит, что при неизменной температуре и массе газа произведение дав­ ления на объем есть величина постоянная. /;o = const, при Т и m постоянных, где р —давление; Т—температура га­

за; v —объем газа; m —масса газа-

23

Следовательно, при уменьшении давления, например, в 2 раза, объем газа увеличится в 2 раза. Этот простой физический закон был установлен опытным путем анг­ лийским ученым Бойлем и французским ученым Мариоттом.

Согласно з а к о н у Г е н-Л т е с а к а отношение неко­ торого объема газа к его температуре есть величина по­ стоянная при неизменном давлении и массе газа.

y =co n st при р и т постоянных.

Из этих частных экспериментальных законов выведен объединенный газовый закон — у р а в н е н и е с о с т о я ­ ния, которое гласит: для данной массы газа произведе­ ние объема газа на давление, деленное на соответствую­ щую абсолютную температуру, есть величина постоянная (обозначается через R), т. е.

торой для воздуха равно 29,26 кг-м/кг-град или м/град. Газовую постоянную можно рассматривать как работу сил давления, приложенных к 1 кг газа при изменении его температуры на 1°.

Пользуясь уравнением состояния, мы можем по лю­ бым двум параметрам вычислить третий.

Строение атмосферы и ее свойства

Наша Земля окружена огромным воздушным океа­ ном, простирающимся на сотни километров от поверх­ ности. Это атмосфера — газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней как единое целое.

Атмосфера является той средой, в которой происхо­ дит полет летательных аппаратов.

Без атмосферы не могли бы оторваться от Земли и летать и птицы и все виды летательных аппаратов, кроме баллистических ракет и космических кораблей. Но и для космических кораблей, возвращающихся иа Землю, атмо­ сфера играет исключительно большое значение. Поэтому в аэродинамике особое место уделяется изучению атмо­

24

сферы, ее свойств Иее влиянию на полет летательных ап­ паратов.

Познакомимся и мы насколько возможно с атмосфе­ рой, ее с 1роением и свойствами. Атмосфера состоит из механической смеси газов. В ней содержится 7б% азота, 21% кислорода, одни процент приходится на углекислый газ, водород, инертные газы (аргон, гелий, .неон п др.). Однако состав атмосферы несколько меняется в зависи­ мости от географического местоположения, высоты над Землей и ряда других факторов. Конечно, в атмосфере имеются и промышленные газы, остатки продуктов сго­ рания и т. и.

Значение атмосферы в жизни человека очень велико. Входящий в состав атмосферы кислород необходим для жизнедеятельности человека и живых организмов; азот входит в состав белков, которые являются основой орга­ нической жизни на Земле; углекислым газом питаются растения.

Атмосфера предохраняет пас от чрезмерного нагрева­ ния лучами Солнца днем и сильного охлаждения ночыо, она защищает все живые организмы от разрушительного действия коротковолнового излучения солнца и космиче­ ских лучей. Окружающий нас воздух является основным передатчиком звука.

Как высоко простирается атмосфера?

Нижняя граница атмосферы выражена четко — это земная и водная поверхность. С подъемом на высоту плотность атмосферы падает. Верхняя граница атмосфе­ ры, но последним научным данным, достигает 20 QUO км. На этой высоте имеется весьма разреженный газ. На вы­ соте 10 км плотность возАуха в 3 раза меньше, чем у по­ верхности Земли. А на высоте 100 км плотность атмосфе­ ры примерно в один миллион раз меньше, чем у поверх­ ности Земли.

Строение атмосферы, принятое международным гео­ дезическим союзом, показано на рис. 1.

Как видно из рисунка, атмосфера разделена на 5 сло­ ев, отличающихся по тем или иным свойствам: тропосфе­ ра, стратосфера, мезосфера, термосфера, экзосфера. Эти слои не имеют четко выраженных границ, их высоты из­ меняются во времени и с изменением географической ши­ роты,

25

Рис. 1. Строение атмосферы, которое примял Международный геодезический союз

Т р о по с фе р а . Это нижний слой атмосферы, прости­ рающийся в полярных областях до высоты 8— 10 км, в умеренных широтах до высоты 10— 12 км, в тропиках до

5—6 км от поверхности Земли, от 2/3 до 3/4 атмосферы сосредоточено до 10 км по высоте. В этом слое атмосфе­ ры находится почти вся влага, в нем происходят основ­ ные метеорологические явления: испарение и конденса­

26

ция водяных паров, образование туманов и облаков, выпадение осадков (дождя, снега, града), развитие гро­ зовых явлений.

Тропосфера для аэродинамиков по этим причинам представляет /наибольший интерес.

Основная часть солнечной энергии, излучаемой на Землю, поглощается земной поверхностью. Вследствие этого слои воздуха, расположенные ближе к поверхности Земли, нагреваются сильнее. Нагреваемый воздух расши­ ряется, т. е. занимает больший объем, плотность его при этом уменьшается •— воздух становится легче. Нагретый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это является причиной перемещения воздушных масс в вертикальном направлении.

Ввиду неравномерного нагрева различных участков земной поверхности и, следовательно, нагрева воздуха на этих участках, происходит перемещение воздушных масс по земной поверхности.

С подъемом на высоту температура воздуха понижа­ ется, но на некоторой высоте понижение прекращается и температура остается постоянной. Эта высота является приблизительной границей между тропосферой и следу­ ющим слоем атмосферы — стратосферой. Для умерен­ ных широт на каждый километр подъема на высоту тем­ пература понижается примерно на 6,5°. Это понижение происходит, как мы уже отметили, до верхней границы тропосферы, называемой тропопаузой.

Следует указать, что давление, плотность и другие характеристики воздуха меняются также и в зависимости от географической широты местности, времени года, су­ ток, состояния погоды. Эти изменения могут быть значи­ тельными.

С т р а т о с ф е р а характеризуется хорошей видимо­ стью, безоблачной погодой. Плотность воздуха в страто­ сфере очень мала: уже на высоте 18 км она составляет около 10% от плотности воздуха у поверхности Земли.

ние озона, что имеет большое значение для температур­ ного состояния атмосферы. Озон сильно поглощает сол­ нечные лучи. Поэтому на высоте 25—35 км начинается

27

повышение температуры и на высотах 50—60 км темпе­ ратура приближается к 0°, несмотря на большую разре­ женность воздуха.

э к з о с ф е р ы (от 1000 км и выше). Эти слои характери­ зуются дальнейшим уменьшением плотности воздуха и изменением температуры. На высоте примерно 1100 км наблюдаются полярные сияния. Слои атмосферы от 60 до 400 км сильно ионизированы.

На высотах 80— 120 км разрежение воздуха настоль­ ко велико, что он уже не может считаться сплошной сре­ дой и поэтому методы аэродинамических расчетов и их результаты иные, чем в нижних слоях атмосферы.

Для того чтобы произвести расчет аэродинамических характеристик летательного аппарата, необходимо знать параметры воздуха: давление, плотность, температуру, которые в основном н определяют его физические свой­ ства, влияющие иа величины аэродинамических сил, воз­ никающих при полете. Но это еще не все. На аэродина­ мические характеристики влияет сила и направление вет­ ра, влажность воздуха. Эти данные дают метеорологи по результатам показаний метеорологических приборов.

Параметры воздуха непрерывно изменяются во вре­ мени. Их изменение происходит не только в течение дли­ тельного времени от зимы к лету, но и в течение корот­ кого времени — днем и ночью. Параметры изменяются п

вболее короткие промежутки времени: часы и минуты.

Вверхних слоях тропосферы часто наблюдаются струнные течения воздуха, которые определенным обра­ зом влияют на аэродинамические характеристики лета­ тельного аппарата. Сильные порывы ветра над поверхно­ стью земли могут изменять силу и направление потока воздуха в течение секунд.

Как же учесть влияние атмосферных условий на по­ лет летательного аппарата?

Для этого составляют таблицы так называемой стан­ дартной атмосферы с осредиенными значениями пара­ метров атмосферы для каждой высоты. Получаются как бы идеальные значения параметров атмосферы, которые

28

не изменяются во времени, остаются постоянными, неза­ висимыми от времени года, суток.

Параметры воздуха на различных высотах определя­ ются теоретически и опытным путем. Для опытного оп­ ределения параметров применяются шары-пилоты, метео­ рологические ракеты, искусственные спутники Земли.

На практике применяется несколько стандартных ат­ мосфер.

Международная стандартная атмосфера (MCA). Па­ раметры этой атмосферы (давление, плотность, темпера­ тура и др.) считаются независимыми от времени года :: суток, от широты местности и являются результатом ос­

артиллерийской атмосфере примерно соответствует средиелетиему изменению температуры в средних шпротах нашей страны. НАА в отличие от MCA учитывает влаж­ ность воздуха и поэтому более удобна при расчетах.

Временная стандартная атмосфера 1960 г. (ВСА-60). Таблицы временной стандартной атмосферы содержат значения плотности, давления, температуры 'и другие данные, необходимые для расчетов. Такие таблицы для ВСА-60 составлены до высоты 200 км, для других стан­ дартных атмосфер — значительно ниже. Во временной стандартной атмосфере температура с высотой делится на десять слоев, в каждом таком слое температура изме­ няется под линейному закону.

В настоящее время действует с т а н д а р т н а я атмо- с ф е.р а, утвержденная ГОСТом 4401—64, как наиболее отвечающая современному уровню знаний об атмосфере.

29