Чому літак залишає слід в небі, наука і життя

Побачити невидиме ... Інверсійний слід, ефект Прандтля-Глоерта та інші цікавинки.

Адже ми навіть найпростіше, рух повітря, побачити не можемо. Повітря - газ, і газ цей прозорий, цим все сказано

Але все ж природа злегка зглянулася над нами і дала нам невелику можливість поліпшити фінансове становище. А можливість ця в тому, щоб прозоре середовище зробити непрозорою або хоча б кольоровий. Говорячи розумним словом, візуалізувати, пише Юрій

Щодо кольору - це ми можемо зробити самі (правда не завжди і не скрізь, але можемо), наприклад використовувати дим (краще кольоровий). А щодо звичайної непрозорості, тут природа нам допомагає сама.

Саме непрозоре в атмосфері - це хмари, тобто волога, та яка конденсувалась з повітря. Ось цей самий процес конденсації і дозволяє нам, хоч і побічно, але все ж досить наочно побачити деякі процеси, що відбуваються при взаємодії літального апарату з повітряним середовищем.

Трохи про конденсації. Коли вона відбувається, тобто коли вода, що знаходиться в повітрі стає видно. Водяна пара може накопичуватися в повітрі до певного рівня, званого рівнем насичення. Це щось типу соляного розчину в банку з водою.

Сіль в цій воді буде розчинятися тільки до певного рівня, а потім відбувається насичення і розчинення припиняється. У дитинстві не раз це пробував робити.

Рівень насичення атмосфери водяною парою визначається точкою роси. Це така температура повітря при якій водяна пара в ньому досягає стану насичення. Цьому стану (тобто цій точці роси) відповідає певний постійний тиск і певна вологість.

Коли атмосфера в якийсь її області досягає стану перенасичення, тобто пара стає занадто багато для даних умов, то відбувається конденсація в цій області.

Тобто вода виділяється у вигляді дрібних крапельок (або відразу кристалів льоду, якщо навколишня температура дуже низька) і стає видно. Якраз те, що нам і треба.

Щоб це сталося, треба або підвищити кількість води в атмосфері, що означає збільшити вологість, або знизити температуру навколишнього повітря нижче точки роси. В обох випадках відбудеться виділення зайвого пара у вигляді сконденсировавшейся вологи і ми побачимо білий туман (або щось на зразок того).

Тобто, як вже зрозуміло, в атмосфері цей процес може мати місце, а може і ні. Все залежить від місцевих умов.

Тобто для цього потрібна вологість не нижчу від визначеної величини, певна, відповідна їй температура і тиск. Але якщо всі ці умови відповідають один одному, ми можемо спостерігати іноді досить цікаві явленія.Однако про все по порядку.

Перше - це всім відомий інверсійний слід. Ця назва походить від метеорологічного терміна інверсія (переворот), точніше температурна інверсія, коли з ростом висоти місцева температура повітря не падає, а зростає (буває і таке).

Таке явище може сприяти утворенню туману (або хмар), але для літакового сліду воно по суті своїй не підходить і вважається застарілим. Зараз вірніше говорити конденсаційний слід. Ну, правильно, суть адже тут саме в конденсації.

У шлейфі газу виходить з авіаційних двигунів міститься достатня кількість вологи, що підвищує місцеву точку роси в повітрі безпосередньо за двигунами. І. якщо вона стає вище температури навколишнього повітря, то при охолодженні має місце конденсація.

Її полегшує наявність так званих центрів конденсації, навколо яких з перенасиченого (нестійкого, можна сказати) повітря концентрується волога. Цими центрами стають частинки сажі або незгорілого палива, що вилітають з двигуна.

Якщо навколишня температура досить низька (нижче 30-40 ° С), то відбувається так звана сублімація. Тобто пару, минаючи рідку фазу, відразу перетворюється на кристалики льоду. Залежно від атмосферних умов і взаємодії зі спутной струменем, що тягнеться за літаком, інверсійний (конденсаційний) слід може набувати різних, часом досить химерні форми.

Друге про що варто було б сказати, це вихрові джгути. Явище це серйозне, безпосередньо пов'язане з індуктивним опором, і, звичайно, непогано було б якось його візуалізувати.

Дещо в цьому плані ми вже бачили. Я маю на увазі наведений у зазначеній статті ролик, що показує використання диму на наземної установки.

Однак це ж саме можна зробити і в повітрі. І при цьому отримати приголомшливо видовищні види. Справа в тому, що у багатьох військових літальних апаратів, особливо у важких бомбардувальників, транспортників, а також вертольотів присутні на борту так звані пасивні засоби захисту. Це, наприклад, помилкові теплові цілі (ЛТЦ).

Багато бойові ракети, здатні атакувати літальний апарат (як класу «земля-повітря», так і класу «повітря-повітря») мають інфрачервоними головками самонаведення. Тобто реагують на тепло. Найчастіше це буває тепло двигуна літального апарату.

Так ось ЛТЦ володіють температурою значно більшою, ніж температура двигуна, і ракета при своєму русі відхиляється на цю помилкову мету, а літак (або вертоліт) залишається цілим.

Але це так, для загального ознайомлення Головне тут в тому, що ЛТЦ відстрілюються у великій кількості, і кожна з них (представляючи собою мініатюрну ракету) залишає за собою димний слід.

І, ось, безліч цих слідів, об'єднуючись і закручуючись у вихрових джгутах. візуалізують їх і створюють часом приголомшливі по красі картини. Одна з найбільш відомих - це «Димний ангел». Він вийшов при пострілі ЛТЦ транспортного літака Boeing C-17 Globemaster III.

Справедливості заради варто сказати, що і інші літальні апарати теж непогані художники ...

Однак, вихрові джгути можна побачити і без використання диму. Конденсація атмосферного пара нам допоможе і тут. Як ми вже знаємо, повітря в джгуті отримує обертальний рух і, тим самим переміщення від центру джгута до його периферії.

Це призводить до розширення і падіння температури в центрі джгута, і, якщо вологість повітря досить висока, то можуть створитися умови для конденсації вологи.

Тоді ми можемо побачити вихрові джгути на власні очі. Ця можливість залежить як від умов атмосфери, так і від параметрів самого літального апарату.

І чим більше кути атаки, на яких літає літак, тим вихрові джгути більш інтенсивні і візуалізація їх за рахунок конденсації більш імовірна. Особливо це характерно для маневрених винищувачів, а також добре проявляється на випущених закрилках.

До речі, точно такого ж роду атмосферні умови дозволяють побачити вихрові джгути, які утворюються на кінцях лопатей (які в даній ситуації є тими ж крила) турбогвинтових або поршневих двигунів деяких літаків. Теж досить ефектна картина.

Часто відбувається взаємодія вихрових джгутів з інверсійним (конденсаційним) слідом. і тоді картини можуть бути досить вигадливі.

Тепер наступне. Раніше я про це вже згадував, але не гріх сказати ще раз. Підйомна сила. Як пожартував би мій пріснопам'ятний товариш: «Та де вона. Хто її бачив? »Та вобщем ніхто. Але непряме підтвердження все-таки можна побачити.

Найчастіше така можливість надається на якомусь авіашоу. Літаки, що виконують різні, досить екстремальні еволюції звичайно оперують з великими величинами підйомної сили, що виникає на їх несучих поверхнях.
Але велика підйомна сила, найчастіше означає велике падіння тиску (а значить і температури) в області над крилом, що, як ми вже знаємо, за певних умов може викликати конденсацію водяної атмосферного пара, і тоді ми на власні очі переконаємося в тому, що умови для створення підйомної сили є ....

Однак справедливості заради треба сказати, що це явище в візуальному плані може поєднуватися з ефектом Прандтля-Глоерта (по суті справи це, вобщем-то, він і є).

Назва страшне. але принцип все той же, а візуальний ефект значний ...

Суть цього явища полягає в тому, що позаду літального апарату (найчастіше літака), що рухається з високою швидкістю (досить близькою до швидкості звуку) може утворюватися хмара сконденсировавшейся водяної пари.

Відбувається це через те, що під час руху літак як би рухає перед собою повітря і, тим самим, створює область підвищеного тиску перед собою і область зниженого після себе.

Після прольоту, повітря починає заповнювати цю область з малим тиском з довколишнього простору, і, таким чином, в цьому просторі обсяг його збільшується, а температура падає.

І якщо при цьому є достатня вологість повітря, а температура опускається нижче точки роси, то відбувається конденсація пара і з'являється мала хмара.

Існує воно зазвичай недовго. Коли тиск вирівнюється, то піднімається місцева температура і сконденсованих волога знову випаровується.

Частенько при появі такого хмари говорять, що літак проходить звуковий бар'єр, тобто переходить на сверхзвук. Насправді це не зовсім так. Ефект Прандтля- Глоерта. тобто можливість конденсації залежить від вологості повітря і його місцевої температури, а також від швидкості літака.

Найчастіше таке явище характерне для навколозвукових швидкостей (при відносно малій вологості), але може відбуватися і на відносно малих швидкостях при високій вологості повітря і на малих висотах, особливо над водною поверхнею.

Однак форма пологого конуса, яку часто мають хмари конденсації при русі на великих швидкостях проте часто виходить з-за наявності так званих місцевих стрибків ущільнення, що утворюються на великих близько-і надзвукових швидкостях.

Не можу також згадати про свої улюблені турбореактивних двигунах. Конденсація і тут дозволяє побачити дещо цікаве. При роботі двигуна на землі на великих оборотах і достатньої вологості можна побачити "повітря на вході в двигун"

Насправді не зовсім так, звичайно. Просто двигун інтенсивно всмоктує повітря і на вході утвориться деяка розрідження, як наслідок падіння температури, через якого відбувається конденсація водяної пари.

Ну і на завершення наведу ще один дуже цікавий. на мій погляд, приклад. Він уже не пов'язаний з конденсацією пара і кольоровий дим нам тут не знадобиться. Однак природа і без цього наочно ілюструє свої закони.

Всі ми неодноразово спостерігали за тим, як численні зграї птахів відлітають восени на південь, а навесні потім повертаються в рідні місця. При цьому великі важкі птахи, такі, як гуси (я вже не кажу про лебедів) летять, зазвичай, цікавим ладом, клином. Попереду йде вожак, а ззаду по косій лінії розходяться вправо і вліво інші птахи. Причому кожна наступна летить правіше (або лівіше) попереду летить. Ніколи не замислювалися чому вони летять саме так?

Виявляється це має пряме відношення до нашої теми. Птах - теж свого роду літальний апарат. і за її крилами утворюються приблизно такі ж вихрові джгути, як і за крилом літака. Вони також обертаються (вісь горизонтального обертання проходить через кінці крил), маючи за корпусом птиці напрямок обертання вниз, а за краями її крил вгору.

Тобто виходить, що птах, що летить позаду і правіше (лівіше) потрапляє в обертальний рух повітря вгору. Це повітря як би підтримує її і їй легше триматися на висоті.

Вона менше витрачає сил. Це дуже важливо для тих зграй, які долають великі відстані. Птахи менше втомлюються і можуть летіти далі. Тільки ватажки не мають такої підтримки. І саме тому вони періодично змінюються, стаючи в кінець клина для відпочинку.

Зразком такого роду поведінки часто називають канадських гусей. Вважається, що таким способом вони при далеких перельотах «в команді» економлять до 70% своїх сил, значно підвищуючи ефективність перельотів.

Це і є ще один спосіб непрямої, але досить наочною візуалізації аеродинамічних процесів.

Природа наша досить складно і дуже доцільно влаштована і періодично нам про це нагадує. Людині залишається тільки не забувати це і переймати у неї той величезний досвід, яким вона з нами щедро ділиться. Головне тут тільки не перестаратися і не нашкодити ...