Практически все журналы, публикующие материалы по истории авиации и ее современным достижениям и проблемам, делают главным образом акцент на освящении материальной части – самолетов, вертолетов, ракет и других летательных аппаратов. Однако не менее интересными на наш взгляд представляются те явления, которые сопровождают их в полете. Кто зачарованно не наблюдал за высоко летящим в небесной синеве лайнером, оставляющим за собой белоснежный сверкающий инверсионный след?

Инверсионный след, образующийся в тропопаузе в результате конденсации паров воды, содержащихся в продуктах сгорания углеводородного топлива по мере их охлаждения делает видимым путь самолета в небе. В солнечные дни проведения международных авиашоу на крупнейших аэродромах мира, зрители восторженно наблюдают за групповым пилотажем истребителей, оставляющих за собой яркую расцветку шлейфов трассеров, напоминающую застывший в небе фейерверк.

Грозные следы в небе оставляет за собой ракетное оружие, выпущенное с боевых самолетов, что, к сожалению, нередко наблюдают люди в реальности и на экранах телевизоров.

В настоящей статье в популярной форме рассказывается о сложных физических явлениях, происходящих в атмосфере при взаимодействии летательного аппарата с внешней средой, о которых свидетельствуют следы в небе.

Летящий самолет оставляет за собой возмущенную область атмосферы, называемую спутным следом. Этот след образуется в основном реактивными струями двигателей и концевыми вихрями от крыла.

Наиболее заметное воздействие на окружающую среду оказывают концевые вихри, образованные крылом. Модель спутного следа (РисЛ) может быть изображена в виде листа, концы которого подвергаются скручиванию, создавая вихри. Скручивание объясняется разницей давлений на нижней и верхней поверхностях крыла. В результате перетекания воздуха из области повышенного давления на нижней поверхности крыла в область пониженного

Рис.3

давления на верхней поверхности, через его конец, образуются мощные вихри. Чем больше перепад давления и, следовательно, подъемная сила, с которой поток действует на крыло, тем больше интенсивность концевых вихрей. Окружные скорости в вихревом следе диаметром 8-15 м могут достигать 150 км/ч. На рис. 2 и 3 показан процесс образования концевого вихря (скручивание потока) на крыле истребителей Мираж 2000 и F-16C, летящих с большим углом атаки. Визуализация концевого вихря осуществлялась с помощью трассера-генератора дымного следа. Возмущения атмосферы, вызванные воздействием вихревого следа, существуют длительное время, постепенно затухая, снижая окружную скорость движения. На рис. 4 показан характер изменения окружной скорости воздуха в вихре в зависимости от времени его существования. Вихри ощутимой интенсивности могут существовать в течение более 2,0 мин после пролета самолета. Этот вихрь может оказать сильное воздействие на режим полета самолета, попавшего в эту возмущенную область атмосферы. В результате взаимодействия между собой вихри постепенно опускаются и расходятся.

Рис.5

Рис.6

Рис.7

Рис.8

Наблюдая за инверсионным следом пролетевшего самолета, мы обнаруживаем, что примерно через 30-40 секунд после пролета самолета инверсионный след начинает изменять свой вид под действием развивающегося вихревого следа. При пересечении инверсионного и вихревого следов возникают весьма замысловатые формы, имеющие вполне определенные закономерности.

В зависимости от количества двигателей и их расположения на самолете инверсионный след может быть одно-или двухполосный. (Рис. 5). На рис. 6, 7 и 8 показаны наиболее часто повторяющиеся видоизменения инверсионного следа. На рис. 6 показано скручивание инверсионного следа под'действием концевого вихря. Рис. 7 и 8 иллюстрируют более причудливые случаи взаимодействия инверсионного следа с концевым вихрем. Таким образом, инверсионный след и его трансформация фиксируют аэродинамические процессы, сопровождающие полет самолета.

При выполнении маневров на больших углах атаки (20° и более) резко меняется характер обтекания поверхностей самолета. На верхней поверхности крыла и фюзеляжа образуются отрывные области, в которых, вследствие понижения давления, возникают условия для конденсации атмосферной влаги. Благодаря этому можно наблюдать за полетом самолета и без трассеров.

На рис. 9, 9а, 96 (см. 2-ю стр. обложки) показаны истребители Су-27 и "Торнадо" в облачном ореоле, образовавшемся на верхней поверхности планера при полете на большом угле атаки. Видно также, как образовавшееся облако переходит в вихревой след крыла за самолетом Су-27. На рис. 10 показано появление вихревого жгута и области отрыва на поверхности крыла у бомбардировщика В-1А.

При проведении летных испытаний истребителей с выполнением пусков различных типов ракетного вооружения иногда приходится сталкиваться со случаями срывного течения в газо-воз-душном тракте силовой установки. Дело в том, что газовая струя ракетного двигателя имеет высокую температуру и на некоторых режимах полета может попадать в воздухозаборник двигателя самолета-носителя. Попадание горячих газов на вход в двигатель приводит к резкому увеличению температурной неравномерности воздушного потока, поступающего в двигатель. Вследствие этого в двигателе возникает срывное течение (помпаж двигателя). Помпаж характеризуется продольными колебаниями воздушного потока по тракту двигателя с выбросом пламени из основных камер сгорания.

Рис.9

Рис.10

Рис. 11а

Часто при проведении специальных испытаний, связанных с пусками ракетного вооружения, кроме специальной бортовой записывающей аппаратуры, используется киносъемка процесса с самолета-фотографа, сопровождающего самолет-носитель.

На рис.11 (см. 2-ю стр. обложки) показан пуск ракеты класса "воздух-воздух" с самолета МиГ-21бис на малых скоростях полета. На кинокадре видно, что в результате попадания горячих газов струи ракетного двигателя в воздухозаборник истребителя возник помпаж его двигателя. Виден характерный для помпажа выброс пламени из двигателя самолета. В связи с этим двигатель был остановлен. На основании изучения такого рода взаимодействия струи газов и двигателя были созданы специальные системы обнаружения, ликвидации помпажа и вывода двигателя самолета на исходный режим работы. Эти системы, наряду с другими мероприятиями, позволяют существенно расширить область применения ракетного вооружения, сохраняя устойчивую работу двигателя на всех режимах. На рис. 11а показан пуск ракеты РВВ-АЕ с истребителя МиГ-21-93.

Во время испытаний самолета МиГ-29 по дозаправке топливом, в одном из полетов произошел выброс топлива в атмосферу, вследствие нарушения герметичности топливного трубопровода. Кинокамера самолета-фотографа зафиксировала развитие этой нештатной ситуации. На рис.12, (см. 2-ю стр. обложки) показан момент начала выброса топлива.

Часть топлива при этом попала в тракт двигателя РД-33, что привело к помпажу и его остановке. Вследствие помпажа двигателя произошел выброс пламени из основной камеры сгорания против потока воздуха и воспламенение топлива, попавшего в воздушный

канал. Пламя перекинулось на всю струю топлива и под действием давления в канале вышло на наружную поверхность планера и было снесено набегающим потоком в район килей, где устойчиво протекал процесс наружного горения, пока пламя не сбило набегающей массой воздуха. На рис. 13 (см. 2-ю стр. обложки) виден огненный шар горящего топлива в зоне килей.

Двигатели современных самолетов-истребителей оснащены сверхзвуковыми регулируемыми соплами. Как правило, на форсажном режиме работы двигателя давление на срезе сопла превышает давление окружающего воздуха. На значительном удалении от среза сопла давление в струе и в атмосфере должны уравняться. По мере удаления от среза сопла давление в струе уменьшается, а скорость газа возрастает. Поперечное сечение струи увеличивается, что схематически показано на рис. 14. Газ по инерции продолжает расширяться, и в наиболее широком сечении струи давление становится ниже атмосферного. После этого струя начинает сужаться, давление в ней приближается к атмосферному, а скорость соответственно уменьшается. Торможение сверхзвукового потока приводит, естественно, к возникновению прямого скачка уплотнения. В результате в некоторой части струи скорости становятся дозвуковыми, а давление соответственно выше атмосферного. Как видно из рис.14, форма струи становится бочкообразной. Затем процесс повторяется.

Рис.16

Рис.17

Рис.18

Газовая струя имеет температуру более 2000 °К, поэтому ее свечение делает видимыми процессы, происходящие при ее истечении. На рис. 15 (см. 2-ю стр. обложки) видны области яркого свечения в тех местах струи, где образуются прямые скачки уплотнения.

При тушении пожаров на больших площадях широко применяются специальные самолеты, оборудованные системами забора и сброса больших масс воды в зону пожара. На рис. 16 показан начальный момент сброса многотонной массы воды с самолета-амфибии. На фотографии видно распределение масс воды при ее взаимодействии с набегающим потоком. Наиболее массивная часть движется по траектории, напоминающей баллистическую, меньшая часть вытекает свободно и сносится набегающим потоком. Подобное протекание процесса сброса заставляет оптимизировать в процессе летных испытаний режимы сброса воды по высоте и скорости полета для достижения максимальной эффективности применения такой схемы пожаротушения.

Рис.19

На авиационных шоу, проводимых во многих странах мира, огромный зрелищный эффект достигается при пилотаже группы самолетов, оборудованных специальными устройствами для визуализации пути самолетов в небе -трассерами. На рис.17 показан полет группы самолетов, оборудованных генераторами дыма. На рис. 18 – полет самолетов, оборудованных дымовыми шашками с компонентами окрашивающими дымный след в различные цвета.

В качестве фейерверка (рис. 19) используется одновременный залп тепловых ловушек (ложных целей, применяемых для защиты самолета от ракет с тепловыми головками самонаведения) или факельное наружное горение топлива (рис 20).

В статье использованы фотографии из архива ИЦ "ОКБ им. А.И.Микояна", Б.Кабанова, А.Саркисяна, из журналов "Авиасалоны мира" №6, "The air show guide 95/96", "Koku-fan" 2-2001, а также других изданий и сети Интернет.

Рис.20