2.14. Хвильова криза

2.14.1. Поняття про критичне число Маха

Найменша швидкість дозвукового польоту, при якій у якій-небудь точці крила швидкість потоку, що обтікає крило, стає рівної місцевої швидкості звуку, називається критичною швидкістю польоту V_кр, а відповідне їй число Маха польоту — критичним М_кр. Подальше збільшення М > М_кр сприяє утворенню місцевих надзвукових зон, що закінчуються стрибком ущільнення. При М > М_кр наступає дуже небезпечне явище, зване хвильовою кризою.

Академік С. А. Христианович встановив залежність М_кр від величини розріджень над крилом і показав, що М_кр залежить від геометричних характеристик профілю крила. Чим більше відносна товщина профілю і відносна кривизна профілю , тим більше розрідження над крилом і менше М_кр.

Для кожного літака критичне число Маха має цілком певне постійне значення. Так, наприклад, для літака Ту - 154 М_кр = 0,88, а для Ан - 24 М_кр = 0,7. Критична швидкість польоту V_кр, яка для літака є максимально допустимою, непостійна і залежить від висоти польоту.

V_{max н} = V_кр = М_кр·а_н,

де V_{max н} - максимально припустима швидкість польоту на висоті Н;

а_н - швидкість звуку на висоті Н.

Чим більше висота польоту, тим раніше (при меншій швидкості польоту) швидкість течії повітря, що обтікає літак, досягає значення місцевої швидкості звуку, і наступає хвильова криза.

Для вимірювання числа М польоту на всіх швидкісних літаках, що здійснюють політ на великій висоті, відповідно до вимог ІКАО (Міжнародна організація цивільної авіації) встановлені спеціальні прилади - покажчики числа М (МС-1). Критичне число М для даного літака відмічене на шкалі приладу червоною рисою. При наближенні стрілки до цієї риси загоряється сигнальна лампа.

2.14.2. Фізична суть і наслідки хвильової кризи

Струйки потоку при обтіканні літака деформуються. Тому місцеві швидкості руху повітря над крилом, ліхтарем кабіни і іншими надбудовами значно перевищують швидкість польоту (рис. 2.56).

Рис. 2.56. Хвильова криза.

Струйка, що обтікає верхню поверхню профілю крила, спочатку зменшує, а потім збільшує площу свого поперечного перетину. Поздовжній розріз струйки нагадує сопло Лаваля. При досить великій швидкості польоту, швидкості повітря в найменшому (критичному) перетині струйки досягають місцевої швидкості звуку (рис. 2.56, а). Якщо з'єднати критичні перетини струйок, в яких швидкість досягає значення місцевої швидкості звуку, отримаємо „звукову лінію” 1.

При V > V_кр і числі Маха польоту більше М_кр на крилі утвориться вже місцева надзвукова зона, що починається від звукової лінії й замикається місцевим стрибком ущільнення 2. Пояснюється це тим, що швидкість польоту літака менше швидкості звуку, і за крилом швидкість потоку теж стає дозвуковою. Перехід же від надзвукових швидкостей до дозвукових швидкостей можливий тільки через стрибок ущільнення.

Оскільки місцевий стрибок ущільнення — прямий, перпендикулярний струйкам, то швидкість потоку за ним стає дозвуковою. Іноді через потовщення межового шару, при переході від ламінарної течії до турбулентної, утворюється додатковий косий стрибок ущільнення (як при обтіканні внутрішнього тупого кута). Косий стрибок ущільнення з'єднується з місцевим прямим стрибком ущільнення, утворюючи лямбдаподібний стрибок (рис. 2.56, б).

Явище утворення в загальному дозвуковому потоці, що обтікає літак, місцевих надзвукових зон і місцевих стрибків ущільнення називається хвильовою кризою.

Хвильова криза якісно змінює обтікання крила і викликає перерозподіл тисків за його профілем (рис. 2.57, а), у результаті чого змінюється величина аеродинамічних коефіцієнтів, переміщається центр тиску, порушуються рівновага, стійкість і керованість літака. Через поздовжні коливання стрибка ущільнення (зсувів вперед та назад) і хвильового зриву потоку виникають вібрації.

Рис. 2.57. Перерозподіл тисків за профілем крила при хвильовій кризі й хвильовий зрив потоку.

Хвильовий зрив потоку розвивається в результаті взаємодії місцевого стрибка ущільнення з межовим шаром (рис. 2.57, б). У місцевій надзвуковій зоні межовий шар ділиться на дві частини — дозвукову 1 і надзвукову 2. Дозвукова частина межового шару відокремлює стрибок 3 від поверхні крила. Через різницю тисків за стрибком і перед ним у дозвуковій частині межового шару виникають зворотні течії 4.

Це викликає „набухання” межового шару і його відрив від поверхні крила. Хвильовий зрив потоку, впливаючи на оперення літака, викликає небезпечні коливання, звані швидкісним бафтингом.

Хвильова криза - явище дуже небезпечне і допускати його в польоті не можна.