Kvant. Полет строем
Вышинский В. Почему они летят строем // Квант. — 2006.— № 3. — С. 30-31.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Мой дед рассказывал, что солдаты во время долгих ночных переходов умудрялись спать на ходу в строю... Они делали это по очереди, опираясь на соседа. Может быть, именно поэтому птицы, совершая дальние перелеты, соблюдают строй, летя «пеленгом» или «клином»? Наверное, в этом есть резон, однако имеются и другие причины.
Известно, что птицы экономят энергию при полете строем. Действительно, данные телеметрии показывают, что в этом случае частота сердечных сокращений снижается по сравнению с одиночным полетом. Об этом же говорят и данные летных экспериментов при полете самолетов «пеленгом», когда, например, левое крыло последующего самолета находится в восходящем потоке правого концевого вихря предыдущего самолета. Так, при полете истребителей с интервалом около 90 м экономия топлива второго самолета из-за снижения сопротивления составляет 10 - 20% (в зависимости от высоты полета), что позволяет увеличивать дальность полета второго самолета на 180 - 230 км. Специалисты NASA работают над проектом, в котором автоматическая система управления, используя глобальную спутниковую позиционную систему, позволяющую определять положение самолета с точностью до 10 см, должна формировать устойчивый строй самолетов.
Для объяснения физики явления сначала отметим тот факт, что в ядре вихря давление падает и это падение давления может быть весьма существенным. Оно организует вращательное движение воздуха, являясь источником центростремительной силы. Смерч (торнадо) поднимает автомашины, срывает крыши с домов, а вихревой след самолета подобен двум горизонтальным торнадо. Такое образное сравнение придумали американцы, которым, в силу особенностей природных условий, часто приходится иметь дело со смерчами в обыденной жизни. Разрежение в ядре вихря можно «увидеть». Всплеск весла — и от кромок его лопасти отходит пара вихрей. В их центрах падение гидростатического давления приводит к образованию воронок на воде.
Теперь поговорим о вихревой системе самолета. При определенных условиях на большой высоте виден вихревой след самолета. Он может быть «живым», и вы видите, как он извивается. Это происходит тогда, когда частицы, «трассирующие» след, движутся вместе с вихрями. Бывает и так, что вихри, сформировав след, уходят вниз, а след долго сохраняется в атмосфере, «курчавясь» под действием атмосферной турбулентности. «Трассером» является водный конденсат продуктов сгорания двигателей. Вихри, имея разрежение в ядрах, засасывают в себя микрокапли этого конденсата, делая след видимым.
Вихри в следе за крылом имеют противоположные направления вращения: правый (если смотреть сзади на пролетевший самолет) вращается против часовой стрелки, левый — по часовой стрелке (рис.1). Вихри не могут просто так обрываться в атмосфере — они либо заканчиваются на твердой поверхности, либо уходят на бесконечность. Вокруг крыла организуется циркуляционное движение, такое, что в первом приближении его вихревую систему можно смоделировать П-образным вихрем (рис.2). Крыло как бы разрезает атмосферу, оставляя «надрез» в виде пары вихрей. При этом создается дополнительная сила сопротивления. Работа против этой силы равна кинетической энергии порожденного вихревого движения.
Есть различные экспериментальные устройства, снабженные измерительными приборами, которые позволяют измерять поля скоростей и давлений. Так, в аэродинамических и гидродинамических трубах движется поток, а исследуемая модель и измерительное оборудование неподвижны. В скоростных трассах, гидроканалах и катапультных установках модель движется в неподвижной среде, а измерители установлены на модели или в контрольном сечении (пример дымовой визуализации приведен на рисунке 1). Есть еще летный эксперимент, но он дорог и не всегда безопасен. Иногда удается провести исследования «даром» — надо только быть достаточно любознательным и иметь под рукой фотоаппарат, а интересное можно увидеть, например, даже в кино (рис.3; здесь отчетливо видно вращательное движение воздуха в следе за правым крылом). Опыты и наблюдения расскажут очень многое пытливому исследователю: качественно все процессы, связанные с образованием подъемной силы, можно увидеть вооруженным или невооруженным глазом.
Итак, заменим вихревую систему самолета П-образным вихрем (такая упрощенная схематизация использовалась на заре авиации, используется и сейчас в учебных курсах на начальном этапе изучения аэродинамики самолета). Наличие свободных вихрей приводит к скосу потока в области крыла (в нашей схематизации — присоединенного вихря) и к повороту вектора аэродинамической силы \(~\vec F\) на некоторый угол α (рис.4). Теперь уже сила не перпендикулярна набегающему потоку, а имеет составляющую \(~\vec X_i\) против направления полета, которая называется индуктивным сопротивлением. Чем интенсивнее свободные вихри и чем меньше размах крыла, тем больше скос и выше индуктивное сопротивление.
Посмотрим теперь, что происходит, когда самолеты находятся в возмущенном потоке. Если самолеты расположены «пеленгом», то скос потока в области конца крыла последующего самолета будет меньше, а значит, индуктивное сопротивление на этой части крыла будет ниже.
Предлагаем читателю самостоятельно рассмотреть случай полета «клином» — здесь выигрыш будет достигаться для двух последующих самолетов.
