От Коппа-Этчеллса до Прандтля-Глоерта

Современное авиастроение базируется на целом комплексе физических законов, без знания которых человеку никогда не удалось бы поднять в воздух объекты из дерева и металла. Но полеты самолетов и вертолетов зачастую сопровождаются явлениями, которые возникают из-за других, не предусмотренных инженерами законов физики. «Лента.ру» предлагает читателям ознакомиться с наиболее интересными и относительно редкими физическими явлениями, с которыми сталкиваются пилоты гражданской и военной авиации.

Физические эффекты при эксплуатации военной или гражданской техники проявляются по-разному: иногда они ведут к ухудшению управляемости вертолетом, а иногда — к появлению свечения вокруг законцовок лопастей при выключенных габаритных огнях. Часть подобных явлений смотрится эффектно, но к потере управляемости не ведет. Другая же часть представляет определенную опасность для пилота и пассажиров летательного аппарата, и противостоять ей неопытному летчику бывает крайне непросто.

В современном мире вертолетная техника часто совершает полеты в условиях пустыни, при посадке и взлете поднимая в воздух клубы пыли и песка. При этом законцовки лопастей вертолетов начинают светиться, образуя своеобразный «нимб» над машиной. Так проявляется триболюминесценция — эффект свечения при раскалывании кристаллических тел, в данном случае песчинок. В большинстве случаев свечение объясняется электрическими разрядами, происходящими в кристалле при деформации. Например, раскалывание кристалла сахара дает синеватую вспышку, а обрабатываемый алмаз может начать светиться синим или зеленым светом. В США триболюминесценция, наблюдаемая при взлете и посадке вертолета в пустыне, получила название эффекта Коппа-Этчеллса — в честь американских солдат, погибших в июле 2009 года в Афганистане.

Пилотам самолетов знакомо другое физическое явление, известное как огни святого Эльма. Первое документальное упоминание такого эффекта, получившего свое название в честь католического покровителя моряков, появилось в 1886 году. Это явление тогда наблюдали моряки во время грозы: на острых концах высоких мачтовых конструкций появлялись яркие светящиеся области. Речь идет о коронных разрядах, возникающих на высоких и относительно острых предметах из-за большой напряженности электрического поля в атмосфере, что чаще всего бывает перед грозой. Сегодня на флоте огни святого Эльма встречаются редко из-за конструкции кораблей, отличающихся от судов XIX века. В авиации огни святого Эльма появляются на стеклах, законцовках крыльев и статических разрядниках при пролете неподалеку от грозового фронта или через него.

Куда более распространенным физическим эффектом является образование облака позади самолета, летящего на большой, чаще всего околозвуковой, скорости во влажной атмосфере. Такое явление получило название эффекта Прандтля-Глоерта. Его суть заключается в том, что позади быстро летящего самолета возникает область пониженного давления. Температура воздуха в этой области понижается, и, когда она опускается ниже точки росы, пары воды конденсируются в мельчайшие капельки, образуя облако. Считается, что эффект Прандтля-Глоерта проявляется только в тот момент, когда самолет преодолевает звуковой барьер, однако это не так. Например, облако может образовываться и позади быстро едущего автомобиля в условиях высокой влажности. Эффект Прандтля-Глоерта возникает и при взрыве различных боеприпасов ─ конденсацию паров воды в капельки с образованием облака можно наблюдать позади ударной волны.

Нередко в авиации встречается и так называемый эффект экрана, при котором происходит плавное увеличение подъемной силы крыла и других аэродинамических характеристик самолета по мере приближения к поверхности земли. Такой эффект использовался при проектировании и создании экранопланов ─ аппаратов, способных перемещаться на больших скоростях над плоской поверхностью, как правило, над водой. При экранном эффекте низколетящий самолет начинает опираться на воздушную подушку, образуемую динамически набегающим потоком воздуха. Возмущения воздуха от крыла достигают земли, отражаются и возвращаются к крылу, в результате чего давление под аэродинамической поверхностью оказывается несколько большим, чем при обычном полете. При большой поверхности крыла крупных самолетов экранный эффект может мешать нормальной посадке.

А вот вихревое кольцо в авиации встречается реже, чем огни святого Эльма или эффект Прандтля-Глоерта. С таким физическим явлением иногда сталкиваются пилоты вертолетов. Вихревое кольцо вокруг вертолета образуется при быстром снижении с малой поступательной скоростью из-за образования турбулентных потоков воздуха, проходящего вниз через винт, отражающегося от земли обратно, а затем снова поступающего вниз через этот же винт. При попадании в вихревое кольцо резко снижается подъемная сила и увеличивается скорость снижения. Попытка же повышения мощности двигателя приводит к тому, что скорость течения воздушного потока от винта вниз только возрастает, усиливая вихревое кольцо. Считается, что именно из-за вихревого кольца «Морские котики» США в мае 2011 года потеряли один вертолет, проводя операцию по захвату лидера международной террористической сети «Аль-Каеда» Осамы бин Ладена.

Еще одним занимательным явлением в авиации считается эффект Коанда. Он получил название в честь румынского ученого Анри Коанда. Эффект представляет собой прилипание струи газа или жидкости к близкорасположенной стенке. Прилипание газовой струи происходит из-за разности давления в самой струе и области, расположенной между ней и стенкой. В авиастроении эффект Коанда используется редко. Ярким примером применения этого эффекта является военно-транспортный самолет Ан-72, в котором реактивные двигатели расположены над плоскостью крыла. Реактивная струя, вырывающаяся из двигателей, прилипает к поверхности крыла и разгоняет воздушный поток над ним. Благодаря этому увеличивается подъемная сила крыла.

В середине 1950-х годов канадская авиастроительная компания Avro Aircraft вела в интересах ВВС США разработку летательного аппарата под шифром «Проект 1794». Он имел дискообразную форму, а летать должен был именно благодаря эффекту Коанда. В основе аппарата был двигатель с ротором, создающим подъемную силу, и компрессорами для создания реактивной тяги. Создаваемые двигателем реактивные струи обтекали куполообразный корпус, что должно было создавать дополнительную подъемную силу, устойчивость «летающей тарелки» и возможность набирать большую скорость. Из-за технической сложности проект закрылся в 1961 году, а некоторые его подробности были рассекречены только в 2012-м.

Василий Сычев