Размышления

Редакция получила письмо от ученика 9-го класса Новомосковской средней школы № 7 Евгения Павленко. Вот его сокращенное содержание:
«Уважаемая редакция… Высылаю вам страницу ж. «Популярная механика» № 4 за этот год и прошу вас объяснить мне, как можно было сделать такой непонятный и интересный снимок. И нет ли здесь технического розыгрыша или, извините «прикола». Или зачем им брать с большой неправдой снимок из Интернета?
Я уже построил несколько летающих авиамоделей, читаю авиационно-технические книги. И думаю, что снимок «Противовоздушный ангел» и его объяснение не совсем правильные, потому что его нам не смог разъяснить даже наш учитель физики, который проходил службу в армии в войсках ПВО. Он много знает, и всегда мог ответить на любой наш технический вопрос кроме этого.
Буду ждать Вашего ответа.
Женя Павленко.
Иллюстрация к размышлению
Уважаемый Евгений!
Хочу тебе сказать, что характер, художественный замысел и композиция этого снимка нордические (т.е. определенной географической ориентации).
Иллюстрация и её символическое «ангельское» оглавление предназначены для формирования запрограммированных, не научно-технических, а наукообразных идеологических убеждений. Потому что здесь умышленно искажены композиция и информационный повод снимка. В этом его недостаток для позитивного научно-технического и патриотического восприятия молодежной аудиторией.
И действительно, на снимке «дымный ангел» (Рис. 1) сержанта ВВС США Р.Кули транспортный самолет С-17, созданный в девяностые годы,  изображен на заднем плане и ниже вихревого следа. Таким образом, этот самолет никакого отношения к «дымному ангелу» не имеет, также как и его скромные технические данные.
Вот новый сенсационный, журнальный, но правдивый, вариант этого снимка, который мог бы сделать прапорщик ВВС России И.Петров из задней кабины стрелка-радиста самолёта Ил-76.
На этом снимке (Рис. 2) на переднем плане выше вихревого следа летит самолёт Ан-124 «Руслан», созданный в начале восьмидесятых годов (1982 г.). Он может взять на борт 150 т, т.е. два танка Abrams. Или один танк вместе с самолетом С-17 в своем фюзеляже. АН-124 создал бы именно такой вихревой след, находясь от него в строго определенном месте. Тогда Ил-76 летел бы впереди, слева (за кадром). Для наглядности показан вихревой след (Рис. 3) гражданского дальнемагистрального самолета с двумя ТРД. Иначе, создается впечатление, что  иллюстрация «дымный ангел» побывала в фотошопе.
Тогда каким же образом была создана в небе эта фантастическая композиция?
Ведь турбины двигателя, как указано в тексте, ничего подобного создать не могут. Любой авиационный двигатель (поршневой, турбореактивный, прямоточный и т.д.) может создать в атмосфере только инверсионный след и только на большой высоте. Этот самолетный след – белоснежные длинные облачные дорожки, которые тянутся за его двигателями.
Инверсионный след это конденсировавшаяся  с помощью выхлопных газов двигателя атмосферная влага, превратившаяся в пар, в рукотворные облачные дорожки в небе. А на высоте показанной на снимке инверсионного следа нет и  быть не может. Нет его и у летящего следом самолёта С-17.
Если бы глаза «Дымному ангелу» изваяли бы двигатели С-17, то его глаза должны были бы раздваиваться. Ведь двигателей на В-17 не два, а четыре.
В действительности же такую картину в небе «рисует» вихревой след созданный летящим самолётом. Но для его визуального изображения нужны видимые глазу частицы в воздушном потоке. Туман, снегопад, облака, снежная пороша на взлетно-посадочной полосе (при взлёте и посадке самолёта) или дым. Здесь это главное.
Конечно, табачный дым хорош для визуализации вихревого кольца. И опытный курильщик с одной затяжки может направить в потолок несколько красиво развивающихся дымных колец – одноглазых «дымных ангелов». Но для скорости около 800 км/ч табачный дымогенератор, конечно, не эффективен. Надо сказать, что шестьдесят лет тому назад для противодействия самолетным радиолокационным прицелам и самонаводящимся ракетам класса «воздух – воздух» стали применять ложные цели, пиротехническим способом выбрасываемые с борта атакуемого самолета, которые самое широкое применение получили для борьбы со средствами ПВО при локальных военных конфликтах. Тогда появились портативные  ракетные снаряды класса «земля – воздух» типа «Рэд Ай», «Стингер». Так ракета с крыла самолета переместилась на плечо моджахеда. Теперь все самолеты и вертолеты стали уязвимы от переносных средств ПВО на малой высоте, а особенно на взлете и посадке.
Например, в СССР на самолётах Ан-24 устанавливались унифицированные кассеты ЭКСР-46 для индивидуальной защиты самолёта от ракет с различными типами головок самонаведения (см. Техническое обслуживание самолёта Ан-24, М.Маш. 1970 г., кн. 4, стр. 176). Устройство состояло из кожуха, блока стволов и магазина. Начиная с восьмидесятых годов практически на всех самолётах и вертолётах стали устанавливаться устройства защиты летательных аппаратов АПП-50 (см. Приложение и фото…).  Это устройство состоит из блока унифицированных кассет, каждая из которых имеет три патрона с различными видами помех. Средства защиты АПП-50 были разработаны в НПП «Горизонт» и до перестройки выпускались на БМЗ (Бендерский механический завод, Молдавия). После перестройки БМЗ успешно выпускает металлоконструкции для мебельной промышленности.

АПП-50 поставлялись в Китай, Индию и другие страны, в которых эксплуатировались наши самолёты. В Китае АПП-50 производятся серийно.
И в США на вооружении стоят такие же бортовые средства защиты от ПВО, разбрасывающие ложные цели различного типа.
На рис. … показан отстрел транспортным самолётом США С-130Н «Геркулес» ложных инфракрасных целей-ловушек. Особенности движения воздушного потока за самолётом создают здесь фантастическую картину, которую назвали «Крылья ангела».
Кратковременность горения ИК ловушек и малая интенсивность дымообразования не обеспечивают длительной визуализации и фиксации полной картины движения воздушного потока за самолётом. Поэтому, быть может, кто-то в ВВС США, на досуге направляя в потолок одноокие кольца табачного дыма подумал, «а что если в унифицированные кассеты вместо ложных целей установить дымовые шашки. Тоже будет, что показать развивающимся странам. И дать через Интернет. А терминологию и любую возможную трактовку этого процесса нам гарантирует свобода слова».
Это очень трезвая мысль, чтобы визуализировать траекторию разброса ложных целей. Ведь получилась, в отличие от предыдущей картины «Крыльев ангела», полная иллюстрация спутного следа пролетевшего самолёта. «Вот какая загогулина вышла, понимаешь», как говорил Б.Н. Ельцин. И действительно, вышел глазастый пучок дыма с бородой, глаза которого, скорее всего, подведены с помощью фотошоповой косметики.
Этот «причудливый» дымный след был создан одновременным отстрелом из унифицированных кассет сорока восьми дымовых шашек. На снимке видно, что продолжительнсоть горения и интенсивность их дымообразования в 3 – 4 раза выше, чем у ИК целей-ловушек.
Если внимательно пересчитать концы дымных рукавов, то окажется их 12 с правого борта (четыре блока кассет по три заряда) и с левого борта ровно столько же. Отстрел этих шашек производился горизонтально, а с потерей скорости они стали падать под углом к вертикали.
Дымовые шашки, формирующие бороду, отстреливались вертикально вниз. Двенадцать с правого борта и столько же вниз с левого. Вот и получилось в наличии 48 концов в воду на весь фотовернисаж на фоне гор и океанского залива.
Причем заряды отстреленные вертикально попали в воздушный поток отклоненный крылом самолёта вниз. Их скорость выше и они пролетели большее расстояние, чем шашки выброшенные горизонтально. Дым от горизонтально летящих шашек попал в вихревой след от концевых участков крыла, был закручен вихревым потоком, изваявшим глаза пучком.
Однако, оставим «весёлые картинки» и рассуждения не по существу для журнала «Популярная механика».
Тем более что иллюстрация из журнала для нас лишь повод к размышлению.
Нас интересует физическое объяснение процесса формирования фантастического изображения в небе и тех аэродинамических явлений, которые с помощью дымовых шашек становятся видимыми.
Если сравнить изображение «дымного ангела» с фото спутного следа магистрального самолёта (Рис. 3). Можно заметить их полную идентичность. Магистральный самолёт пролетел над верхней границей облака и сопутный след его из облачной массы «изваял» пространственную картину движения воздушного потока за самолётом. Это естественная объемная картина движения воздуха. А «дымный ангел» - искусственная визуализация спутного следа в безоблачной атмосфере дымными струями воздуха. В первом и во втором случаях видно, что спутный след образуют два мощных концевых вихря, которые генерируют корневые участки крыла самолёта. А в центральной части спутного следа (между вихрями) воздух с большой скоростью отброшен крылом вниз.
Вихревой след образуется за счёт интенсивного перетекания воздуха из-под крыла (где повышенное давление воздуха) на его верхнюю поверхность, где давление воздуха значительно ниже.
Диаметр концевых завихрений может достигать несколько километров, а их окружная скорость до 250 км/ч. Спутный след может опускаться ниже траектории движения самолёта на 150 – 300 м, а также смещаться в горизонтальном направлении под действием ветра. Вихревой след представляет большую опасность для пролетающих рядом самолётов.
По требованиям ИКАО минимальное расстояние между летящими поблизости самолётами составляет, например, 4 морские мили для тяжёлого самолёта, летящего за тяжелым самолётом и 6 миль для лёгкого самолёта, следующего за тяжелым. При взлёте и посадке на одну ВПП или на параллельные близко расположенные, допустимый интервал между ними составляет 2 – 3 мин.
Был такой случай в Домодедово в 1967 г. Пилот Ан-2М В.А, Губин совершал посадку пересекая ВПП на высоте 25 м (по разрешению  диспетчера). При подходе к которой самолёт с огромным угловым вращением совершил крен под углом 90о. Пилоту мгновенно удалось парировать вращение и через несколько секунд самолёт коснулся земли тремя колёсами, совершив нормальную посадку на три точки. Мастерство пилота помогло избежать, в лучшем случае, серьёзных аварийных последствий. А причина предпосылки к лётному происшествию – всего лишь 1 – 2 минуты перед посадкой Ан-2М с этой ВПП взлетел самолёт Ил-18.
В январе 2008 г. при полёте из Виктории в Торонто самолёт А-319 (Air Canada) попал в вихревой след от пересекающего его курс В-747. Это привело к неконтролируемым кренам и тангажу, к потере 100 м высоты. При этом 88 пассажиров, посуду и бортовые тележки бросало по салону. После совершения самолётом вынужденной посадки в аэропорту Калгари 10 раненым пассажирам и членам экипажа была оказана медицинская помощь.
Еще пример. 12 ноября 2001 г. после взлета и выполнения схемы выхода из зоны аэропорта Д.Кеннеди самолёт А-300 на высоте 800 м попал в район сильной турбулентности вихревого следа В-747-400, что привело к потере управляемости экипажем самолёта А300. Переход от аварийной ситуации к катастрофической длился всего 8 секунд, как показало расследование этого происшествия. В результате погибли 251 пассажир, 9 членов экипажа и 5 человек на земле.

Кроме того, анализ независимой экспертизы катастрофы Як-40 (9 марта 2000 г.), в которой погиб известный журналист Артём Боровик, показал, что причиной её тоже мог быть вихревой турбулентный след от взлетевшего тяжёлого самолёта В-777, который взлетел несколькими минутами раньше.
А возможен ли контроль вихревых следов с борта летящего самолёта? Российские учёные не оставили  без внимания эту проблему.
Однако в России и за рубежом пошли различными путями. Зарубежные специалисты большие надежды возлагали на бортовые системы инструментального (приборного) обнаружения вихревых следов. Но многолетние работы в этой области показали бесперспективность этого направления.
Путь, который избрали российские учёные – не сканировать всё воздушное пространство для обнаружения опасного явления, а рассчитывать на основе математической модели поведение вихревого следа и информировать о нём на экране дисплея всех участников воздушного движения, включая диспетчера УВД.
А как возникает спутный след, который, как известно, состоит из вихревого следа и скоса потока за крылом. Кстати, спутный след с завихрениями и возмущенным потоком является результатом обтекания воздухом потоком любого препятствия. Его создаёт, например, обтекание ветром домов, судов (особенно парусных), горных вершин мостов и т.д. Но такой вихревой след имеет малую эффективность. Потому что максимальная скорость ветра – 20 м/с, порывами до 40 м/с при этом вихревой след, мало кому мешает. Не будем говорить здесь об ураганах, бурях, штормах и т.д.
Спутный след, тем более, создаёт любой движущийся на большой скорости транспорт: поезд, скоростные суда, автомобили, особенно трейлеры.
Спутный след с успехом используют спортсмены –  велосипедисты при гонке за лидером. А в шоссейных велогонках каждый спортсмен старается не оторваться от лидирующего гонщика – «сидеть у него на колесе», сэкономить силы, вырваться вперед и оторваться от преследующих его гонщиков, чтобы не стать им безвозмездным буксировщиком – воздушным тараном за которым устремится вся группа.
Но ведь самолёт, вертолёт и все прочие летательные аппараты тоже обтекаются воздушным потоком, причем, скоростным. Поэтому они генерируют интенсивный спутный след, как результат создания ими подъемной силы при взаимодействии с воздушной средой. А она, кроме создания подъёмной силы, оказывает аэродинамическое сопротивление.
Как известно полное аэродинамическое сопротивление состоит из нескольких составляющих: профильного, сопротивления трения, индуктивного, волнового и данного. Понятно, что профильное сопротивление зависит от формы тела, от профиля крыла. Сопротивление трения – от состояния его поверхности. Волновое и данное – характерны только для самолётов летающих близко к скорости звука (при скорости от 0,8 скорости звука и выше). Оно учитывает сжимаемость воздуха и появление скачков уплотнения. А вот индуктивное (наведенное) сопротивление – это результат создания подъемной силы самолетным крылом (винтом вертолёта). Оно зависит от удлинения крыла, от величины подъемной силы, от угла атаки крыла. А проще, от интенсивности перетекания воздушного потока из-под крыла по его концам на его поверхность.
Если известны причины образования спутного следа и его составляющие (концевые вихри и скос потока) т.е. индуктивное сопротивление. Значит можно  с ним бороться. Хотя бы снизить его интенсивность.
И действительно самый простой способ снижения индуктивного сопротивления это увеличение удлинения крыла, т.е. при необходимой площади крыла задавать ему максимально возможный размах.
Этим способом уже давно стали пользоваться, если не на заре авиации то, на ее рассвете в 20 – 30 гг.
В это время на всесоюзных планерных состязаниях в Крыму появились планеры парители с размахом крыла 20 – 22 мм и с аэродинамическим качеством до 25 (отношение подъёмной силы к аэродинамическому сопротивлению) что достигалось снижением индуктивного сопротивления.
Но это можно сказать известный из теории и практики явный или очевидный способ снижения вихревого следа. А вот неочевидный способ снижения вихревого следа. В ж. «Техника – молодёжи» № 5, 2009 г. изображён самолёт XF5U-1 Ч.Циммермана. Самолёт имеет крыло малого удлинения, у которого громадное индуктивное сопротивление, концевые вихри у такого крыла распространяются почти на половину его размаха.
А что придумал Ч.Циммерман. Он применил воздушные винты большого диаметра, которые вращаются в разных направлениях. (На всех многомоторных самолётах всегда все винты имеют одинаковое вращение). Причем воздушные винты при работе создают мощный воздушный поток закрученный в противоположную сторону движению вихревого потока и практически разрушают его. Следовательно, снижают индуктивное сопротивление, увеличивая эффективное удлинение крыла. Прототип этого самолёта V-173 выполнил первый полёт в 1942 г. Он имел отличные лётно-технические данные благодаря аэродинамической компоновке. С двумя двигателями по 80 л.с. его максимальная скорость составляла 240 км/ч, а посадочная 56 км/ч при очень большом угле атаки – 36о. А диапазон скоростей V-173 более 4.
В семидесятые годы на гражданских самолётах начинают применять концевые шайбы крыла. Тогда по инициативе Уиткомба были проведены обширные аэродинамические исследования по изучению различных законцовок крыла (концевых шайб) на снижения индуктивного сопротивления.
В патентной и технической литературе появились сотни устройств различных концевых шайб.
На фото (…) показаны характерные варианты концевых шайб, применяемые в настоящее время на гражданских самолётах.
Такие концевые шайбы установлены под отрицательным углом атаки к потоку воздуха, поэтому они как бы раскручивают вихревой след, снижая индуктивное сопротивление крыла.
Понятно, что большое индуктивное сопротивление нежелательно для сельскохозяйственных самолётов. Хотя гон с/х самолёта и происходит на малой высоте (до 2 м), все-таки вихревой след закручивает и уносит часть распыляемых химикатов вверх и снижает ширину захвата обрабатываемого участка. Поэтому на этих самолётах применяются различные концевые шайбы, фото (..) с одной и более аэродинамическими поверхностями.
Как известно для экранолётов и экранопланов применяют крыло малого удлинения. И, тем не менее, в полете над экраном аэродинамическое качество их достигает 24 – 27. Хотя в свободном полёте аэродинамическое качество у них не превышает 7 – 9. Повышение аэродинамического качества в полёте над экраном (фото и рис. …) почти в три раза у этих летательных аппаратов достигается благодаря снижению интенсивности концевых вихрей и повышению давления воздуха под крылом (уменьшение скоса потока).
В природе многие аэродинамические эффекты известны уже давно, а многие из них неизвестны нам до сих пор. Например, на концах крыльев многих птиц (аисты, журавли, гуси, вороны и т.д.) расположены большие маховые перья, которые уменьшают концевые вихри и создают подъёмную силу даже при махе вверх.
Перелётные птицы чаще всего свои дальние путешествия совершают строем: клином (журавли) или треугольником (лебеди, гуси). Летящая уступом сзади птица пользуется энергией спутного следа летящей впереди птицы, подставляя его действию свои крылья.
Птицы в резонансном полёте строго соблюдают своё построение. Вожак, совершая работу для облегчения полёта всей стаи, через определенное время уступает своё место другой птице. А иногда отбившаяся от стаи птица быстро отстаёт.
Все вышеизложенное имеет непосредственное отношение к заметке и иллюстрации в ж. «Популярная механика».
Однако вот вторая сторона медали этой публикации и истинная информация к размышлению «чтобы постичь природу этого неопознанного летающего явления»:
Ну, ни причем здесь танк Abrams, турбины реактивных двигателей и самолёт С-17 тоже!!! И даже две ангелоподобные девочки, стоящие лицом друг к другу и «Летающий спагетти-монстр» (придуманный противниками КРЕАЦИОНИЗМА (противниками творчества, изобретательства, способности создавать новое). Весь текст ж. «П.М.», «мудрые» слова и «наличие живой фантазии» имеют непосредственное отношение только к диагнозу, или … внимательно читаем начало статьи еще раз.