§ 29. Регулирование пограничного слоя

Первоначально (см. прим. 1) на стр. 61) Прандтль считал свою теорию пограничного слоя мостом, связывающим классическую теоретическую гидродинамику и динамику реальных

жидкостей. Согласно теории, при неограниченном возрастании числа Рейнольдса пограничный слой должен стремиться стать бесконечно тонким. Отсюда следует, что при достаточной изобретательности мы в состоянии регулировать этот пограничный слой произвольно малым усилием так, чтобы аппроксимировать течения Жуковского с нулевым сопротивлением и большой подъемной силой. Для достижения этой цели было проведено огромное число тщательных исследований и экспериментов; некоторые из них мы сейчас вкратце рассмотрим.

Наиболее известным является то соображение, что сопротивление можно уменьшить при помощи улучшения обтекаемости. Под этим мы понимаем подбор для крыла самолета такого очертания, которое сводит к минимуму градиент противодавления. Это должно было бы задержать отрыв потока и таким образом уменьшить лобовое сопротивление, позволяя избежать застойной области у передней кромки либо отрыва вблизи нее. На практике это достигается тем, что передняя кромка округляется, а остальная часть тела постепенно суживается до острой задней кромки.

Опасность появления застойной области, которая уменьшает подъемную силу, равно как увеличивает лобовое сопротивление, прежде всего возникает при больших углах атаки. Для того чтобы задержать появление застойной области, весьма полезно также слегка искривить профиль крыла книзу. В предельном случае профиля в виде дуги окружности легко убедиться в том, что этот прием позволяет избежать бесконечного значения скорости на передней кромке; в общем случае течений Жуковского это приводит к значительному уменьшению градиента противодавления на верхней (подсосной) стороне.

Главной задачей национальных лабораторий в течение 1910—1930 гг. было создание оптимально обтекаемых очертаний для самолетов, летавших со скоростями не более 400 км/час (когда можно было пренебречь эффектами сжимаемости).

Для анализа экспериментальных данных и проектирования новых опытных конструкций большим подспорьем был расчет распределения давления согласно теории Жуковского, а следовательно, по уравнениям Эйлера. Однако ценность таких расчетов не в определении значений подъемной силы, лобового сопротивления или момента (ср. § 8), а в том, что они позволили указать на переход к турбулентности и на отрыв потока в

пограничном слое. Как это далеко от первоначальной концепции Лагранжа!

При больших углах атаки можно избежать потери скорости и получить большую подъемную силу при помощи так называемых разрезных крыльев. Такие крылья знакомы пассажирам самолетов и могут быть получены при помощи предкрылка и закрылка. К сожалению, разрезные крылья увеличивают лобовое сопротивление, поэтому их используют лишь на взлете и при посадке, когда в первую очередь важно получить большую подъемную силу при уменьшенной скорости. Хотя трудно предсказать математически, как работают разрезные крылья, характер влияния щелей на течения вдоль верхней стороны крыльев, очевидно, подобен действию струй, которые снижают тенденцию к отрыву потока посредством ускорения пограничного слоя. Изобретательные техники пробовали также использовать струи для тех же целей.

Другое многообещающее приспособление основано на создании принудительного подсоса либо через щели, либо через равномерно размещенные круглые отверстия на тех участках, где иначе произошел бы отрыв пограничного слоя. В этом случае пограничный слой отжимается к стенке, и мы опять получаем лучшее приближение к течению Жуковского. Если используются щели, то, исходя из теории Жуковского, нужно создать повышенное давление как раз впереди щелей. Можно также попытаться использовать подсос для того, чтобы сохранить пограничный слой ламинарным, тем самым опять-таки уменьшая лобовое сопротивление. К сожалению, очень трудно, по-видимому, получить такое ламинарное течение. Даже летящие в воздухе насекомые могут вызвать турбулентность при обтекании самой гладкой поверхности крыла.

Последняя идея Прандтля заключалась в том, чтобы помешать уменьшению скорости в пограничном слое, а следовательно, и отрыву, используя движущиеся границы. Хотя в лабораторных условиях и можно продемонстрировать правильность рассматриваемой идеи, но до сих пор ее применение имеет лишь эмпирическую основу, так что в дальнейшем мы больше не будем возвращаться к этому вопросу.

Технические трудности, встречающиеся при реализации упомянутых выше соображений, не должны заслонять лежащую в их основе идею — аппроксимацию идеального течения Жуковского, описанного в § 8.