Аэродинамический след

Твёрдое тело, перемещаясь в газообразной или жидкой среде, оставляет за собой область отрывного течения. Отрывные течения делятся на два типа в зависимости от соотношения размеров области отрыва и размера тела, за которым данное отрывное течение образуется. Если область отрыва мала по сравнению с размерами тела и ограничивается разделяющей линией тока и точками отрыва и присоединения, то такое течение называют «отрывным течением». Если же размеры отрывного течения велики по сравнению с размерами тела и оно может быть незамкнутым, простирающимся на значительные расстояния, то такое течение называют «следом». Аэродинамический след — частный случай следа, образующегося за перемещающимся твёрдым телом в газообразной или жидкой среде. Своё название он получил из-за того, что, как правило, в прикладных исследованиях изучался след, оставляемый в атмосфере летательным аппаратом (самолётом, аэропланом, и др.)^[2]. Модельные исследования проводились в аэродинамических трубах, что также способствовало возникновению и закреплению термина «аэродинамический след».

Течение в следе разделяют на два класса: течение в следе на дозвуковых скоростях и течение при сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях. След, в отличие от струи, является неограниченным потоком за обтекаемым телом, и движется со средней скоростью невозмущённого потока на значительное расстояние. Характер потока может быть ламинарным и турбулентным, а расстояние от области отрыва потока от тела вдоль его распространения служит одним из параметров следа. В следе, в зависимости от расстояния от тела, различают ближний и дальний след. Величины ближнего и дальнего следа зависят от скоростей движения тела — при сверхзвуковых скоростей ближний след за обтекаемым цилиндром составляет примерно 500 метров (давление в ближнем следе отличается от давления в невозмущённом потоке значительно), после чего начинается дальний след (давление в дальнем следе мало отличается от давления в невозмущённом потоке). Выравнивание давления до уровня давления невозмущённого потока происходит медленно, в случае самолёта может составлять расстояние порядка нескольких километров. Амплитуду возмущения давления конструкторы летательных аппаратов стремятся уменьшить, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление, для улучшение управляемости летательного аппарата и экономии топлива.

Если бы твёрдое тело обтекал идеальный газ, и атмосфера Земли состояла бы из идеального газа, люди не наблюдали бы в небе за летящими самолётами белый след, который часто называют аэродинамическим следом. Белый след, видимый за летящим самолётом, правильнее называть спутным следом, поскольку внешний вид этого следа определяется не только типом течения за самолётом, но и составом газовой смеси, влажностью, температурой, наличием частиц, и другими факторами. В спутный след вносят вклад струи реактивных двигателей и винтов, вихревые концевые жгуты и собственно частицы, на которых происходит рассеяние солнечного излучения. Спутный след характеризуется расстоянием между вихрями, их радиусами, величиной тангенциальных скоростей вихрей (может достигать до 30 % скорости самолёта), перемещения вихрей, и т. д. Интенсивность спутного следа зависит от полётной массы летательного аппарата, плотности воздушной среды, скорости полёта, размаха крыльев, высоты полёта. Длина спутного следа может достигать 10 — 12 км.

След за самолётом часто называют инверсионным следом. Это название возникло из-за того, что в спутном следе происходит ряд процессов, приводящих к появлению частиц, изменяющих коэффициенты отражения и преломления на частицах, заполняющих области следа. Такими процессами являются конденсация водяного пара, содержащегося в выхлопных газах реактивных двигателей, смешивающихся с сухой атмосферой при низкой температуре на высоте порядка 8 — 10 километров, что приводит к появлению капель или маленьких кристаллов льда, рассеивающих солнечное излучение, наблюдаемое с поверхности Земли как белый пушистый след, напоминающий перистые облака. Чем выше влажность, тем более отчётливым будет след, поскольку вероятность появления капель выше, чем для сухого воздуха, находящиеся в атмосфере влага служит зародышеобразующими центрами конденсации. Центрами конденсации могут служить пыль, мелкие частицы, сажа, и др. На контрастность следа влияют положение Солнца, ветер, атмосферное давление, общее физико-химическое состояние атмосферы. Возможно возникновение охлаждения атмосферы вокруг крыльев самолёта, расположенных под определённым углом атаки к набегающему потоку, за счёт изменения давления вокруг летательного аппарата. Существуют и обратные случаи, когда самолёт влетает в область облачности или влажного воздуха, «вытягивает» влагу из окружающей его атмосферы. При этом за самолётом тянется полупрозрачный, быстро исчезающий белёсый шлейф. Иногда спутный след от летательных аппаратов называют конденсационным следом.