Что происходит когда самолет преодолевает звуковой барьер

Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда технических трудностей, вызванных явлениями, сопровождающими движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

Содержание

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом [ править | править код ]

При обтекании сверхзвуковым воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха=5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α <displaystyle alpha > связан с числом Маха соотношением

sin ⁡ α = 1 M . <displaystyle sin alpha =<frac <1>>.>

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте — самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого — создаваемый им шум).

Волновой кризис [ править | править код ]

Волновой кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с ещё большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своём «Мустанге» спикировал на Me-109. Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трёхстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки — скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer — звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока [2] . Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно — с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика — перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация. Это явление получило название волнового кризиса. Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой (M > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).

Читайте также:  Eos eos solutions ru узнать сумму задолженности
Рис. 1а. Крыло в близком к звуковому потоке. Рис. 1б. Крыло в сверхзвуковом потоке.

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад, в результате чего нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса — попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй мировой войны с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109, волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700—750 км/ч. В то же время, реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности — треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем.

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полётов сводятся к следующему:

  • на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта);
  • переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.

Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

Что мы представляем себе, когда слышим выражение «звуковой барьер»? Некий предел и преграду, преодоление которой может серьёзно повлиять на слух и самочувствие. Обычно звуковой барьер соотносят с покорением воздушного пространства и профессией лётчика.

Преодоление этой преграды способно спровоцировать развитие застарелых болезней, болевых синдромов и аллергических реакций. Правильны ли эти представления или они представляют собой установившиеся стереотипы? Имеют ли они под собой фактическую основу? Что такое звуковой барьер? Как и почему он возникает? Всё это и некоторые дополнительные нюансы, а также исторические факты, связанные с этим понятием, мы попробуем выяснить в данной статье.

Эта таинственная наука – аэродинамика

В науке аэродинамике, призванной разъяснить явления, сопровождающие движение
летательного аппарата, существует понятие «звуковой барьер». Это ряд явлений, возникающих при движении сверхзвуковых самолётов или ракет, которые передвигаются на скоростях, приближенных к скорости звука или больших.

Что такое ударная волна?

В процессе обтекания аппарата сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе возникает ударная волна. Её следы могут быть заметны даже невооружённым глазом. На земле они выражены жёлтой линией. Вне конуса ударной волны, перед жёлтой линией, на земле самолёт даже не слышно. При скорости, превышающей звуковую, тела подвергаются обтеканию звуковым потоком, что влечёт за собой ударную волну. Она может быть не одна, что зависит от формы тела.

Преобразование ударной волны

Фронт ударной волны, который иногда называют скачком уплотнения, имеет довольно малую толщину, позволяющую тем не менее отследить скачкообразные изменения свойств потока, снижение его скорости относительно тела и соответствующее возрастание давления и температуры газа в потоке. При этом кинетическая энергия частично преобразуется во внутреннюю энергию газа. Количество этих изменений напрямую зависит от скорости сверхзвукового потока. По мере того как ударная волна удаляется от аппарата, уменьшаются перепады давления, и ударная волна преобразуется в звуковую. Она может достичь стороннего наблюдателя, который услышит характерный звук, напоминающий взрыв. Существует мнение, что это свидетельствует о достижении аппаратом скорости звука, когда звуковой барьер самолёт оставляет позади.

Что происходит на самом деле?

Так называемый момент преодоления звукового барьера на практике представляет собой прохождение ударной волны с нарастающим гулом двигателей самолёта. Теперь аппарат опережает сопровождающий его звук, поэтому гул двигателя будет слышен после него. Приближение скорости летательных аппаратов к скорости звука стало возможным ещё в ходе Второй мировой войны, но при этом пилоты отмечали тревожные сигналы в работе самолётов.

Читайте также:  Bloodborne порождение крови обзор

После окончания войны немало авиаконструкторов и лётчиков стремились достичь скорости звука и преодолеть звуковой барьер, но многие из этих попыток заканчивались трагически. Пессимистически настроенные учёные утверждали, что этот предел превзойти невозможно. Отнюдь не экспериментальным, но научным путём получилось объяснить природу понятия «звуковой барьер» и найти способы его преодоления.

Выведенные рекомендации для безопасных полётов

Безопасные полёты на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях возможны при избегании волнового кризиса, возникновение которого зависит от аэродинамических параметров самолёта и высоты производимого полёта. Переходы с одного уровня скорости на другой должны выполняться максимально оперативно с применением форсажа, что поможет избежать долгого полёта в зоне волнового кризиса. Волновой кризис как понятие пришёл из водного транспорта. Возникал он в момент движения судов со скоростью, близкой к скорости волн на поверхности воды. Попадание в волновой кризис влечёт за собой затруднение роста скорости, и если максимально просто преодолеть волновой кризис, то можно выйти на режим глиссирования или скольжения по водной глади.

История в управлении самолётами

Первый человек, который достиг сверхзвуковой скорости полёта на экспериментальном самолёте, — это американский лётчик Чак Йегер. Его достижение отмечено в истории 14 октября 1947 года. На территории СССР звуковой барьер был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским и Фёдоровым, которые управляли опытным истребителем.

Из гражданских самолётов первым преодолел звуковой барьер пассажирский лайнер Douglas DC-8, который 21 августа 1961 года достиг скорости 1.012 М, или 1262 км/ч. Полёт имел целью сбор данных для проектирования крыла. Среди летательных аппаратов мировой рекорд поставила гиперзвуковая аэробаллистическая ракета «воздух-земля», которая находится на вооружении российской армии. На высоте в 31,2 километра ракета развила скорость 6389 км/час.

Через 50 лет после преодоления звукового барьера в воздухе англичанин Энди Грин совершил аналогичное достижение на автомобиле. В свободном падении пробовал побить рекорд американец Джо Киттингер, который покорил высоту в 31,5 километра. В наши дни, 14 октября 2012 года, Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, без помощи транспорта, в свободном падении с высоты 39 километров, преодолев звуковой барьер. Скорость его при этом достигла 1342,8 километра в час.

Самое необычное преодоление звукового барьера

Странно подумать, но первым в мире изобретением, преодолевшим этот предел, стал обычный хлыст, который придумали древние китайцы почти 7 тысяч лет назад. Практически до изобретения моментальной фотографии в 1927 году никто и не подозревал, что щелчок хлыста – это миниатюрный звуковой удар. Резкий взмах формирует петлю, а скорость резко возрастает, что и подтверждает щелчок. Звуковой барьер преодолевается на скорости порядка 1200 км/час.

Загадка самого шумного города

Не зря жители маленьких городов испытывают шок, увидев столицу в первый раз. Обилие транспорта, сотни ресторанов и развлекательных центров сбивают с толку и выбивают из привычной колеи. Начало весны в столице обычно датируется апрелем, а не мятежным вьюжным мартом. В апреле здесь чистое небо, бегут ручьи и распускаются почки. Люди, уставшие от долгой зимы, широко распахивают окна навстречу солнцу, и в дома врывается уличный шум. На улице оглушительно щебечут птицы, поют артисты, декламируют стихи весёлые студенты, не говоря уже о шуме в пробках и метро. Сотрудники отделов гигиены отмечают, что долго находиться в шумном городе вредно для здоровья. Звуковой фон столицы состоит из транспортных,
авиационных, промышленных и бытовых шумов. Наиболее вредным является как раз автомобильный шум, так как самолёты летают достаточно высоко, а шум от предприятий растворяется в их зданиях. Постоянный же гул автомобилей на особо оживлённых магистралях превышает все допустимые нормы в два раза. Как в столице преодолевается звуковой барьер? Москва опасна обилием звуков, поэтому жители столицы устанавливают стеклопакеты, чтобы приглушить шум.

Как осуществляется штурм звукового барьера?

До 1947 года не было фактических данных о самочувствии человека в кабине самолёта, который летит быстрее звука. Как оказалось, преодоление звукового барьера требует определённых сил и отваги. В процессе полёта становится ясно, что нет никаких гарантий выжить. Даже профессиональный пилот не может точно сказать, выдержит ли конструкция самолёта атаку стихии. В считанные минуты самолёт может просто развалиться на части. Чем же это объясняется? Следует отметить, что движение с дозвуковой скоростью создаёт акустические волны, разбегающиеся как круги от упавшего камня. Сверхзвуковая скорость возбуждает ударные волны, а стоящий на земле человек слышит звук, похожий на взрыв. Без мощных вычислительных машин сложно было решить сложные дифференциальные уравнения, и приходилось опираться на продувание моделей в аэродинамических трубах. Иногда при недостаточном ускорении самолёта ударная волна достигает такой силы, что вылетают окна из домов, над которыми пролетает самолёт. Преодолеть звуковой барьер сможет далеко не каждый, ведь в этот момент трясёт всю конструкцию, значительные повреждения могут получить крепления аппарата. Поэтому для пилотов так важно крепкое здоровье и эмоциональная стабильность. Если полёт идёт мягко, а звуковой барьер преодолён максимально быстро, то ни пилот, ни возможные пассажиры не почувствуют особо неприятных ощущений. Специально для покорения звукового барьера был сооружён исследовательский летательный аппарат в январе 1946 года. Создание машины было инициировано заказом министерства обороны, но взамен оружия её напичкали научной аппаратурой, которая отслеживала режим работы механизмов и приборов. Этот самолёт походил на современную крылатую ракету со встроенным ракетным двигателем. Преодоление самолётом звукового барьера происходило при максимальной скорости 2736 км/ч.

Читайте также:  Технологии пайки печатных плат

Вербальные и материальные памятники покорению скорости звука

Достижения в преодолении звукового барьера высоко ценятся и сегодня. Так, самолёт, на котором Чак Йегер впервые его преодолел, сейчас выставлен в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики, который находится в Вашингтоне. Но технические параметры этого человеческого изобретения мало бы стоили без достоинств самого пилота. Чак Йегер прошёл лётное училище и воевал в Европе, после чего вернулся в Англию. Несправедливое отстранение от полётов не сломило дух Йегера, и он добился приёма у главнокомандующего войсками Европы. За годы, оставшиеся до конца войны, Йегер участвовал в 64 боевых вылетах, во время которых сбил 13 самолётов. На родину Чак Йегер вернулся со званием капитана. В его характеристике указана феноменальная интуиция, невероятное хладнокровие и выдержка в критических ситуациях. Не один раз Йегер устанавливал рекорды на своём самолёте. Его дальнейшая карьера шла в подразделениях ВВС, где он осуществлял тренинг пилотов. В последний раз Чак Йегер преодолел звуковой барьер в 74 года, что пришлось на пятидесятую годовщину его истории полётов и на 1997 год.

Комплексные задачи создателей летательных аппаратов

Известные на весь мир самолеты МиГ-15 стали создавать в тот момент, когда разработчики поняли, что невозможно базироваться только на преодолении звукового барьера, а следует решать комплексные технические задачи. В результате была создана машина настолько удачная, что её модификации встали на вооружение разных стран. Несколько различных конструкторских бюро включились в своеобразную конкурентную борьбу, призом в которой был патент на самый успешный и функциональный летательный аппарат. Разрабатывались самолёты со стреловидными крыльями, что было революцией в их конструкции. Идеальный аппарат должен был быть мощным, быстрым и невероятно устойчивым к любым повреждениям извне. Стреловидные крылья у самолётов стали элементом, который помогал им втрое повышать скорость звука. Далее скорость самолётов продолжала нарастать, что объяснялось увеличением мощности двигателей, применением инновационных материалов и оптимизацией аэродинамических параметров. Преодоление звукового барьера стало возможным и реальным даже для непрофессионала, но менее опасным оно от этого не становится, поэтому любой экстремал должен здраво оценивать свои силы, прежде чем решиться на такой эксперимент.

". С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер» . Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом» . Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.

Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха.

Скорость звука — это скорость передачи возмущений в газе.
Когда самолёт летит с дозвуковой скоростью, перед ним бежит звуковая волна, которая "расчищает ему дорогу" в воздухе.
Как только самолёт превышает скорость звука, никакой дороги перед ним не образуется — он просто натыкается на все подряд молекулы.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *