Efekt przełamania bariery dźwięku. Czym jest bariera dźwięku

Co wyobrażamy sobie, gdy słyszymy wyrażenie „bariera dźwięku”? Pewna granica, która może poważnie wpłynąć na słuch i samopoczucie. Zazwyczaj bariera dźwięku związana jest z podbojem przestrzeni powietrznej i

Pokonanie tej przeszkody może wywołać rozwój chorób przewlekłych, zespołów bólowych i reakcji alergicznych. Czy te przekonania są poprawne, czy też są to utrwalone stereotypy? Czy są one oparte na faktach? Czym jest bariera dźwięku? Jak i dlaczego powstaje? Wszystko to i kilka dodatkowych niuansów, a także fakt historyczny związane z tą koncepcją, postaramy się dowiedzieć w tym artykule.

Ta tajemnicza nauka to aerodynamika

W nauce aerodynamiki ma na celu wyjaśnienie zjawisk towarzyszących ruchowi
samolot, istnieje pojęcie „bariery dźwięku”. Jest to seria zjawisk, które występują, gdy naddźwiękowe samoloty lub rakiety poruszają się z prędkością bliską prędkości dźwięku lub większą.

Czym jest fala uderzeniowa?

W procesie przepływu naddźwiękowego wokół pojazdu w tunelu aerodynamicznym powstaje fala uderzeniowa. Jego ślady widać nawet gołym okiem. Na ziemi są one pokazane żółtą linią. Poza stożkiem fali uderzeniowej, przed żółtą linią, na ziemi, samolot nawet nie jest słyszalny. Z prędkością przekraczającą prędkość dźwięku, ciała poddawane są przepływowi dźwięku wokół nich, co pociąga za sobą falę uderzeniową. Może nie być sama, w zależności od kształtu ciała.

Transformacja fali uderzeniowej

Czoło fali uderzeniowej, zwanej czasem falą uderzeniową, ma dość małą grubość, co jednak umożliwia śledzenie nagłych zmian właściwości przepływu, spadku jego prędkości względem ciała i odpowiedniego wzrost ciśnienia i temperatury gazu w przepływie. W tym przypadku energia kinetyczna jest częściowo zamieniana na energię wewnętrzną gazu. Wielkość tych zmian zależy bezpośrednio od prędkości przepływu naddźwiękowego. Gdy fala uderzeniowa oddala się od urządzenia, spadki ciśnienia maleją i fala uderzeniowa jest przekształcana w dźwięk. Potrafi dotrzeć do zewnętrznego obserwatora, który usłyszy charakterystyczny dźwięk przypominający eksplozję. Istnieje opinia, że świadczy to o tym, że pojazd osiągnął prędkość dźwięku, gdy samolot opuści barierę dźwięku.

Co się naprawdę dzieje?

Tzw. momentem przełamania bariery dźwięku w praktyce jest przejście fali uderzeniowej wraz z narastającym dudnieniem silników lotniczych. Teraz aparat wyprzedza towarzyszący dźwięk, więc po nim będzie słychać buczenie silnika. Zbliżanie prędkości do prędkości dźwięku stało się możliwe w czasie II wojny światowej, ale jednocześnie piloci zauważyli alarmujące sygnały w pracy samolotu.

Po zakończeniu wojny wielu konstruktorów samolotów i pilotów dążyło do osiągnięcia prędkości dźwięku i pokonania bariery dźwięku, ale wiele z tych prób zakończyło się tragicznie. Pesymistyczni naukowcy argumentowali, że tego limitu nie można przekroczyć. W żaden sposób nie eksperymentalny, ale naukowy, udało się wyjaśnić naturę pojęcia „bariery dźwięku” i znaleźć sposoby na jej pokonanie.

Bezpieczne loty przy prędkościach transsonicznych i naddźwiękowych są możliwe przy unikaniu kryzysu falowego, którego wystąpienie uzależnione jest od parametrów aerodynamicznych samolotu oraz wysokości wykonywanego lotu. Przejścia z jednego poziomu prędkości na drugi należy wykonywać jak najszybciej za pomocą dopalacza, co pozwoli uniknąć długiego lotu w strefie kryzysu falowego. Kryzys falowy jako koncepcja wywodzi się z transportu wodnego. Powstał w momencie ruchu statków z prędkością zbliżoną do prędkości fal na powierzchni wody. Wejście w kryzys falowy pociąga za sobą trudność w zwiększeniu prędkości, a jeśli pokonanie kryzysu falowego jest tak proste, jak to możliwe, możesz wejść w tryb ślizgania się lub ślizgania na powierzchni wody.

Historia w sterowaniu samolotami

Pierwszą osobą, która osiągnęła prędkość ponaddźwiękową w eksperymentalnym samolocie jest amerykański pilot Chuck Yeager. Jego osiągnięcie zapisało się w historii 14 października 1947 roku. Na terytorium ZSRR barierę dźwięku pokonali 26 grudnia 1948 r. Sokołowski i Fiodorow, którzy latali doświadczonym myśliwcem.

Z cywilów barierę dźwięku złamał liniowiec pasażerski Douglas DC-8, który 21 sierpnia 1961 osiągnął prędkość 1,012 M, czyli 1262 km/h. Lot miał na celu zebranie danych do projektu skrzydła. Wśród samolotów rekord świata ustanowiła hipersoniczna aerobalistyczna rakieta powietrze-ziemia, która jest na uzbrojeniu rosyjskiej armii. Na wysokości 31,2 km rakieta rozwinęła prędkość 6389 km/h.

50 lat po przełamaniu bariery dźwięku w powietrzu, Anglik Andy Green dokonał podobnego wyczynu w samochodzie. Swobodnym spadkiem próbował pobić rekord Amerykanin Joe Kittinger, który pokonał wysokość 31,5 kilometra. Dzisiaj, 14 października 2012 roku, Felix Baumgartner ustanowił rekord świata, bez pomocy transportu, w swobodnym spadku z wysokości 39 kilometrów, przełamując barierę dźwięku. W tym samym czasie jego prędkość osiągnęła 1342,8 kilometrów na godzinę.

Przełamanie najbardziej niezwykłej bariery dźwięku

Dziwnie pomyśleć, ale pierwszym wynalazkiem na świecie, który przezwyciężył tę granicę, był zwykły bicz, wynaleziony przez starożytnych Chińczyków prawie 7 tysięcy lat temu. Niemal do czasu wynalezienia fotografii błyskawicznej w 1927 roku nikt nie podejrzewał, że pstryknięcie bata jest miniaturowym grzmotem dźwiękowym. Ostry zamach tworzy pętlę, a prędkość gwałtownie rośnie, co potwierdza kliknięcie. Bariera dźwięku pokonywana jest z prędkością około 1200 km/h.

Tajemnica najgłośniejszego miasta

Nie bez powodu mieszkańcy małych miasteczek są w szoku, gdy po raz pierwszy widzą stolicę. Obfitość transportu, setki restauracji i centrów rozrywki są zagmatwane i niepokojące. Początek wiosny w stolicy zwykle datowany jest na kwiecień, a nie buntowniczy marzec zamieci. W kwietniu niebo jest czyste, płyną strumienie i kwitną pąki. Zmęczeni długą zimą ludzie otwierają szeroko okna na słońce, a do ich domów wdziera się uliczny hałas. Na ulicy ogłuszająco ćwierkają ptaki, śpiewają artyści, śmieszni studenci recytują poezję, nie mówiąc już o hałasie w korkach i metrze. Pracownicy działów higieny zauważają, że przebywanie w hałaśliwym mieście przez długi czas jest niezdrowe. Na dźwiękowe tło stolicy składa się transport,
hałas lotniczy, przemysłowy i domowy. Najbardziej szkodliwy jest właśnie hałas samochodowy, ponieważ samoloty latają wystarczająco wysoko, a hałas z przedsiębiorstw rozpuszcza się w ich budynkach. Ciągły szum samochodów na szczególnie ruchliwych autostradach przekracza wszystko dopuszczalne normy dwa razy. Jak pokonuje się barierę dźwięku w stolicy? Moskwa jest niebezpieczna z dużą ilością dźwięków, więc mieszkańcy stolicy instalują okna z podwójnymi szybami, aby stłumić hałas.

Jak przebiega szturm na barierę dźwięku?

Do 1947 r. nie było rzeczywistych danych na temat samopoczucia osoby w kokpicie samolotu, który leci szybciej niż dźwięk. Jak się okazało, przełamanie bariery dźwięku wymaga pewnej siły i odwagi. Podczas lotu staje się jasne, że nie ma gwarancji przeżycia. Nawet zawodowy pilot nie może powiedzieć z całą pewnością, czy konstrukcja samolotu wytrzyma atak żywiołów. W ciągu kilku minut samolot może się po prostu rozpaść. Jak można to wyjaśnić? Należy zauważyć, że ruch z prędkością poddźwiękową wytwarza fale akustyczne, które rozpraszają się jak kręgi z upadłego kamienia. Prędkość naddźwiękowa wzbudza fale uderzeniowe, a osoba stojąca na ziemi słyszy dźwięk przypominający eksplozję. Bez potężnych komputerów trudno było rozwiązywać złożone i musiałem polegać na dmuchaniu modeli w tunelach aerodynamicznych. Czasami przy niewystarczającym przyspieszeniu samolotu fala uderzeniowa osiąga taką siłę, że okna wylatują z domów, nad którymi przelatuje samolot. Nie każdy będzie w stanie pokonać barierę dźwięku, ponieważ w tym momencie cała konstrukcja się trzęsie, mocowania aparatów mogą ulec znacznemu uszkodzeniu. Dlatego jest tak ważny dla pilotów dobre zdrowie i stabilność emocjonalna. Jeśli lot będzie płynny, a bariera dźwięku zostanie pokonana jak najszybciej, to ani pilot, ani potencjalni pasażerowie nie odczują szczególnie nieprzyjemnych doznań. Samolot badawczy został zbudowany specjalnie w celu pokonania bariery dźwięku w styczniu 1946 roku. Stworzenie maszyny zostało zainicjowane rozkazem Ministerstwa Obrony, ale zamiast broni wypchano ją sprzętem naukowym, który monitorował tryb działania mechanizmów i urządzeń. Ten samolot był jak nowoczesny pocisk manewrujący ze zintegrowanym silnikiem rakietowym. Samolot przekroczył barierę dźwięku z maksymalną prędkością 2736 km/h.

Werbalne i materialne pomniki podboju prędkości dźwięku

Postępy w przełamywaniu bariery dźwięku są do dziś wysoko cenione. Tak więc samolot, którym Chuck Yeager po raz pierwszy pokonał go, jest teraz wystawiony w Narodowym Muzeum Aeronautyki i Kosmosu, które znajduje się w Waszyngtonie. Ale Specyfikacja techniczna ten ludzki wynalazek byłby niewiele wart bez zalet samego pilota. Chuck Yeager przeszedł szkołę lotniczą i walczył w Europie, po czym wrócił do Anglii. Niesprawiedliwe zawieszenie lotów nie złamało ducha Yeagera i został on przyjęty przez głównodowodzącego wojsk Europy. W latach pozostałych do końca wojny Yeager brał udział w 64 wypadach, podczas których zestrzelił 13 samolotów. Chuck Yeager wrócił do ojczyzny w randze kapitana. Jego cechy świadczą o fenomenalnej intuicji, niesamowitym opanowaniu i wytrzymałości w krytycznych sytuacjach. Niejednokrotnie Yeager ustanowił rekordy w swoim samolocie. Jego dalsza kariera odbyła się w Siłach Powietrznych, gdzie przeprowadzał szkolenie pilotów. V ostatni raz Chuck Yeager przełamał barierę dźwięku w wieku 74 lat, co zbiegło się z pięćdziesiątą rocznicą jego latania i 1997 rokiem.

Złożone zadania konstruktorów samolotów

Światowej sławy samolot MiG-15 zaczął powstawać w momencie, gdy twórcy zdali sobie sprawę, że nie można polegać tylko na pokonaniu bariery dźwięku, ale trzeba rozwiązać złożone problemy techniczne. W efekcie powstała maszyna tak udana, że jej modyfikacje zostały przyjęte przez różne kraje. Kilka różnych biur projektowych przystąpiło do swego rodzaju konkursu, w którym nagrodą był patent na najbardziej udany i funkcjonalny samolot. Opracowano samoloty ze skośnymi skrzydłami, co było rewolucją w ich konstrukcji. Idealny aparat byłby potężny, szybki i niewiarygodnie odporny na wszelkie uszkodzenia zewnętrzne. Skośne skrzydła samolotu stały się elementem, który pomógł im potroić prędkość dźwięku. Potem dalej rosła, co tłumaczyło się wzrostem mocy silnika, zastosowaniem innowacyjnych materiałów oraz optymalizacją parametrów aerodynamicznych. Pokonanie bariery dźwięku stało się możliwe i realne nawet dla laika, ale nie staje się przez to mniej niebezpieczne, dlatego każda skrajność powinna rozsądnie ocenić swoje mocne strony przed podjęciem decyzji o takim eksperymencie.

14 października 1947 r. ludzkość przekroczyła kolejny kamień milowy. Granica jest dość obiektywna, wyrażona w określonej wielkości fizycznej - prędkości dźwięku w powietrzu, która w warunkach ziemskiej atmosfery zależy od jego temperatury i ciśnienia w zakresie 1100–1200 km/h. Amerykański pilot Charles Elwood „Chuck” Yeager, młody weteran II wojny światowej o niezwykłej odwadze i doskonałej fotogeniczności, pokonał prędkość ponaddźwiękową, dzięki czemu od razu stał się popularny w swojej ojczyźnie, podobnie jak 14 lat później Jurij Gagarin.

A odwaga do przekroczenia bariery dźwięku była naprawdę potrzebna. Radziecki pilot Iwan Fiodorow, który rok później, w 1948 roku powtórzył osiągnięcie Yeagera, przypomniał swoje wówczas uczucia: „Przed lotem w celu pokonania bariery dźwięku stało się oczywiste, że nie ma gwarancji, że po nim przeżyje. W praktyce nikt nie wiedział, co to jest i czy konstrukcja samolotu wytrzyma napór żywiołów. Ale starali się o tym nie myśleć ”.

Rzeczywiście, nie było pełnej jasności co do tego, jak samochód będzie się zachowywał przy prędkości ponaddźwiękowej. Konstruktorzy samolotów wciąż mieli świeże wspomnienia nagłego nieszczęścia lat 30., kiedy wraz ze wzrostem prędkości samolotu musieli pilnie rozwiązać problem trzepotania - samo-oscylacji, które występują zarówno w sztywnych konstrukcjach samolotu, jak i w jego skóry, rozrywając samolot w ciągu kilku minut. Proces rozwijał się jak lawina, błyskawicznie piloci nie mieli czasu na zmianę trybu lotu, a maszyny rozpadały się w powietrzu. Dość długo matematycy i konstruktorzy w różnych krajów walczył o rozwiązanie tego problemu. Ostatecznie teorię tego zjawiska stworzył młody wówczas rosyjski matematyk Mścisław Wsiewołodowicz Keldysz (1911–1978), późniejszy prezes Akademii Nauk ZSRR. Za pomocą tej teorii udało się znaleźć sposób na pozbycie się nieprzyjemnego zjawiska na zawsze.

Zrozumiałe jest, że od bariery dźwięku oczekiwano równie przykrych niespodzianek. Numeryczne rozwiązanie złożonych równań różniczkowych aerodynamiki przy braku potężnych komputerów było niemożliwe i musiało polegać na „wydmuchiwaniu” modeli w tunelach aerodynamicznych. Ale z rozważań jakościowych było jasne, że po osiągnięciu prędkości dźwięku w pobliżu samolotu pojawia się fala uderzeniowa. Najważniejszym momentem jest pokonanie bariery dźwięku, kiedy prędkość samolotu porównuje się z prędkością dźwięku. W tym momencie różnica ciśnień po przeciwnych stronach czoła fali gwałtownie wzrasta i jeśli chwila trwa dłużej niż chwilę, samolot może zapaść się nie gorzej niż z trzepotania. Czasami przy pokonywaniu bariery dźwięku przy niewystarczającym przyspieszeniu fala uderzeniowa wytworzona przez samolot wybija nawet szyby z okien domów na ziemi poniżej.

Stosunek prędkości samolotu do prędkości dźwięku nazywa się liczbą Macha (od słynnego niemieckiego mechanika i filozofa Ernsta Macha). Po przekroczeniu bariery dźwięku wydaje się pilotowi, że liczba M przeskakuje nad jednostką skokiem: Chuck Yeager widział, jak wskazówka mahometru przeskoczyła z 0,98 na 1,02, po czym w kokpicie zapadła „boska” cisza – w rzeczywistości , wydawało się: tylko o jeden poziom, ciśnienie akustyczne w kokpicie spada kilka razy. Ten moment „oczyszczenia się z dźwięku” jest bardzo podstępny, kosztował życie wielu testerów. Ale niebezpieczeństwo rozpadnięcia się jego samolotu X-1 nie było wielkie.

X-1, wyprodukowany przez Bell Aircraft w styczniu 1946 roku, był samolotem czysto badawczym, zaprojektowanym, by przełamać barierę dźwięku i nic więcej. Pomimo tego, że samochód został zamówiony przez Ministerstwo Obrony, zamiast broni został wypchany sprzętem naukowym, który monitoruje tryby pracy jednostek, instrumentów i mechanizmów. X-1 był jak nowoczesny pocisk manewrujący. Miał jeden silnik rakietowy Reaction Motors o ciągu 2722 kg. Maksymalna masa startowa to 6078 kg. Długość – 9,45 m, wysokość – 3,3 m, rozpiętość skrzydeł – 8,53 m. Prędkość maksymalna – 2736 km/h na wysokości 18290 m. Pojazd został wystrzelony z bombowca strategicznego B-29 i wylądował na stalowych „narach” na wyschniętym słonym jeziorze.

Nie mniej imponujące są „parametry taktyczno-techniczne” jego pilota. Chuck Yeager urodził się 13 lutego 1923 roku. Po szkole poszedł do szkoły lotniczej, a po maturze wyjechał walczyć w Europie. Zestrzelił jednego Messerschmitta-109. On sam został zestrzelony na niebie Francji, ale uratowali go partyzanci. Jakby nic się nie stało, wrócił do bazy w Anglii. Jednak czujna służba kontrwywiadu, nie wierząc w cudowne wyzwolenie z niewoli, usunęła pilota z lotów i wysłała go na tyły. Ambitny Yeager został przyjęty przez głównodowodzącego sił sojuszniczych w Europie, generała Eisenhowera, który wierzył Yeagerowi. I nie pomylił się - w ciągu sześciu miesięcy pozostałych do końca wojny młody pilot wykonał 64 loty, zestrzelił 13 samolotów wroga, 4 w jednej bitwie. I wrócił do ojczyzny w randze kapitana z doskonałym dossier, co wskazywało na fenomenalną intuicję lotu, niesamowity spokój i niesamowitą wytrzymałość w każdej sytuacji. sytuacja krytyczna... Dzięki takiej charakterystyce został włączony do zespołu testerów naddźwiękowych, których dobierano i szkolono równie starannie, jak później astronauci.

Zmieniając nazwę X-1 Glamorous Glennis po swojej żonie, Yeager wielokrotnie ustanowił w nim rekordy. Pod koniec października 1947 r. spadł poprzedni rekord wysokości – 21 372 m. W grudniu 1953 r. nowa modyfikacja maszyny, X-1A, rozwinęła prędkość 2,35 m – prawie 2800 km/h, a sześć miesięcy później wspięła się na wysokość 27 430 m. Ponadto przetestowano szereg myśliwców, które wprowadzono do serii, a nasz MiG-15 został schwytany i przetransportowany do Ameryki podczas wojna koreańska... Następnie Yeager dowodził różnymi jednostkami testowymi Sił Powietrznych zarówno w Stanach Zjednoczonych, jak iw amerykańskich bazach w Europie i Azji, brał udział w działaniach wojennych w Wietnamie i szkolił pilotów. Odszedł na emeryturę w lutym 1975 roku w stopniu generała brygady, po 10 tysiącach godzin lotu podczas swojej mężnej służby, przetestował 180 różnych modeli naddźwiękowych i zebrał unikalną kolekcję orderów i medali. W połowie lat 80. nakręcono film oparty na biografii szarmanckiego faceta, który jako pierwszy na świecie pokonał barierę dźwięku, a po tym Chuck Yeager stał się już nie bohaterem, ale narodowym reliktem. Ostatni raz siedział w F-16 14 października 1997 r. i przełamał barierę dźwięku w pięćdziesiątą rocznicę swojego historycznego lotu. Yeager miał wtedy 74 lata. Generalnie, jak powiedział poeta, z tych ludzi zrobiono by gwoździe.

Takich ludzi po drugiej stronie oceanu jest wielu… Radzieccy projektanci zaczęli próbować przełamywania bariery dźwięku w tym samym czasie, co amerykańscy. Ale dla nich nie był to cel sam w sobie, ale akt całkiem pragmatyczny. Jeśli X-1 był pojazdem czysto badawczym, to nasza bariera dźwięku została szturmowana na prototypowe myśliwce, które miały zostać wprowadzone do serii, aby wyposażyć w nie jednostki Sił Powietrznych.

Do konkursu dołączyło kilka biur projektowych - Biuro Projektowe Ławoczkina, Biuro Projektowe Mikojan i Biuro Projektowe Jakowlewa - w których równolegle opracowywano samoloty ze skośnymi skrzydłami, co było wówczas rewolucyjną decyzją projektową. Na metę naddźwiękową dotarli w tej kolejności: Ła-176 (1948), MiG-15 (1949), Jak-50 (1950). Jednak problem został rozwiązany w dość złożonym kontekście: pojazd wojskowy powinien mieć nie tylko dużą prędkość, ale także wiele innych cech - zwrotność, przeżywalność, minimalny czas przygotowania do lotu, potężną broń, imponującą amunicję itp. itp. Należy również zauważyć, że w czasach sowieckich na decyzje komisji akceptacji państwa często wpływały nie tylko czynniki obiektywne, ale także subiektywne momenty związane z politycznymi manewrami deweloperów. Cały ten splot okoliczności sprawił, że do serii trafił myśliwiec MiG-15, który doskonale sprawdził się na lokalnych arenach działań wojennych lat 50-tych. To właśnie ten samochód, skonfiskowany w Korei, jak wspomniałem powyżej, „jeździł” Chuck Yeager.

W Ła-176 zastosowano rekordowy jak na tamte czasy skos skrzydła równy 45 stopni. Silnik turboodrzutowy VK-1 zapewniał ciąg 2700 kg. Długość - 10,97 m, rozpiętość skrzydeł - 8,59 m, powierzchnia skrzydeł 18,26 m2. Masa startowa - 4636 kg. Pułap wynosi 15 000 m. Zasięg lotu to 1000 km. Uzbrojenie - jedna armata 37 mm i dwie 23 mm. Pojazd był gotowy jesienią 1948 r., w grudniu rozpoczęły się jego próby w locie na Krymie na lotnisku wojskowym w pobliżu miasta Saki. Wśród tych, którzy prowadzili testy, był przyszły akademik Władimir Wasiliewicz Struminski (1914-1998), pilotami eksperymentalnego samolotu byli kapitan Oleg Sokołowski i pułkownik Iwan Fiodorow, który później otrzymał tytuł Bohatera związek Radziecki... Sokołowski w absurdalnym wypadku zginął podczas czwartego lotu, zapominając zamknąć zadaszenie kokpitu.

Pułkownik Iwan Fiodorow przełamał barierę dźwięku 26 grudnia 1948 r. Wznosząc się na wysokość 10 tysięcy metrów, odbił od siebie drążek sterowy i zaczął przyspieszać podczas nurkowania. „Przyspieszam swoją 176. z dużej wysokości” – wspomina pilot. - Słychać żmudny niski gwizdek. Nabierając prędkości samolot pędzi na ziemię. Na skali tachymetru strzałka zmienia się z liczb trzycyfrowych na czterocyfrowe. Samolot drży jak w gorączce. I nagle - cisza! Bariera dźwięku zostaje zajęta. Późniejsze dekodowanie oscylogramów wykazało, że liczba M przekroczyła jeden.” Stało się to na wysokości 7000 metrów, gdzie zarejestrowano prędkość 1,02M.

W przyszłości prędkość załogowych statków powietrznych stale rosła dzięki zwiększeniu mocy silnika, zastosowaniu nowych materiałów oraz optymalizacji parametrów aerodynamicznych. Jednak ten proces nie jest nieograniczony. Z jednej strony utrudniają to względy racjonalności, gdy brane są pod uwagę zużycie paliwa, koszty rozwoju, bezpieczeństwo lotu i inne względy nie bezczynne. I nawet w lotnictwie wojskowym, gdzie pieniądze i bezpieczeństwo pilota nie są tak ważne, prędkości najbardziej „zwinnych” maszyn mieszczą się w przedziale od 1,5M do 3M. Bardziej jakby nie było wymagane. (Rekord prędkości załogowego statku kosmicznego z silnikami odrzutowymi należy do amerykańskiego samolotu rozpoznawczego SR-71 i wynosi 3,2 mln.)

Z drugiej strony istnieje bariera termiczna nie do pokonania: przy określonej prędkości nagrzewanie korpusu maszyny przez tarcie o powietrze następuje tak szybko, że nie jest możliwe odprowadzenie ciepła z jego powierzchni. Z obliczeń wynika, że przy normalnym ciśnieniu powinno to nastąpić z prędkością rzędu 10M.

Niemniej jednak limit 10M nadal został osiągnięty w tym samym miejscu testowym Edwards. Stało się to w 2005 roku. Rekordzistą był bezzałogowy samolot rakietowy Kh-43A, wyprodukowany w ramach 7-letniego ambitnego programu Hiper-X, którego celem było opracowanie nowego typu technologii, mającej radykalnie zmienić oblicze rakiety i technologii kosmicznej przyszłości. Jego koszt to 230 milionów dolarów, rekord został ustanowiony na wysokości 33 tysięcy metrów. Użyty dron nowy system podkręcanie. Najpierw opracowywana jest tradycyjna rakieta na paliwo stałe, za pomocą której X-43A osiąga prędkość 7M, a następnie uruchamiany jest nowy typ silnika - hipersoniczny silnik strumieniowy (scramjet lub scrumjet), w którego zwykłe powietrze atmosferyczne służy jako utleniacz, a paliwem jest gazowy wodór (wręcz klasyczny schemat niekontrolowanej eksplozji).

Zgodnie z programem wyprodukowano trzy modele bezzałogowe, które po wykonaniu zadania utonęły w oceanie. Kolejny etap to tworzenie pojazdów załogowych. Po ich przetestowaniu uzyskane wyniki będą brane pod uwagę przy tworzeniu szerokiej gamy „użytecznych” urządzeń. Oprócz samolotów na potrzeby NASA powstaną naddźwiękowe pojazdy wojskowe – bombowce, samoloty rozpoznawcze i transportowe. Boeing, który uczestniczy w programie Hiper-X, planuje do 2030–2040 stworzyć 250-osobowy samolot naddźwiękowy. Jest całkiem zrozumiałe, że szyby, które przy takich prędkościach łamią aerodynamikę i nie wytrzymują ogrzewanie termiczne, nie będzie. Zamiast iluminatorów mają być ekrany z zapisem wideo przelatujących chmur.

Nie ma wątpliwości, że na ten rodzaj transportu będzie zapotrzebowanie, bo im dalej, tym droższy czas, w którym jest coraz więcej emocji, zarobionych dolarów i innych składników współczesnego życia w jednostce czasu. W związku z tym nie ma wątpliwości, że kiedyś ludzie zamienią się w jednodniowe motyle: jeden dzień będzie tak bogaty jak cała teraźniejszość (raczej już wczoraj) życie człowieka... I możemy założyć, że ktoś lub coś wdraża program Hiper-X w odniesieniu do ludzkości.

Przeszedłem barierę dźwięku :-) ...

Zanim rozpoczniemy rozmowy na ten temat, wyjaśnijmy kwestię poprawności pojęć (co lubię :-)). Obecnie w dość powszechnym użyciu są dwa terminy: bariera dźwięku oraz bariera naddźwiękowa ... Brzmią podobnie, ale nie tak samo. Jednak nie ma sensu hodować specjalnego rygoru: w rzeczywistości są one jednym i tym samym. Z definicji bariery dźwiękowej korzystają najczęściej osoby bardziej zorientowane i bliższe lotnictwu. A druga definicja to zwykle wszyscy inni.

Myślę, że z punktu widzenia fizyki (i języka rosyjskiego :-)) bardziej słuszne jest powiedzenie bariera dźwięku. Oto prosta logika. W końcu istnieje pojęcie prędkości dźwięku, ale ściśle mówiąc, nie ma ustalonego pojęcia prędkości naddźwiękowej. Biegnąc trochę przed siebie, powiem, że kiedy samolot leci w trybie naddźwiękowym, to już przekroczył tę barierę, a gdy ją minie (pokonuje), to mija pewną graniczną wartość prędkości równą prędkości dźwięku (i nie naddźwiękowy).

Coś w tym stylu:-). Co więcej, pierwsza koncepcja jest używana znacznie rzadziej niż druga. Dzieje się tak najwyraźniej dlatego, że słowo naddźwiękowy brzmi bardziej egzotycznie i atrakcyjnie. A w locie naddźwiękowym egzotyka jest z pewnością obecna i oczywiście przyciąga wielu. Jednak nie wszyscy, którym smakuje słowa „ bariera naddźwiękowa„Naprawdę rozumieją, co to jest. Nie raz przekonałem się o tym zaglądając na fora, czytając artykuły, a nawet oglądając telewizję.

To pytanie jest właściwie dość skomplikowane z punktu widzenia fizyki. Ale my oczywiście nie będziemy wspinać się na trudności. Spróbujmy jak zwykle wyjaśnić sytuację na zasadzie „wyjaśnij aerodynamikę na palcach” :-).

A więc do bariery (dźwięku :-))!... Samolot w locie, działając na tak elastyczny ośrodek jak powietrze, staje się potężnym źródłem fal dźwiękowych. Chyba każdy wie, czym są fale dźwiękowe w powietrzu :-).

Fale dźwiękowe (kamerton).

Jest to naprzemienność obszarów kompresji i depresji, rozchodzących się w różnych kierunkach od źródła dźwięku. Z grubsza jak kółka na wodzie, które też są tylko falami (ale nie dźwiękowymi :-)). To właśnie te obszary, działające na bębenek ucha, pozwalają nam słyszeć wszystkie dźwięki tego świata, od ludzkich szeptów po ryk silników odrzutowych.

Przykład fal dźwiękowych.

Punktami propagacji fal dźwiękowych mogą być różne części samolotu. Na przykład silnik (jego dźwięk jest znany każdemu :-)) lub części ciała (na przykład nos), które poprzez sprężenie powietrza przed sobą podczas ruchu wytwarzają określony rodzaj fal ciśnienia (kompresji) biegnie do przodu.

Wszystkie te fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu z prędkością dźwięku już nam znanego. Oznacza to, że jeśli samolot jest poddźwiękowy, a nawet leci z małą prędkością, wydaje się, że przed nim uciekają. W efekcie, gdy taki samolot się zbliża, najpierw słyszymy jego dźwięk, a potem sam leci.

Zastrzegam sobie jednak, że to prawda, jeśli samolot nie leci bardzo wysoko. W końcu prędkość dźwięku to nie prędkość światła :-). Jego wielkość nie jest tak duża, a fale dźwiękowe potrzebują czasu, aby dotrzeć do słuchacza. Dlatego kolejność pojawiania się dźwięku dla słuchacza i samolotu, jeśli leci dalej wysoki pułap może zmienić.

A ponieważ dźwięk nie jest tak szybki, to wraz ze wzrostem własnej prędkości samolot zaczyna doganiać emitowane przez siebie fale. To znaczy, gdyby był nieruchomy, fale odbiegałyby od niego w postaci koncentryczne koła jak kręgi na wodzie z rzuconego kamienia. A ponieważ samolot się porusza, w sektorze tych kręgów odpowiadającym kierunkowi lotu zaczynają się zbliżać granice fal (ich czoła).

Poddźwiękowy ruch ciała.

W związku z tym luka między samolotem (jego nosem) a przodem pierwszej (głowej) fali (czyli jest to obszar, w którym następuje stopniowe, do pewnego stopnia, spowolnienie nadchodzący przepływ podczas spotkania z nosem samolotu (skrzydło, ogon) i w rezultacie, wzrost ciśnienia i temperatury) zaczyna spadać i im szybciej, tym wyższa prędkość lotu.

Nadchodzi moment, w którym luka ta praktycznie zanika (lub staje się minimalna), zamieniając się w specjalny rodzaj obszaru, który nazywa się fala uderzeniowa... Dzieje się tak, gdy prędkość lotu osiąga prędkość dźwięku, czyli samolot porusza się z taką samą prędkością, jak fale przez niego emitowane. W tym przypadku liczba Macha jest równa jeden (M = 1).

Dźwiękowy ruch ciała (M = 1).

Szok zagęszczający, to bardzo wąski obszar medium (około 10 -4 mm), przy przejściu przez który nie następuje już stopniowa, ale gwałtowna (nagła) zmiana parametrów tego medium - prędkość, ciśnienie, temperatura, gęstość... W naszym przypadku prędkość spada, wzrasta ciśnienie, temperatura i gęstość. Stąd nazwa – fala uderzeniowa.

W nieco uproszczony sposób powiedziałbym to również o tym wszystkim. Nie da się ostro wyhamować przepływu naddźwiękowego, ale musi to zrobić, ponieważ nie ma już możliwości stopniowego zwalniania do prędkości przepływu przed samym nosem samolotu, jak przy umiarkowanych prędkościach poddźwiękowych. W pewnym sensie potyka się o sekcję poddźwiękową przed nosem samolotu (lub czubkiem skrzydła) i zwija się w wąski skok, przenosząc na nią ogromną energię ruchu, którą posiada.

Swoją drogą można powiedzieć i odwrotnie, że samolot przekazuje część swojej energii na tworzenie fal uderzeniowych w celu spowolnienia przepływu naddźwiękowego.

Naddźwiękowy ruch ciała.

Fala uderzeniowa ma inną nazwę. Poruszając się wraz z samolotem w kosmosie, jest to de facto front gwałtownej zmiany powyższych parametrów otoczenia (czyli przepływu powietrza). I to jest istota fali uderzeniowej.

Szok zagęszczający i fala uderzeniowa, ogólnie rzecz biorąc, są definicjami równymi, ale w aerodynamice ta pierwsza jest bardziej używana.

Fala uderzeniowa (lub fala uderzeniowa) może być praktycznie prostopadła do kierunku lotu, w tym przypadku przybiera w przestrzeni kształt zbliżony do koła i nazywa się je liniami prostymi. Zwykle dzieje się to w trybach bliskich M = 1.

Tryby ruchu ciała. ! - poddźwiękowy, 2 - M = 1, naddźwiękowy, 4 - fala uderzeniowa (fala uderzeniowa).

Przy numerach M>1 są już ustawione pod kątem do kierunku lotu. Oznacza to, że samolot już przewyższa własny dźwięk. W tym przypadku nazywa się je ukośnymi iw przestrzeni przybierają kształt stożka, który zresztą nazywa się stożkiem Macha, od nazwiska naukowca, który badał przepływy naddźwiękowe (o czym wspomniał w jednym z nich).

Stożek Macha.

Kształt tego stożka (jego tak zwana „harmonia”) po prostu zależy od liczby M i jest z nią powiązany stosunkiem: M = 1 / sin α, gdzie α jest kątem między osią stożka a jego tworzącą . A powierzchnia stożkowa dotyka czoła wszystkich fal dźwiękowych, których źródłem był samolot, i które „prześcignął”, osiągając prędkość ponaddźwiękową.

Ponadto fale uderzeniowe mogą również przywiązany, gdy przylegają do powierzchni ciała poruszającego się z prędkością ponaddźwiękową lub gdy oddalają się, jeśli nie mają kontaktu z ciałem.

Rodzaje fal uderzeniowych w naddźwiękowym przepływie wokół ciał o różnych kształtach.

Zwykle skoki przyczepiają się, gdy przepływ naddźwiękowy opływa wszelkie powierzchnie o ostrych końcach. Na przykład w samolocie może to być spiczasty nos, LDPE lub ostra krawędź wlotu powietrza. Jednocześnie mówią „skok siedzi”, na przykład na nosie.

Cofający się skok może wystąpić podczas opływania zaokrąglonych powierzchni, na przykład zaokrąglonej przedniej krawędzi grubego płata skrzydła.

Różne elementy kadłuba samolotu w locie tworzą dość złożony system fal uderzeniowych. Jednak najbardziej intensywne z nich to dwa. Jedna głowa na dziobie a druga na ogonie na elementach ogona. W pewnej odległości od samolotu skoki pośrednie albo doganiają głowowy i łączą się z nim, albo skoki na ogon je wyprzedzają.

Foka wskakuje na model samolotu podczas dmuchania w tunelu aerodynamicznym (M = 2).

W rezultacie pozostają dwa skoki, które na ogół odbierane są przez obserwatora naziemnego jako jeden ze względu na mały rozmiar samolotu w porównaniu z wysokością lotu i odpowiednio mały odstęp czasowy między nimi.

Intensywność (innymi słowy energia) fali uderzeniowej (fala uderzeniowa) zależy od różnych parametrów (prędkości samolotu, jego cech konstrukcyjnych, warunków środowiskowych itp.) i jest zdeterminowana spadkiem ciśnienia na jego przodzie.

W miarę jak odległość od wierzchołka stożka Macha, czyli od samolotu, jako źródła zakłóceń, fala uderzeniowa słabnie, stopniowo zamienia się w zwykłą falę dźwiękową, a ostatecznie całkowicie zanika.

A na jakim stopniu będzie miała intensywność fala uderzeniowa(lub fala uderzeniowa), która dociera do ziemi, zależy od efektu, jaki może tam wywołać. Nie jest tajemnicą, że znany „Concorde” latał z prędkością ponaddźwiękową tylko nad Atlantykiem, a wojskowe samoloty naddźwiękowe lecą do prędkości naddźwiękowej na dużych wysokościach lub w obszarach, gdzie nie ma rozliczenia(przynajmniej wydaje się, że powinni to zrobić :-)).

Te ograniczenia są bardzo uzasadnione. Dla mnie na przykład sama definicja fali uderzeniowej kojarzy się z wybuchem. A rzeczy, które może zrobić wystarczająco intensywna fala uderzeniowa, mogą temu odpowiadać. Przynajmniej szkło z okien może łatwo wypaść. Jest na to wystarczająco dużo dowodów (zwłaszcza w historii lotnictwa sowieckiego, kiedy było to dość liczne i loty były intensywne). Ale możesz robić gorsze rzeczy. Trzeba tylko lecieć niżej :-)...

Jednak w większości to, co pozostaje z fal uderzeniowych, gdy docierają do ziemi, nie jest już niebezpieczne. Tylko zewnętrzny obserwator na ziemi może usłyszeć dźwięk przypominający trzask lub eksplozję. Z tym faktem wiąże się jedno powszechne i dość uporczywe wyobrażenie.

Osoby niezbyt wyrafinowane w lotnictwie, słysząc taki dźwięk, mówią, że to samolot pokonał bariera dźwięku (bariera naddźwiękowa). W rzeczywistości tak nie jest. To stwierdzenie nie ma nic wspólnego z rzeczywistością z co najmniej dwóch powodów.

Fala uderzeniowa (fala uderzeniowa).

Po pierwsze, jeśli osoba na ziemi usłyszy donośny huk wysoko na niebie, to oznacza to tylko (powtarzam :-)), że dotarł do jego uszu szok z przodu(lub fala uderzeniowa) z lecącego gdzieś samolotu. Ten samolot leci już z prędkością ponaddźwiękową, a nie tylko się na nią przełączył.

A gdyby ta sama osoba mogła nagle znaleźć się kilka kilometrów przed samolotem, to znowu usłyszałaby ten sam dźwięk z tego samego samolotu, ponieważ zostałaby uderzona tą samą falą uderzeniową poruszającą się wraz z samolotem.

Porusza się z prędkością ponaddźwiękową i dlatego zbliża się bezgłośnie. A gdy już nie zawsze przyjemnie działa na bębenki uszne (no, jak tylko na nich :-)) i bezpiecznie się rozchodzi, słychać buczenie pracujących silników.

Przybliżony schemat lotu samolotu przy różnych wartościach liczby M na przykładzie myśliwca Saab 35 „Draken”. Językiem niestety jest niemiecki, ale schemat jest ogólnie jasny.

Co więcej, samo przejściu do stanu naddźwiękowego nie towarzyszą jednorazowe „huki”, trzaski, eksplozje itp. Na nowoczesnym samolocie naddźwiękowym pilot najczęściej dowiaduje się o takim przejściu dopiero z odczytów przyrządów. W tym przypadku jednak zachodzi pewien proces, ale podlega on: pewne zasady pilotowanie jest dla niego praktycznie niewidoczne.

Ale to nie wszystko :-). Powiem więcej. w postaci tylko jakiejś namacalnej, ciężkiej, trudnej do pokonania przeszkody, o którą opiera się samolot i którą trzeba „przebić” (tak słyszałem :-)) nie istnieje.

Ściśle mówiąc, nie ma żadnej bariery. Kiedyś u zarania rozwoju dużych prędkości w lotnictwie koncepcja ta powstała raczej jako perswazja psychologiczna o trudnościach z przestawieniem się na prędkość ponaddźwiękową i lataniem na nią. Pojawiały się nawet stwierdzenia, że jest to generalnie niemożliwe, zwłaszcza że przesłanki takich przekonań i stwierdzeń były dość specyficzne.

Jednak pierwsze rzeczy najpierw ...

W aerodynamice istnieje inny termin, który dość dokładnie opisuje proces interakcji z przepływem powietrza ciała poruszającego się w tym przepływie i dążącego do przejścia do stanu ponaddźwiękowego. Ten kryzys falowy... To on robi niektóre złe rzeczy, które są tradycyjnie kojarzone z tą koncepcją bariera dźwięku.

A więc coś o kryzysie :-). Każdy samolot składa się z części, wokół których przepływ powietrza w locie może nie być taki sam. Weźmy na przykład skrzydło, a raczej zwykły klasyk profil poddźwiękowy.

Z podstaw wiedzy o kształtowaniu się siły nośnej dobrze wiemy, że natężenie przepływu w sąsiedniej warstwie górnej zakrzywionej powierzchni profilu jest inne. Tam, gdzie profil jest bardziej wypukły, jest większy niż całkowite natężenie przepływu, a następnie, gdy profil jest spłaszczony, zmniejsza się.

Gdy skrzydło porusza się w strumieniu z prędkościami bliskimi prędkości dźwięku, może dojść do momentu, kiedy w tak wypukłym obszarze np. prędkość warstwy powietrza jest już większa od całkowitej prędkości strumienia , staje się dźwiękowy, a nawet naddźwiękowy.

Lokalna fala uderzeniowa powstająca na transonici podczas kryzysu falowego.

Dalej wzdłuż profilu prędkość ta maleje iw pewnym momencie ponownie staje się poddźwiękowa. Ale, jak powiedzieliśmy powyżej, przepływ naddźwiękowy nie może szybko spowolnić, dlatego wystąpienie fala uderzeniowa.

Takie skoki pojawiają się w różnych częściach opływowych powierzchni i początkowo są raczej słabe, ale ich liczba może być duża, a wraz ze wzrostem całkowitej prędkości przepływu zwiększają się strefy naddźwiękowe, skoki „stają się mocniejsze” i przesuwają się w kierunku krawędź spływu płata. Później te same fale uderzeniowe pojawiają się na dolnej powierzchni profilu.

Pełny przepływ naddźwiękowy wokół profilu skrzydła.

Czym to wszystko jest najeżone? A oto co. Pierwszy jest znaczący wzrost oporu aerodynamicznego w zakresie prędkości transsonicznych (około M = 1, mniej więcej). Opór ten rośnie z powodu gwałtownego wzrostu jednego z jego składników - odporność na fale... Ten, którego wcześniej nie braliśmy pod uwagę przy rozważaniu lotów z prędkościami poddźwiękowymi.

Na powstawanie licznych fal uderzeniowych (lub fal uderzeniowych) podczas zwalniania przepływu naddźwiękowego, jak powiedziałem powyżej, energia jest zużywana i jest pobierana z energia kinetyczna ruch samolotu. Oznacza to, że samolot jest po prostu spowolniony (i bardzo zauważalnie!). To jest to odporność na fale.

Ponadto, ze względu na gwałtowne spowolnienie przepływu w nich, fale uderzeniowe przyczyniają się do oddzielenia się warstwy granicznej po sobie i jej przekształcenia z laminarnej w turbulentną. To dodatkowo zwiększa opór aerodynamiczny.

Obrzęk profilu przy różne liczby M. Skoki zagęszczające, lokalne strefy naddźwiękowe, strefy turbulencji.

Drugi... Ze względu na pojawienie się lokalnych stref naddźwiękowych na profilu skrzydła i ich dalsze przesuwanie się do ogona profilu wraz ze wzrostem prędkości przepływu, a tym samym zmianą rozkładu ciśnienia na profilu, punkt zastosowania aerodynamiki siły (środek nacisku) również przesuwają się na krawędź spływu. Wynik to chwila nurkowania w stosunku do środka masy samolotu, powodując obniżenie jego nosa.

Co to wszystko przekłada się na… Ze względu na dość gwałtowny wzrost oporu aerodynamicznego samolot wymaga rezerwa mocy silnika przezwyciężyć strefę transu i wejść, że tak powiem, w prawdziwą ponaddźwiękową.

Gwałtowny wzrost oporu aerodynamicznego na transsonicznych (kryzys falowy) ze względu na wzrost oporu falowego. Сd to współczynnik oporu.

Dalej. Ze względu na pojawienie się momentu nurkowego występują trudności w kontrolowaniu wysokości. Ponadto ze względu na zaburzenie i nierównomierność procesów związanych z powstawaniem lokalnych stref naddźwiękowych z falami uderzeniowymi również trudne do zarządzania... Na przykład na rolce, ze względu na różne procesy na lewej i prawej płaszczyźnie.

Do tego dochodzi występowanie wibracji, często dość silnych z powodu lokalnych turbulencji.

Ogólnie cały zestaw przyjemności, które nosi to imię kryzys falowy... Ale to prawda, że wszystkie mają miejsce (miało, konkretnie :-)) podczas używania typowych samolotów poddźwiękowych (o grubym prostym profilu skrzydeł) w celu osiągnięcia prędkości naddźwiękowych.

Początkowo, gdy wciąż brakowało wiedzy, a procesy dochodzenia do prędkości ponaddźwiękowej nie były wszechstronnie badane, ten właśnie zestaw uznano za niemal śmiertelnie nie do pokonania i otrzymał nazwę bariera dźwięku(lub bariera naddźwiękowa, Jeśli chcesz:-)).

Podczas próby pokonania prędkości dźwięku w konwencjonalnych samolotach tłokowych było wiele tragicznych przypadków. Silne wibracje czasami prowadziły do uszkodzeń konstrukcji. Samolot nie miał wystarczającej mocy do wymaganego przyspieszenia. W locie poziomym było to niemożliwe ze względu na efekt o tym samym charakterze co kryzys falowy.

Dlatego do podkręcania wykorzystano nurkowanie. Ale to może być śmiertelne. Moment nurkowy pojawiający się podczas kryzysu falowego powodował, że szczyt się przedłużał, a czasem nie było z niego wyjścia. Rzeczywiście, aby przywrócić kontrolę i wyeliminować kryzys falowy, konieczne było wygaszenie prędkości. Ale zrobienie tego podczas nurkowania jest niezwykle trudne (jeśli nie niemożliwe).

Zanurzanie z lotu poziomego jest uważane za jedną z głównych przyczyn katastrofy w ZSRR 27 maja 1943 roku słynnego eksperymentalnego myśliwca BI-1 z silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe. Testy przeprowadzono dla maksymalnej prędkości lotu, a według szacunków konstruktorów osiągnięta prędkość wynosiła ponad 800 km/h. Potem nastąpiło opóźnienie na szczycie, z którego samolot nie odleciał.

Eksperymentalny myśliwiec BI-1.

dzisiaj kryzys falowy już dobrze zrozumiany i przezwyciężony bariera dźwięku(jeśli wymagane :-)) nie jest trudne. W samolotach zaprojektowanych do latania z wystarczająco dużą prędkością, pewne Konstruktywne decyzje oraz ograniczenia, które ułatwiają ich operacje lotnicze.

Jak wiecie, kryzys falowy zaczyna się, gdy liczby M są bliskie jedności. Dlatego prawie wszystkie poddźwiękowe liniowce odrzutowe (w szczególności pasażerskie) mają lot ograniczenie liczby M... Zwykle jest to około 0,8-0,9 mln. Pilot ma to monitorować. Ponadto w wielu samolotach po osiągnięciu poziomu granicznego, po którym prędkość lotu musi zostać zmniejszona.

Prawie wszystkie samoloty lecące z prędkością co najmniej 800 km/h i wyższą mają Zmiecione skrzydło(przynajmniej wzdłuż krawędzi natarcia :-)). Pozwala odroczyć rozpoczęcie ofensywy. kryzys falowy do prędkości odpowiadających M = 0,85-0,95.

Zmiecione skrzydło. Główne działanie.

Przyczynę tego efektu można dość prosto wyjaśnić. Na skrzydle prostym przepływ powietrza z prędkością V przebiega prawie pod kątem prostym, a na skrzydle skośnym (kąt skosu χ) pod pewnym kątem poślizgu β. Prędkość V można rozłożyć na dwa strumienie w terminach wektorowych: Vτ i Vn.

Strumień Vτ nie wpływa na rozkład ciśnienia na skrzydle, ale ma wpływ na strumień Vn, który określa właściwości łożyska skrzydła. I jest to oczywiście mniej pod względem wartości całkowitego przepływu V. Dlatego na skrzydle skośnym początek fali kryzysu i wzrostu odporność na fale występuje zauważalnie później niż na prostym skrzydle przy tej samej prędkości napływu.

Eksperymentalny myśliwiec E-2A (poprzednik MiG-21). Typowe skrzydło skośne.

Jedną z modyfikacji skośnego skrzydła było skrzydło z profil nadkrytyczny(wspomina o nim). Pozwala także na przesunięcie początku kryzysu falowego przy dużych prędkościach, dodatkowo pozwala na zwiększenie wydajności, co jest ważne dla pasażerskich liniowców.

SuperJet 100. Skrzydło skośne w stanie nadkrytycznym.

Jeśli samolot ma odlecieć bariera dźwięku(przechodząc i kryzys falowy też :-)) i lot naddźwiękowy, wtedy zwykle zawsze różni się pewnymi cechy konstrukcyjne... W szczególności zwykle ma cienki profil skrzydeł i ogona z ostrymi krawędziami(w tym diament lub trójkąt) i pewien kształt skrzydło w planie (na przykład trójkątne lub trapezowe z ugięciem itp.).

Naddźwiękowy MIG-21. Emisariusz E-2A. Skrzydło typowe, w planie trójkątne.

MIG-25. Przykład typowego samolotu przeznaczonego do lotu naddźwiękowego. Cienkie profile skrzydeł i ogona, ostre krawędzie. Skrzydło trapezowe. profil

Przejście osławionego bariera dźwięku, czyli przejście do prędkości naddźwiękowej takich samolotów odbywa się przy dopalacz silnika ze względu na wzrost oporu aerodynamicznego i oczywiście w celu szybkiego ominięcia strefy kryzys falowy... A sam moment tego przejścia najczęściej nie jest w żaden sposób odczuwany (powtarzam :-)) ani przez pilota (może mieć spadek poziomu ciśnienia akustycznego w kokpicie), ani przez obserwatora z zewnątrz, jeśli, oczywiście mógł to zaobserwować :-).

W tym miejscu warto jednak wspomnieć o jeszcze jednym złudzeniu związanym z zewnętrznymi obserwatorami. Zapewne wielu widziało tego typu zdjęcia, pod którymi napisy mówią, że to moment pokonania samolotu bariera dźwięku, że tak powiem, wizualnie.

Efekt Prandtla-Gloerta. Nie wiąże się z przekroczeniem bariery dźwięku.

Po pierwsze, wiemy już, że nie ma bariery dźwięku jako takiej, a samo przejściu do stanu ponaddźwiękowego nie towarzyszy nic tak niezwykłego (w tym pop czy eksplozja).

Po drugie... To, co widzieliśmy na zdjęciu, to tzw. Efekt Prandtla-Glauerta... Już o tym pisałem. W żaden sposób nie ma to nic wspólnego z przejściem do stanu naddźwiękowego. Już przy dużych prędkościach (swoją drogą poddźwiękowych :-)) samolot, poruszając się przed sobą pewną masą powietrza, tworzy obszar rozrzedzenia... Bezpośrednio po locie obszar ten zaczyna wypełniać się powietrzem z pobliskiej przestrzeni naturalnym wzrost objętości i gwałtowny spadek temperatury.

Jeśli wilgotność powietrza jest wystarczająca, a temperatura spada poniżej punktu rosy otaczającego powietrza, to kondensacja wilgoci z pary wodnej w postaci mgły, którą widzimy. Gdy tylko warunki zostaną przywrócone do ich pierwotnych warunków, ta mgła natychmiast znika. Cały ten proces jest raczej krótkotrwały.

Ten proces przy wysokich prędkościach transsonicznych może być ułatwiony przez lokalne fale uderzeniowe Czasami pomagam ukształtować coś w rodzaju delikatnego stożka wokół samolotu.

Wysokie prędkości sprzyjają temu zjawisku, jednak jeśli wilgotność powietrza jest wystarczająca, to może (i zdarza się) występować przy raczej niskich prędkościach. Na przykład nad powierzchnią zbiorników wodnych. Nawiasem mówiąc, większość piękne zdjęcia tego rodzaju zostały wykonane z lotniskowca, czyli w dość wilgotnym powietrzu.

I tak się okazuje. Ujęcia oczywiście są fajne, widowisko spektakularne :-), ale to wcale nie jest to, jak to się najczęściej nazywa. to nie ma z tym nic wspólnego (i bariera naddźwiękowa zbyt:-)). I to dobrze, myślę, w przeciwnym razie obserwatorzy, którzy robią takie zdjęcia i filmy, mogą nie być szczęśliwi. Fala uderzeniowa, czy wiesz:-)…

Podsumowując, jeden film (już z niego korzystałem), którego autorzy pokazują efekt fali uderzeniowej z samolotu lecącego na małej wysokości z prędkością ponaddźwiękową. Oczywiście jest tam pewna przesada :-), ale ogólna zasada jest jasna. I znowu spektakularnie :-) ...

I to wszystko na dzisiaj. Dziękuję za przeczytanie artykułu do końca :-). Do następnego razu ...

Zdjęcia można kliknąć.

Prawa autorskie do zdjęć SPL

O imponujących zdjęciach myśliwców odrzutowych w gęstym stożku pary wodnej często mówi się, że to samolot przełamujący barierę dźwięku. Ale to błąd. Obserwator mówi o prawdziwej przyczynie tego zjawiska.

To spektakularne zjawisko zostało wielokrotnie uchwycone przez fotografów i kamerzystów. Nad ziemią przelatuje wojskowy odrzutowiec wysoka prędkość, kilkaset kilometrów na godzinę.

Gdy myśliwiec przyspiesza, wokół niego zaczyna tworzyć się gęsty stożek kondensacji; wrażenie jest takie, że samolot znajduje się w zwartej chmurze.

Podpisy, które prześladują wyobraźnię pod takimi zdjęciami, często mówią, że mamy przed sobą wizualne dowody na dźwiękowy huk, gdy samolot osiąga prędkość ponaddźwiękową.

W rzeczywistości to nieprawda. Obserwujemy tzw. efekt Prandtla-Glauerta – zjawisko fizyczne, które występuje, gdy samolot zbliża się do prędkości dźwięku. Nie wiąże się to z przełamaniem bariery dźwięku.

Inne artykuły BBC Future w języku rosyjskim

Wraz z rozwojem konstrukcji samolotów, aerodynamiczne formy stały się bardziej opływowe, a prędkość samolotów stale rosła - samoloty zaczęły robić z powietrzem wokół siebie rzeczy, do których nie byli w stanie ich wolniejsi i nieporęczni poprzednicy.

Tajemnicze fale uderzeniowe, które tworzą się wokół nisko lecącego samolotu, gdy zbliżają się do prędkości dźwięku, a następnie przełamują barierę dźwięku, wskazują, że powietrze przy takich prędkościach zachowuje się w bardzo dziwny sposób.

Czym więc są te tajemnicze obłoki kondensacji?

Prawa autorskie do zdjęć Getty Tytuł Zdjęcia Efekt Prandtla-Glauerta jest najbardziej widoczny podczas lotu w ciepłej, wilgotnej atmosferze

Według Roda Irwina, przewodniczącego grupy aerodynamicznej Królewskiego Towarzystwa Aeronautyki, warunki, w jakich powstaje stożek pary, bezpośrednio poprzedzają przekroczenie przez samolot bariery dźwięku. Zjawisko to jest jednak zwykle fotografowane z prędkością nieco mniejszą niż prędkość dźwięku.

Warstwy powierzchniowe powietrza są gęstsze niż atmosfera na dużych wysokościach. Podczas lotu na niskich wysokościach występuje zwiększone tarcie i opór.

Nawiasem mówiąc, piloci nie mogą przekraczać bariery dźwięku nad lądem. „Można lecieć do prędkości naddźwiękowej nad oceanem, ale nie nad twardą powierzchnią” – wyjaśnia Irwin. „Swoją drogą ta okoliczność była problemem dla naddźwiękowego liniowca pasażerskiego Concorde – zakaz został wprowadzony po jego uruchomieniu, a załoga pozwoliło rozwinąć prędkość naddźwiękową tylko nad wodą.powierzchnia”.

Co więcej, niezwykle trudno jest wizualnie zarejestrować uderzenie dźwiękowe, gdy samolot wchodzi w dźwięk naddźwiękowy. Nie widać go gołym okiem - tylko przy pomocy specjalnego sprzętu.

W przypadku zdjęć modeli wydmuchiwanych z prędkością ponaddźwiękową w tunelach aerodynamicznych zwykle stosuje się specjalne lustra do wykrywania różnicy w odbiciu światła spowodowanego powstawaniem fali uderzeniowej.

Prawa autorskie do zdjęć Getty Tytuł Zdjęcia Wraz ze spadkiem ciśnienia powietrza temperatura powietrza spada, a zawarta w nim wilgoć zamienia się w kondensat

Zdjęcia uzyskane tzw. metodą Schlierena (lub metodą Teplera) służą do wizualizacji fal uderzeniowych (lub, jak się je nazywa, fal uderzeniowych) generowanych wokół modelu.

Stożki kondensacyjne nie tworzą się wokół modeli podczas nadmuchu, ponieważ powietrze wykorzystywane w tunelach aerodynamicznych jest wstępnie suszone.

Stożki pary wodnej są związane z falami uderzeniowymi (a jest ich kilka), które tworzą się wokół samolotu, gdy nabiera on prędkości.

Gdy prędkość samolotu zbliża się do prędkości dźwięku (ok. 1234 km/h na poziomie morza), występuje różnica w lokalnym ciśnieniu i temperaturze w opływającym go powietrzu.

W rezultacie powietrze traci zdolność zatrzymywania wilgoci, a kondensacja tworzy się w postaci stożka, jak w tym filmie.

„Widoczny stożek pary jest spowodowany falą uderzeniową, która wytwarza różnicę ciśnień i temperatury w powietrzu wokół samolotu” – mówi Irwin.

Wiele z najbardziej udanych fotografii tego zjawiska uchwycono samoloty Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych – nic dziwnego, biorąc pod uwagę, że ciepłe, wilgotne powietrze w pobliżu powierzchni morza przyczynia się do wyraźniejszego efektu Prandtla-Glauerta.

Takie sztuczki często wykonują myśliwce-bombowce F/A-18 Hornet, główny typ samolotów pokładowych amerykańskiego lotnictwa morskiego.

Prawa autorskie do zdjęć SPL Tytuł Zdjęcia Wstrząs zagęszczający, gdy samolot wychodzi z dźwiękiem naddźwiękowym, jest trudny do wykrycia gołym okiem

Członkowie zespołu akrobacyjnego US Navy Blue Angels latają w tych samych pojazdach bojowych, umiejętnie wykonując manewry, podczas których wokół samolotu tworzy się kondensacyjna chmura.

Ze względu na spektakularny charakter zjawiska jest często wykorzystywany do popularyzacji lotnictwa morskiego. Piloci celowo manewrują nad morzem, gdzie warunki do wystąpienia efektu Prandtla-Glauerta są najbardziej optymalne, a w pobliżu dyżurują profesjonalni fotografowie marynarki wojennej – w końcu nie da się zrobić wyraźnego zdjęcia lecącego odrzutowca prędkość 960 km/h ze zwykłym smartfonem.

Chmury kondensacyjne wyglądają najbardziej imponująco w tzw. trybie lotu transsonicznego, kiedy powietrze częściowo opływa samolot z prędkością ponaddźwiękową, a częściowo z prędkością poddźwiękową.

„Samolot niekoniecznie leci z prędkością ponaddźwiękową, ale powietrze opływa górną powierzchnię skrzydła z większą prędkością niż dolną, co prowadzi do lokalnej fali uderzeniowej” – mówi Irwin.

Według niego, aby wystąpił efekt Prandtla-Glauerta, wymagane są określone warunki klimatyczne (a mianowicie ciepłe i wilgotne powietrze), z którymi myśliwce pokładowe spotykają się częściej niż inne samoloty.

Wystarczy poprosić profesjonalnego fotografa o usługę i voila! - Twój samolot został schwytany w otoczeniu spektakularnej chmury pary wodnej, którą wielu z nas myli ze znakiem przejścia w stan ponaddźwiękowy.

Możesz to przeczytać na stronie

Bariera dźwięku

zjawisko występujące podczas lotu samolotu lub rakiety w momencie przejścia z prędkości poddźwiękowej do naddźwiękowej w atmosferze. Gdy prędkość samolotu zbliża się do prędkości dźwięku (1200 km/h), przed nim pojawia się cienki obszar, w którym następuje gwałtowny wzrost ciśnienia i gęstości środowiska powietrza. To zagęszczenie powietrza przed lecącym samolotem nazywa się falą uderzeniową. Na ziemi przejście fali uderzeniowej jest odbierane jako trzask, podobny do odgłosu wystrzału. Po przekroczeniu samolot przechodzi przez ten obszar o zwiększonej gęstości powietrza, jakby go przebijał - pokonuje barierę dźwięku. Przez długi czas przełamanie bariery dźwięku wydawało się poważnym problemem w rozwoju lotnictwa. Aby go rozwiązać, konieczna była zmiana profilu i kształtu skrzydła samolotu (stało się cieńsze i wygięte), bardziej spiczasta przednia część kadłuba oraz zasilenie samolotu silnikami odrzutowymi. Po raz pierwszy prędkość dźwięku została przekroczona w 1947 r. przez Ch. Yeagera na samolocie X-1 (USA) z silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe wystrzelonym z samolotu B-29. W Rosji OV Sokolovsky jako pierwszy pokonał barierę dźwięku w 1948 roku na eksperymentalnym samolocie La-176 z silnikiem turboodrzutowym.

Encyklopedia „Technika”. - M.: Rosman. 2006 .

Bariera dźwięku

gwałtowny wzrost oporu samolotu aerodynamicznego przy liczbach lotu Mach M (∞), nieznacznie przekraczający liczbę krytyczną M *. Powodem jest to, że przy liczbach M (∞)> M * występuje wraz z pojawieniem się oporu falowego. Współczynnik oporu falowego samolotu rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem liczby M, zaczynając od M (∞) = M *.
Dostępność Z.b. utrudnia osiągnięcie prędkości lotu równej prędkości dźwięku, a następnie przejście do lotu naddźwiękowego. W tym celu konieczne okazało się stworzenie samolotu z cienkimi skośnymi skrzydłami, co pozwoliło znacznie zmniejszyć opór, oraz silników odrzutowych, w których ciąg rośnie wraz ze wzrostem prędkości.
W ZSRR prędkość równą prędkości dźwięku po raz pierwszy osiągnięto na samolocie La-176 w 1948 roku.

Lotnictwo: Encyklopedia. - M .: Wielka rosyjska encyklopedia. Redaktor naczelny GP Swiszczew. 1994 .

Zobacz, czym jest „bariera dźwięku” w innych słownikach:

Bariera dźwięku w aerodynamice to nazwa szeregu zjawisk towarzyszących ruchowi statku powietrznego (np. samolot naddźwiękowy, rakieta) z prędkością bliską lub przekraczającą prędkość dźwięku. Spis treści 1 Shockwave, ... ... Wikipedia

BARIERA DŹWIĘKU, przyczyna utrudnień w lotnictwie przy wzroście prędkości lotu powyżej prędkości dźwięku (PRĘDKOŚĆ SUPERSONIC). Zbliżając się do prędkości dźwięku, samolot doświadcza nieoczekiwanego wzrostu oporu i utraty aerodynamicznego PODNOSZENIA ... ... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny

bariera dźwięku- garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. bariera dźwiękowa; bariera dźwięku vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, fr. bariera dźwiękowa, m pranc. barrière sonique, f; frontière sonique, f; mur de son, m ... Fizikos terminų žodynas

bariera dźwięku- garso barjeras statusas T sritis Energetika apibrėžtis Staigus aerodinaminio pasipriešinimo padidėjimas, kai orlaivio greitis tampa garso greičiu (viršijama kritinė Macho skaičiaus vertė). Aiškinamas bangų krize dėl staiga padidėjusio ... ... Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Gwałtowny wzrost oporu aerodynamicznego, gdy prędkość lotu samolotu zbliża się do prędkości dźwięku (przekroczenie krytycznej liczby Macha liczby lotu). Wyjaśnia to kryzys falowy, któremu towarzyszy wzrost oporu falowego. Pokonaj 3. ... ... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Bariera dźwięku- gwałtowny wzrost oporu powietrza na ruch samolotu o godz. zbliżanie się do prędkości bliskich prędkości propagacji dźwięku. Pokonanie 3.b. stało się możliwe dzięki ulepszeniu aerodynamicznych form samolotów i zastosowaniu potężnych ... ... Słownik terminów wojskowych

bariera dźwięku- bariera dźwięku - gwałtowny wzrost oporu samolotu aerodynamicznego przy numerach lotu M∞ M∞, nieznacznie przekraczający liczbę krytyczną M*. Powodem jest to, że dla liczb M∞> Encyklopedia „Lotnictwo”

- (francuski posterunek barierowy). 1) bramy w fortecach. 2) na arenach i cyrkach płot, kłoda, drąg, przez który przeskakuje koń. 3) znak, że wojownicy sięgają w pojedynek. 4) balustrady, kraty. Słownik wyrazów obcych zawartych w ... ... Słownik wyrazów obcych języka rosyjskiego

BARIERA, ach, mąż. 1. Przeszkoda (rodzaj ściany, poprzeczka), umieszczona na drodze (podczas wyścigu, biegu). Weź b. (Pogódź się z tym). 2. Ogrodzenie, ogrodzenie. B. boksy, balkony. 3. transfer. Przeszkoda, przeszkoda, dla której n. Naturalna rzeka b. dla… … Słownik Ożegowa