Что будет если преодолеть скорость звука
Что это, преодоление звукового барьера? Ответ неверный
О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель BBC Future рассказывает об истинной причине феномена.
Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.
По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.
Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.
Так что же это за таинственные облака конденсата?
Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфере
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Подкаст
По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.
Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.
Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Необычную картину можно иногда наблюдать во время полета реактивных самолетов, которые словно выныривают из облака тумана. Это явление называется эффектом Прандтля-Глоерта и заключается в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха.
Причина возникновения этого необычного явления заключается в том, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область повышенного давления воздуха впереди себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область пониженного давления начинает заполняться окружающим воздухом. При этом в силу достаточно высокой инерции воздушных масс сначала вся область низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих к области низкого давления.
Этот процесс локально является адиабатическим процессом, где занимаемый воздухом объём увеличивается, а его температура понижается. Если влажность воздуха достаточно велика, то температура может понизиться до такого значения, что окажется ниже точки росы. Тогда содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, которые образуют небольшое облако.
По мере того, как давление воздуха нормализуется, температура в нём выравнивается и вновь становится выше точки росы, и облако быстро растворяется в воздухе. Обычно время его жизни не превышает долей секунды. Поэтому при полёте самолёта кажется, что облако следует за ним — вследствие того, что оно постоянно образуется сразу позади самолёта, а затем исчезает.
Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает звуковой барьер. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при больших скоростях, близких к скорости звука. В то же время при полётах на малой высоте и в условиях очень высокой влажности (например, над океаном) этот эффект можно наблюдать и при скоростях, значительно меньших скорости звука.
Кликабельно 2100 рх
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.
Клкиабельно 2500 рх
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.
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.
Ни хрена подобного.
Никаких взрывов при преодолении звукового барьера не образуется.
А вот при движении со сверхзвуковой скоростью образуется ударная волна.
Вот примерно как человек сквозь паутину проходит и тянет её за собой.
Воспользуемся приёмом из алгебры. Чтобы понять процесс, рассмотрим его в крайних экстремальных значениях.
Представьте, что самолет пролетает над Вами очень-очень медленно. В этом случае Вы будете слышать рёв мотора в точности из того места, где в это время находится самолет. Это обусловлено тем, что скоростью самолета в сравнении со скоростью звука можно пренебречь. По мере приближения и удаления самолета звук соответственно будет плавно усиливаться и ослабевать.
Теперь представьте, что самолет пролетел над Вами мгновенно или со скоростью света. В этом случае работающий двигатель создаст звуковое возмущение в воздухе по всей траектории практически одновременно. В этом случае до ваших ушей первым долетит звуковое возмущение из самой близкой точки в зените у Вас над головой. И это будет самый громкий звук. Без всяких нарастаний громкости. Потому что нарастание и убывание будут достигать ваших ушей одновременно по мере удаления от Вас. В идеале Вы должны услышать громкий хлопок и медленно ослабевающий раскат звука в две стороны, прилет и улета.
Такой эффект будет наблюдаться при любых скоростях больше скорости звука. Чем меньше скорость, тем больше точка хлопка будет отклоняться от зенита в сторону прилета.
Что происходит во время преодоления звукового барьера самолетом
Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.
Что такое звуковой барьер?
Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью
Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.
Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.
Величина сверхзвуковой скорости полета
Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.
Величина сверхзвуковой скорости полета
На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.
Особенности сверхзвукового полета
Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.
После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.
На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.
Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?
Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).
Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.
Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.
Российский пассажирский сверхзвуковой самолет
Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.
Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия
Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.
Как преодолевалась скорость звука
У всего в нашей Вселенной есть определенные скорости. В середине прошлого века преодоление скорости звука человеком было существенно и знаменательно.
В 1940-1950-х годах звуковой барьер обладал почти мифическим статусом, так как инженеры по всему миру пытались построить самолет, скорость которого превышала бы 1236 километров в час, что соответствовало быстроте перемещения, с которой звук передвигается в атмосфере Земли при температуре 20 град.
Но что означает это ограничение перемещения? Что подразумевает физика этого явления, и как она влияет на попытки нашей инженерии преодолеть ее?
Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов и нормальном давлении составляет порядка 1236 километров в час или 343,3 метров в секунду
Быстрота перемещения звуковой волны
Звук в разных газовых средах передвигается, возмущая их молекулы — это всего лишь импульс давления, который перемещается сквозь воздух.
Быстрота перемещения этой волны давления определяется свойствами воздуха и зависит от его температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воздуха. Кроме того, она зависит от массы молекул воздуха, а воздух, как известно, — это, в первую очередь, смесь азота и кислорода. И еще реакция воздуха на сжатие может быть обусловлена так называемым «адиабатическим индексом».
В разумном приближении, скорость звуковой волны зависит, главным образом, от среднего движения молекул воздуха при определенной температуре.
Следовательно, скорость звука — совсем не предел. Это просто быстрота перемещения, с которой волна давления проходит через воздух, и нет никаких причин, почему бы какому-либо объекту не удалось бы ее превысить. Это было известно задолго до того, как были изобретены самолеты, но это знание не удовлетворяло тех, кто хотел помочь человеку двигаться быстрее звука. В ходе второй мировой войны было предпринято множество попыток производства сверхзвуковых самолетов, но преодоление скорости звука не было вплоть до 14 октября 1947 года, когда американский лётчик-испытатель Чак Йегер стал первым человеком, пилотировавшим сверхзвуковой самолет. На самолете Bell-XSl Йегер стартовал из бомбового отсека модифицированного бомбардировщика В29 и в горизонтальном полете преодолел звуковой барьер, с чем и вошел в историю авиации. Год позже советский пилот Иван Федоров повторил достижение Йегера в 1948 году. Советские самолеты Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950) уже позднее смогли преодолеть скорость звука.
Преодоление скорости звука сопровождается красивыми визуальными и звуковыми эффектами.
Первый серийный околозвуковой истребитель-бомбардировщик Хоукер «Хантер» уже мог преодолевать скорость звука. Это легендарный британский истребитель послевоенной эпохи, созданный в 1950-х годах. Этот самолет не должен летать на сверхзвуковых скоростях в горизонтальном полете, но в умелых руках пилота он смог превысить 1200 км в час, преодолевая звуковой барьер.
Именно относительно быстрое движение материальной точки относительно выбранной системы ввело ещё одно понятие как число Маха по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916). Это внесистемная единица измерения показывающая отношение скорости полета относительно звука.
Сейчас рекорд скорости для пилотируемых аппаратов на реактивных двигателях принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3955 км в час или 3,2 Маха
Следовательно, звуковой барьер — это вовсе не препятствие, а всего лишь ограничение перемещения самого звука, определяемое физикой движения молекул воздуха.
В настоящее время скорость ракеты в космосе достигла величины 40 тыс. км/ч и пока имеет технологическое ограничение.
А что же световой барьер — то же самое?
Почему достаточно мощный самолет или космический корабль не может летать быстрее, чем волны в электрическом и магнитном полях? Ответ заключается в том, что «световой барьер» имеет совершенно иную природу и в принципе не может быть преодолен. Причиной этого является то, что распространение света в пространстве имеет более важную роль во Вселенной, чем просто перемещение чего-либо.