Что будет если преодолеть звуковой барьер

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.

Источник

Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?

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.

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.

Облако возникает не в момент преодоления барьера, а в момент вхождения самолета в зону повышенной относительной влажности. Подобные эффекты видны и на дозвуковых скоростях.

Никакой фокусировки звука на земле (прихода звуковых волн от разных точек траектории) при сверхзвуковом полете не происходит. Это очевидно хотя бы из тех соображений, что хлопок слышится последовательно во всех точках поверхности под летящим самолетом. А по вашему объяснению получалось бы, что некоторым точкам на земле звука «не хватило бы», (точнее соответствующих участков траектории, которые служат источником звука).

Я сомневаюсь, что самолеты, которые летали низко над вами, двигались со сверхзвуковой скоростью. Запаздывание звука при полете на небольшой высоте будет наблюдаться и при дозвуковой скорости. Причин ту две. Во-первых, диаграмма направленности звука реактивного самолета. Вперед по курсу излучается очень небольшое количество звука. Основная мощность уходит назад от реактивной струи. Поэтому, когда самолет проходит над вами, звук очень резко усиливается. Настолько резко, что слабый шум, издаваемый приближающимся самолетом, просто меркнет по сравнению с шумом удаляющегося.

Как-то раз мне довелось стоять в конце взлетно-посадочной полосы, по которой на меня разгонялся ИЛ-86. Так вот пока он приближался, я практически не слышал звука двигателей, работающих на форсаже. Но как только он прошел на головой, звук достиг такой силы, что я непроизвольно упал на полосу, зажав уши руками. Как вы понимаете, никаким сверхзвуком тут и не пахнет.

Ну, а раскатистость сверхзвукового хлопка связана с дисперсией звуковых волн. Ударная волна только вблизи самолета имеет совершенно четкую границу. Чем дальше, тем больше ее энергия размывается. В некоторый момент она фактически перестает быть ударной волной и становится просто громким звуком.

Уважаемый И! Во-первых, никакого абсурда в том, что звук может двигаться не от самолета, а вслед за ним. Знак «минус» в этом случае означает лишь то, что звук в тыловой стороне изменил направление движения. До этого момента он имел направление противоположное направлению движения самолета. Затем стал двигаться в НАПРАВЛЕНИИ движения самолета. Конечно, это сточки зрения стороннегт наблюдателя.

Во-вторых, физическая природа явления проста, и заключается в том, что поскольку ЗВУК ПОРОЖДАЕТСЯ ВИБРИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ САМОЛЕТА, то при его разгоне каждая следующая волна звука просто обязана лететь быстрее на величину приращения скорости самолета. Но продолжаться это может только до того момента, когда скорость самолета достигнет, а затем превысит скорость, с которой звук может распространяться в воздухе, т.е. достигнет максимальной скорости, с которой молекулы и атомы воздуха могут колебаться, передавая звук.Эта скорость равна так называемой тепловой скорости молекул, т.е. порядка 465 м/с. А она, как видите, больше той, которую определили для непожвижного источника звука: 330 м/с.

Спасибо за внимание.

Уважаемый Андрей! Еще раз обращаю Ваше внимание на механизм образования звука. Согласитесь, что звук порождается колебанием оболочки звучащего тела, в данном случае самолета. Скорость распространения звука определяется максимальной линейной скоростью колеблющейся оболочки, которую получают окружающие звучащий корпус молекулы и атомы воздуха. Согласитесь также, что при разгоне корпус самолета кроме этой, назовем ее начальной скоростью, приобретает добавочную, определяемую ускорением самолета. Именно поэтому каждая следующая звуковая волна отлетает от самолета со скоростью, большей на величину приращения скорости самолета.

Что касается величины тепловой скорости молекул, см. справочник Детлаф, Яворский по физике. Не помню страницу, но это в разделе аэродинамики.

Как мне кажется, автор объяснил именно первый феномен. Движение на дозвуковой скорости: звук намного опережает самолет и возрастает по мере приближения пропорционально расстоянию, в момент прохождения над слушателем звук имеет максимальную амплитуду.
Движение на сверзвуке: перед самолетом звука нет, в момент проходжения конуса звука над слушателем, последнему кажется что звук от 0 мгновенно возрос до громкости работающей турбины. Отсюда эфект удара.

Что касается момента преодоления скорости звука, то у меня объяснений удару нет. Не то образование.

Это лишь мое мнение.

Здесь необходимо пояснить понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха.
С этой целью полезно окрыть второй том «Механики сплошной среды» академика АН СССР Леонида Ивановича Седова. Применительно к шару,на странице 187 этого тома читаем:

«Шар в жидкости будет двигаться под действием некоторых сил так же, как он двигался бы в пустоте, если бы его масса М изменилась на м. Величина м называется ПРИСОЕДИНЁННОЙ массой шара.»

На субатомном уровне понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса имеет более глубокое происхождение.

Открываем книгу «Современная физика» профессора физики Корнельского университета (США) Р.Спроула на стр.28 и читаем :

Упрощённое описание этого сложного термодинамического процесса предполагает и его более фундаментальное описание, вскрывающее многомерную(спектральную) структуру мирового пространства.
См.http://yvsevolod-26.narod.ru/index.html

Всеволод Сергеевич Ярош

Могу подытожить весь форум как человек профессионально связанный с авиацией. Сам учил в бурсе аэродинамику, и конусы Маха видел на экспериментальных установках своими глазами.

Вся аэродинамика условно делится на три диапазона скоростей:

-низкие дозвуковые скорости.Газ при обтекании тел ведет себя как несжимаемая жидкость.Обтекание ламинарное при низких числах Рейнольдса (число Рейнольдса (Re)- отношение сил инерции к силам вязкости) и турбулентное при Re,превышающем некоторую критическую величину.

-высокие дозвуковые скорости.Картина обтекания принципиально меняется.Газ нельзя рассматривать,как несжимаемую жидкость.Несмотря на движение тела сквозь газ с дозвуковой скоростью, возникают области со свехзвуковыми скоростями. Эпюра давлений существенно меняется,что приводит к появлению неприятных явлений: затягивание в пикирование,снижение эффективности или даже реверс органов управления,иногда возникновение «голландского шага» (раскачивание по рысканию и крену) и др.

Всё-таки, уважаемые, какая теория «хлопков» правильна?

«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.»

Насколько я понимаю, здесь говориться о практически мгновенном повышении громкости звука _работающего двигателя_ пролетающего самолета, а не о разных звуковых эффектах, появляющихся при преодолении «звукового барьера», а также при движении с сверхзвуковой скоростью. К слову, об этих эффектах в статье фактически ничего не сказано.

Прочитал всё, что написано в постах по этой теме. От разнообразия теорий крыша едет. Если всем можно, то почему мне нельзя! Поэтому разрожусь и я своей теорией.
Каждый свою идею считает верной. Я в этом не исключение. Правда, я, по-видимому, считаю так пока один. Но если Вы, уважаемый читатель, доберётесь до конца этого моего довольно длинного сообщения, то, может быть (даже, скорее всего), нас будет уже двое!
Обещаю не злоупотреблять Вашим терпением и не грузить Вас всякими «самолётами, которые своим носом раздвигают молекулы воздуха» или «проколотыми конусами Маха». Не буду пугать и числами Рейнольдса, и аэродинамическими трубами. А просто приглашу Вас выйти со мной в чистое поле и там послушать, как летают самолёты.

А теперь, уважаемый читатель, выйдем в поле и послушаем, как летают самолёты. А своими наблюдениями поделимся с другими посетителями сайта, а заодно и с г.Венедюхиным. Итак, в поле!

А теперь «послушаем» два самолёта: один, летящий с существенно дозвуковой скоростью, и другой, например, со скоростью в два раза превышающий скорость звука.

Я думаю, теперь Вам понятно, почему возникает «звуковой удар».

Но это, так сказать, только первое приближение. Потому что мы, по правде говоря, рассмотрели самолёт, пронёсшийся в нескольких сантиметрах у нас над головами, и скорость которого относительно нас с Вами на всём продолжении полёта от Дальнего Муракина до точки наблюдения была постоянна.

Если Вы терпеливо дочитали до этого места, то я очень рад. Надеюсь, нас уже двое, тех кто знает, почему полёт сверхзвукового самолёта сопровождается рёвом и грохотом.

И, самое интересное, чтобы это узнать нам не потребовалось никаких аэродинамических труб, продырявленных конусов Маха и корабликов на воде.
А понадобился только закон сохранения энергии, о котором каждому посетителю этого сайта предлагаю просто всегда помнить.

А теперь можем и перейти к тактике сверхзвукового полёта и необходимым характеристикам самолёта для эффективного подавления пехоты противника.

Вы очень много нафантазировали, но истины не достигли. Во-первых, совершенно не учли эффект Доплера. Во-вторых, скачок уплотнения имеет структуру, очень похожую на структуру ударной волны при взрыве.

А всего-то нужно взять сверхзвуковую аэродинамическую трубу, и вместо выковыривания из носа новых идей, просто убедиться, что теоретические выкладки Жуковского и Чаплыгина до сих пор (уже больше ста лет) весьма точно выполняются. А они исходили из молекулярно-кинетической теории газов.

Поскольку для рассуждения я использовал рисунок, а он не прикрепляется к сообщению, то решил просто отправить на мыло в надежде, что его вставят в блок обсуждений.

Начальные условия. Самолёт летит со сверхзвуковой скоростью из точки А в точку В. Фронт распространения фронта звуковой волны ОВС. Посмотрим, что происходит, когда фронт звуковой волны придёт в точку О, где находится человек. Звук одновременно приходит в точку О из места, когда самолёт был в точке А и из точки В. Почему? Находясь в точке А самолёт успевает пролететь в точку В за то время, пока звук идёт из точки А в точку О. Учитывая, что 2 звуковые волны интерферируют, звуковое давление фронта будет значительно. В этом и состоит звуковой эффект в виде хлопка.

Источник

Звуковой барьер

СОДЕРЖАНИЕ

История [ править ]

Ранние проблемы [ править ]

Все эти эффекты, хотя в большинстве случаев не связаны друг с другом, привели к появлению концепции «барьера», затрудняющего самолету превышение скорости звука. [9] Ошибочные сообщения в новостях заставили большинство людей представить себе звуковой барьер как физическую «стену», которую сверхзвуковому самолету нужно было «сломать» острой иглой в передней части фюзеляжа. Продукция экспертов по ракетной технике и артиллерии обычно превышала 1 Маха, но авиаконструкторы и инженеры-аэродинамики во время и после Второй мировой войны обсуждали 0,7 Маха как предел, превышение которого опасно. [10]

Ранние претензии [ править ]

Во время Второй мировой войны и сразу после нее было сделано несколько заявлений о том, что звуковой барьер был сломан при пикировании. Большинство этих предполагаемых событий можно отклонить как инструментальные ошибки. Типичный индикатор воздушной скорости (ASI) использует разницу давлений воздуха между двумя или более точками самолета, обычно около носа и сбоку фюзеляжа, для получения значения скорости. На высокой скорости различные эффекты сжатия, которые приводят к возникновению звукового барьера, также приводят к тому, что ASI становится нелинейным и дает неточно высокие или низкие показания, в зависимости от специфики установки. Этот эффект получил название «скачок Маха». [11] До введения махометров, точные измерения сверхзвуковых скоростей могли производиться только дистанционно, обычно с использованием наземных инструментов. Многие заявления о сверхзвуковых скоростях оказались намного ниже этой скорости при таком измерении.

Это утверждение широко оспаривается даже пилотами его подразделения. [16] Известно, что все эффекты, о которых он сообщил, происходят на Me 262 на гораздо более низких скоростях, и показания ASI просто ненадежны в околозвуковом режиме. Кроме того, серия испытаний, проведенных Карлом Дётчем по приказу Вилли Мессершмитта, показала, что самолет становится неуправляемым при скорости выше 0,86 Маха, а при скорости 0,9 Маха он перескакивает в пикирование, из которого невозможно выйти. Послевоенные испытания, проведенные ВВС Великобритании, подтвердили эти результаты с небольшими изменениями, согласно которым максимальная скорость с использованием новых инструментов была установлена ​​на уровне 0,84 Маха, а не 0,86 Маха. [17]

В 1999 году Мутке заручился помощью профессора Отто Вагнера из Мюнхенского технического университета для проведения вычислительных тестов, чтобы определить, сможет ли самолет преодолеть звуковой барьер. Эти тесты не исключают такой возможности, но в них отсутствуют точные данные о коэффициенте лобового сопротивления, которые потребуются для точного моделирования. [18] [19] Вагнер заявил: «Я не хочу исключать такую ​​возможность, но я могу представить, что он также мог быть чуть ниже скорости звука и чувствовал удары, но не превышал Маха-1». [16]

Сообщается, что скорость 950 км / ч (590 миль / ч) была достигнута при мелком пикировании под углом 20–30 ° от горизонтали. Вертикальных погружений не производилось. На скоростях от 950 до 1000 км / ч (от 590 до 620 миль в час) воздушный поток вокруг самолета достигает скорости звука, и сообщается, что поверхности управления больше не влияют на направление полета. Результаты различаются для разных самолетов: некоторые летают и ныряют, а другие постепенно. Также сообщается, что при превышении скорости звука это состояние исчезает и восстанавливается нормальный контроль.

Комментарии о восстановлении управления полетом и прекращении вибрации выше 1 Маха очень важны в документе 1946 года. Однако неясно, откуда взялись эти термины, поскольку похоже, что американские пилоты не проводили такие испытания. [18]

Есть ряд беспилотных транспортных средств, которые в этот период летали со сверхзвуковой скоростью, но, как правило, они не подпадают под определение. В 1933 году советские конструкторы, работавшие над концепцией ПВРД, запускали фосфорные двигатели из артиллерийских орудий, чтобы довести их до рабочей скорости. Возможно, это обеспечило сверхзвуковые характеристики до 2 Маха [23], но это было связано не только с самим двигателем. Напротив, немецкая баллистическая ракета Фау-2 обычно преодолевала звуковой барьер в полете, впервые 3 октября 1942 года. К сентябрю 1944 года Фау-2 обычно достигала 4 Маха (1200 м / с, или 3044 миль в час) во время полета. спуск.

Преодоление звукового барьера [ править ]

Хотя проект в конечном итоге был отменен, исследования были использованы для создания беспилотной ракеты, которая в успешном контролируемом трансзвуковом и сверхзвуковом испытательном полете достигла скорости 1,38 Маха ; Это было уникальное достижение того времени, которое подтвердило аэродинамику M.52.

Первый «служебный» самолет, преодолевший звуковой барьер [ править ]

Британское министерство авиации подписало соглашение с Соединенными Штатами об обмене всеми своими высокоскоростными исследованиями, данными и проектами, и компании Bell Aircraft был предоставлен доступ к чертежам и исследованиям M.52 [29], но США отказались от обязательств. согласия, и никаких данных взамен не поступало. [30] В сверхзвуковой конструкции Белла по-прежнему использовался обычный хвост, и они боролись с проблемой контроля. [31]

В результате первого сверхзвукового полета X-1 Национальная ассоциация воздухоплавателей проголосовала за трофей Collier Trophy 1948 года, который разделили три основных участника программы. В Белом доме президент Гарри С. Трумэн удостоил чести Ларри Белла из Bell Aircraft, капитана Йегера за пилотирование полетов и Джона Стэка за вклад в NACA.

Звуковой барьер понят [ править ]

Преодоление звукового барьера в наземном транспортном средстве [ править ]

Феликс Баумгартнер [ править ]

В октябре 2012 года Феликс Баумгартнер с командой ученых и спонсором Red Bull предпринял попытку рекордного прыжка с парашютом в истории. В рамках проекта Баумгартнер попытается спрыгнуть с гелиевого шара на высоту 36 580 м и станет первым парашютистом, преодолевшим звуковой барьер. Запуск был запланирован на 9 октября 2012 года, но был прерван из-за неблагоприятных погодных условий; впоследствии капсула была запущена вместо этого 14 октября. Подвиг Баумгартнера также ознаменовал 65-ю годовщину успешной попытки американского летчика-испытателя Чака Йегера преодолеть звуковой барьер в самолете. [39]

Баумгартнер приземлился в восточной части Нью-Мексико, прыгнув с мирового рекорда 128 100 футов (39 045 м) или 24,26 мили, и преодолел звуковой барьер, двигаясь со скоростью до 833,9 миль в час (1342 км / ч, или 1,26 Маха). На пресс-конференции после прыжка было объявлено, что он находился в свободном падении 4 минуты 18 секунд, что является вторым по продолжительности свободным падением после прыжка Джозефа Киттингера в 1960 году в течение 4 минут 36 секунд. [39]

Алан Юстас [ править ]

Наследие [ править ]

Источник