Звуковий бар'єр літака. звуковий бар'єр

Звуковий бар'єр - це явище, яке виникає в польоті літака або ракети в момент переходу від дозвуковій до надзвукової швидкості польоту в атмосфері. При наближенні швидкості літака до швидкості звуку (1200 км / ч) в повітрі перед ним виникає тонка область, в якій відбувається різке збільшення тиску і щільності повітряного середовища. Це ущільнення повітря перед летять літаком називається ударною хвилею. На землі проходження ударної хвилі сприймається як звук, схожий на звук пострілу. Перевищивши швидкість звуку, літак проходить крізь цю область підвищеної щільності повітря, як би проколює її - долає звуковий бар'єр. Довгий час подолання звукового бар'єру уявлялося серйозною проблемою в розвитку авіації. Для її вирішення потрібно змінити профіль і форму крила літака (воно стало більш тонким і стрілоподібним), зробити передню частину фюзеляжу більш загостреною і забезпечити літаки реактивними двигунами. Вперше швидкість звуку була перевищена в 1947 р Ч. Йігер на літаку Белл Х-1 (США) з рідинним ракетним двигуном, запущеному з літака Боїнг В-29. У Росії звуковий бар'єр першим подолав в 1948 р льотчик О. В. Соколовський на експериментальному літаку Ла-176 з турбореактивним двигуном.

Відео.

Швидкість звуку.

Швидкість поширення (щодо середовища) малих збурень тиску. У скоєному газі (наприклад, в повітрі при помірних температурах і тиску) С. з. не залежить від характеру поширюється малого обурення і однакова як для монохроматичних коливань різної частоти (), так і для слабких ударних хвиль. У скоєному газі в розглянутій точці простору С. з. а залежить тільки від складу газу і його абсолютної температури Т:
a \u003d (dp / d (()) 1/2 \u003d ((() p / (()) 1/2 \u003d ((() RT / (()) 1/2,
де dp / d (() - похідна тиску по щільності для ізоентропіческого процесу, (-) - показник адіабати, R - універсальна газова постійна, (-) - молекулярна маса (в повітрі a 20,1T1 / 2 м / с. при 0 (°) C a \u003d 332 м / с).
У газі з фізико-хімічними перетвореннями, наприклад, в диссоциирующих газі, С. з. буде залежати від того, як - равновесно або нерівноважної - протікають ці процеси в хвилі обурення. При термодинамічній рівновазі С. з. залежить тільки від складу газу, його температури і тиску. При нерівноважному протіканні фізико-хімічних процесів має місце дисперсія звуку, тобто С. з. залежить не тільки від стану середовища, а й від частоти коливань (). Високочастотні коливання ((тт), ()) - час релаксації) поширюються із замороженою С. з. aj, низькочастотні ((,) 0) - з рівноважної С. з. ae, причому aj\u003e ae. Відмінність aj від ai як правило, невелика (в повітрі при Т \u003d 6000 (°) С і p \u003d 105 Па воно становить близько 15%). У рідинах С. з. значно вище, ніж в газі (в воді a 1500 м / с)

Чому подолання літаком звукового бар'єру супроводжується вибухоподібним бавовною? І що таке «звуковий бар'єр»?

З «бавовною» відбувається непорозуміння, викликане неправильним розумінням терміна «звуковий бар'єр». Цей «хлопок» правильно називати «звуковим ударом». Літак, що рухається з надзвуковою швидкістю, створює в навколишньому повітрі ударні хвилі, стрибки повітряного тиску. Спрощено ці хвилі можна уявити собі у вигляді супроводжуючого політ літака конуса, з вершиною, як би прив'язаною до носової частини фюзеляжу, а утворюють, спрямованими проти руху літака і поширюються досить далеко, наприклад до поверхні землі.

Коли межа цього уявного конуса, що позначає фронт основною звукової хвилі, досягає вуха людини, то різкий стрибок тиску сприймається на слух як бавовна. Звуковий удар, як прив'язаний, супроводжує весь політ літака, за умови що літак рухається досить швидко, нехай і з постійною швидкістю. Бавовною ж здається прохід основної хвилі звукового удару над фіксованою точкою поверхні землі, де, наприклад, знаходиться слухач.

Іншими словами, якби надзвуковий літак з постійною, але надзвуковою швидкістю почав літати над слухачем туди-сюди, то бавовна чутний їхній щораз, через деякий час після прольоту літака над слухачем на досить близькій відстані.

А «звуковим бар'єром» в аеродинаміці називають різкий стрибок повітряного опору, що виникає при досягненні літаком деякої прикордонної швидкості, близької до швидкості звуку. При досягненні цієї швидкості характер обтікання літака повітряним потоком змінюється кардинальним чином, що свого часу сильно ускладнювало досягнення надзвукових швидкостей. Звичайний, дозвуковій, літак не здатний стійко летіти швидше звуку, як би його не розганяли, - він просто втратить управління і розвалиться.

Для подолання звукового бар'єру вченим довелося розробити крило зі спеціальним аеродинамічним профілем і придумати інші хитрощі. Цікаво, що пілот сучасного надзвукового літака добре відчуває «подолання» своїм літальним апаратом звукового бар'єру: при переході на надзвукове обтікання відчувається «аеродинамічний удар» і характерні «стрибки» в керованості. Ось тільки з «ударами» на землі ці процеси безпосередньо не пов'язані.

Перед тим, як літак подолає звуковий бар'єр, може утворитися незвичайну хмару, походження якого досі не ясно. Згідно найбільш популярної гіпотези, поруч з літаком відбувається падіння тиску і виникає так звана сингулярність Прандтля-Глауерт з подальшою конденсацією крапельок води з вологого повітря. Власне, конденсат ви і бачите на фотках внизу ...

Натисніть на малюнок, щоб збільшити його.

Іноді, коли в небі пролітає реактивний літак, можна почути гучний хлопок, по звуку нагадує вибух. Цей «вриваючись» є результатом подолання літаком звукового бар'єру.

Що таке звуковий бар'єр і чому ми чуємо вибух? І хто першим подолав звуковий бар'єр ? Ці питання ми розглянемо нижче.

Що таке звуковий бар'єр і як він утворюється?

Аеродинамічний звуковий бар'єр - ряд явищ, які супроводжують рух будь-якого літального апарату (літака, ракети і т.п.), швидкість якого дорівнює або перевищує швидкість звуку. Іншими словами, аеродинамічний «звуковий бар'єр» - це різкий стрибок опору повітря, який виникає при досягненні літаком швидкості звуку.

Звукові хвилі переміщаються в просторі з певною швидкістю, яка змінюється в залежності від висоти, температури і тиску. Наприклад, на рівні моря швидкість звуку становить приблизно 1220 км / год, на висоті 15 тис. М - до 1000 км / год і т.д. Коли швидкість літака наближається до швидкості звуку, на нього діють певні навантаження. На звичайних швидкостях (дозвукових) ніс літака «жене» перед собою хвилю стисненого повітря, швидкість якої відповідає швидкості звуку. Швидкість руху хвилі більше, ніж звичайна швидкість літака. В результаті цього, повітря вільно обтікає всю поверхню літака.

Але, якщо швидкість літака відповідає швидкості звуку, хвиля стиснення утворюється не на носі, а перед крилом. В результаті цього утворюється ударна хвиля, що збільшує навантаження на крила.

Щоб літальний апарат зміг подолати звуковий бар'єр, крім певної швидкості він повинен мати особливу конструкцію. Саме тому авіаконструктори розробили і застосували в літакобудуванні спеціальний аеродинамічний профіль крила і інші хитрощі. У момент подолання звукового бар'єру пілот сучасного надзвукового літального апарату відчуває вібрації, «стрибки» і «аеродинамічний удар», який на землі ми сприймаємо, як бавовна або вибух.

Хто першим подолав звуковий бар'єр?

Питання «першопрохідців» звукового бар'єру такий же, як і питання перших підкорювачів космосу. На питання " Хто першим подолав надзвуковий бар'єр ? » можна дати різні відповіді. Це і перша людина, що подолав звуковий бар'єр, і перша жінка, і, як не дивно, перший пристрій ...

Першим, хто подолав звуковий бар'єр, був льотчик-випробувач Чарльз Едвурд Йегер (Чак Ігер). 14 жовтня 1947 року його експериментальний літак Bell X-1, оснащений ракетним двигуном, вийшовши в пологе пікірування з висоти 21379 м над Вікторвіллі (Каліфорнія, США), досяг швидкості звуку. Швидкість літака в цей момент склала 1207 км / год.

Протягом своєї кар'єри військовий льотчик зробив великий внесок у розвиток не тільки американської військової авіації, а й космонавтики. Чарльз Елвуд Йегер закінчив свою кар'єру в званні генерала ВПС США, побувавши в багатьох куточках планети. Досвід військового льотчика у нагоді навіть в Голлівуді при постановці ефектних повітряних трюків в художньому фільмі «Льотчик».

Історію Чака Йегера про подолання звукового бар'єру розповідає фільм «Хлопці що треба», який в 1984 році удостоївся чотирьох статуеток Оскар.

Інші «підкорювачі» звукового бар'єру

Крім Чарльза Йегера, який першим подолав звуковий бар'єр, були і інші рекордсмени.

Перший радянський льотчик-випробувач - Соколовський (26 грудня 1948).
Перша жінка - американка Жаклін Кохран (18 травня 1953 г.). Пролітаючи над військово-повітряною базою Едвардс (Каліфорнія, США), її літак F-86 подолав звуковий бар'єр на швидкості 1223 км / год.
Перший цивільний літак - американський пасажирський авіалайнер Douglas DC-8 (21 серпня 1961 г.). Його політ, який проходив на висоті близько 12,5 тис. М, був експериментальним і організовувався з метою збору даних, необхідних для майбутнього проектування передніх кромок крил.
Перший автомобіль, що подолав звуковий бар'єр - Thrust SSC (15 жовтня 1997 г.).
Перша людина, що подолав звуковий бар'єр у вільному падінні - американець Джо Кіттінгер (1960), який стрибнув з парашутом з висоти 31,5 км. Однак після нього, пролітаючи 14 жовтня 2012 р над американським містом Розуелл (Нью-Мексико, США), австрієць Фелікс Баумгартнер поставив світовий рекорд, покинувши повітряна куля з парашутом на висоті 39 км. Його швидкість при цьому склала близько 1342,8 км / год, а спуск на землю, велика частина шляху якого проходила у вільному падінні, зайняв всього 10 хвилин.
Світовий рекорд подолання звукового бар'єру літальним апаратом належить гіперзвукової аеробалістичних ракеті Х-15 класу «повітря-земля» (1967), що знаходиться зараз на озброєнні російської армії. Швидкість ракети на висоті 31,2 км склала 6389 км / год. Хотілося б відзначити, що максимально можлива швидкість пересування людини в історії пілотованих літальних апаратів - 39897 км / год, яку в 1969 р досяг американський космічний корабель «Аполлон-10».

Перше винахід, який подолав звуковий бар'єр

Як не дивно, але першим винаходом, який подолав звуковий бар'єр був ... простий хлист, придуманий древніми китайцями 7 тис. Років тому.

До винаходу в 1927 році моментальної фотографії, ніхто не міг подумати, що клацання хлиста - це не просто удар ремінця про рукоятку, а мініатюрний надзвуковий клацання. Під час різкого помаху формується петля, швидкість якої збільшується в кілька десятків разів і супроводжується клацанням. Петля долає звуковий бар'єр на швидкості близько 1200 км / год.

Незвичайну картину можна іноді спостерігати під час польоту реактивних літаків, які наче виринають із хмари туману. Це явище називається ефектом Прандтля-Глоерта і полягає у виникненні хмари позаду об'єкта, що рухається на околозвуковой швидкості в умовах підвищеної вологості повітря.

Причина виникнення цього незвичайного явища полягає в тому, що летить на високій швидкості літак створює область підвищеного тиску повітря перед собою і область зниженого тиску позаду. Після прольоту літака область зниженого тиску починає заповнюватися навколишнім повітрям. При цьому в силу досить високою інерції повітряних мас спочатку вся область низького тиску заповнюється повітрям із прилеглих областей, прилеглих до області низького тиску.

Цей процес локально є адіабатичним процесом, де він обіймав повітрям обсяг збільшується, а його температура знижується. Якщо вологість повітря досить велика, то температура може знизитися до такого значення, що виявиться нижче точки роси. Тоді міститься в повітрі водяна пара конденсується у вигляді дрібних крапельок, які утворюють невелику хмару.

Клікабельно 2600 рх

У міру того, як тиск повітря нормалізується, температура в ньому вирівнюється і знову стає вище точки роси, і хмара швидко розчиняється в повітрі. Зазвичай час його життя не перевищує часток секунди. Тому при польоті літака здається, що хмара слід за ним - внаслідок того, що воно постійно утворюється відразу позаду літака, а потім зникає.

Існує поширена помилка, що виникнення хмари з-за ефекту Прандтля-Глоерта означає, що саме в цей момент літак долає звуковий бар'єр. В умовах нормальної або злегка підвищеної вологості хмара утворюється тільки при великих швидкостях, близьких до швидкості звуку. У той же час при польотах на малій висоті і в умовах дуже високої вологості (наприклад, над океаном) цей ефект можна спостерігати і при швидкостях, значно менших швидкості звуку.

Клікабельно 2100 рх

З "бавовною" відбувається непорозуміння, викликане неправильним розумінням терміна "звуковий бар'єр". Цей "хлопок" правильно називати "звуковим ударом". Літак, що рухається з надзвуковою швидкістю, створює в навколишньому повітрі ударні хвилі, стрибки повітряного тиску. Спрощено ці хвилі можна уявити собі у вигляді супроводжуючого політ літака конуса, з вершиною, як би прив'язаною до носової частини фюзеляжу, а утворюють, спрямованими проти руху літака і поширюються досить далеко, наприклад до поверхні землі.

Клкіабельно 2500 рх

А ось подивіться який цікавий кадр! Перший раз таке бачу!

Клікабельно 1 920 рх - кому на стіл!

Пройшов звуковий бар'єр: -) ...

Перш ніж вирушити в розмови по темі, внесемо деяку ясність в питання про точність понять (то, что мне нравится :-)). Зараз в досить широкому вжитку знаходяться два терміни: звуковий бар'єр і надзвуковий бар'єр. Звучать вони схоже, але все ж неоднаково. Однак, строгості особливої \u200b\u200bрозводити сенсу немає: по суті це одне і те ж. Ухвалою звуковий бар'єр користуються найчастіше люди більш обізнані і ближчі до авіації. А другим визначенням зазвичай всі інші.

Я думаю, що з точки зору фізики (і російської мови :-)) більш правильно говорити все ж звуковий бар'єр. Тут проста логіка. Адже існує поняття швидкість звуку, а фіксованого поняття швидкість сверхзвуков, строго кажучи, немає. Трохи забігаючи вперед скажу, що коли літальний апарат летить на сверхзвуке, то він вже цей бар'єр пройшов, а коли він його проходить (долає), то він при цьому проходить якесь порогове значення швидкості, що дорівнює швидкості звуку (а не сверхзвуков).

От якось так:-). При цьому перше поняття вживається значно рідше, ніж друге. Це, мабуть, тому, що слово надзвуковий звучить більш екзотично і привабливо. А в надзвуковому польоті екзотика безумовно присутній і, природно, приваблює багатьох. Однак далеко не всі люди, смакують слова « надзвуковий бар'єр»Розуміють насправді, що ж таке. Не раз уже в цьому переконувався, заглядаючи на форуми, читаючи статті навіть дивлячись телевізор.

Питання це насправді з точки зору фізики досить складний. Але ми в складності, звичайно, не готові до десантування. Просто постараємося, як зазвичай, прояснити ситуацію використовуючи принцип «пояснення аеродинаміки на пальцях» :-).

Отже, до бар'єра (звуковому :-))! ... Літак в польоті, впливаючи на таку пружну середу, як повітря, стає потужним джерелом звукових хвиль. Що таке звукові хвилі в повітрі знають, я думаю, все :-).

Звукові хвилі (камертон).

Це чергування областей стиснення і розрідження, що поширюються в різні боки від джерела звуку. Приблизно як кола на воді, які теж як раз хвилями і є (тільки не звуковими :-)). Саме такі області, впливаючи на барабанну перетинку вуха, дозволяють нам чути всі звуки цього світу, від людського шепоту до гуркоту реактивних двигунів.

Приклад звукових хвиль.

Точками поширення звукових хвиль можуть бути різні вузли літака. Наприклад двигун (його звук відомий будь-якій :-)), або деталі корпуса (наприклад, носова частина), які, ущільнюючи перед собою повітря при русі, створюють певного виду хвилі тиску (стиснення), що біжать вперед.

Всі ці звукові хвилі поширюються в повітряному середовищі з уже відомою нам швидкістю звуку. Тобто якщо літак дозвуковій, та ще й летить на малій швидкості, то вони від нього як би тікають. В результаті при наближенні такого літака ми чуємо спочатку його звук, а потім вже пролітає він сам.

Обмовлюся, правда, що це справедливо, якщо літак летить не дуже високо. Адже швидкість звуку - це не швидкість світла :-). Величина її не настільки велика і звуковим хвилям потрібен час, щоб дійти до слухача. Тому черговість появи звуку для слухача і літака, якщо той летить на великій висоті може змінитися.

А раз звук не так вже й швидкий, то зі збільшенням власної швидкості літак починає наздоганяти хвилі їм випускаються. Тобто, якби він був нерухомий, то хвилі розходилися б від нього у вигляді концентричних кіл, Як кола на воді від кинутого каменя. А так як літак рухається, то в секторі цих кіл, відповідному напрямку польоту, межі хвиль (їх фронти) починають зближуватися.

Дозвуковое рух тіла.

Відповідно, проміжок між літаком (його носовою частиною) і фронтом найпершої (головний) хвилі (тобто це та область, де відбувається поступове, до певної міри, гальмування набігаючого потоку при зустрічі з носовою частиною літака (крила, хвостового оперення) і, як наслідок, збільшення тиску і температури) Починає скорочуватися і тим швидше, чим більше швидкість польоту.

Настає такий момент, коли цей проміжок практично зникає (або стає мінімальним), перетворюючись в особливого роду область, яку називають стрибком ущільнення. Це відбувається тоді, коли швидкість польоту досягає швидкості звуку, тобто літак рухається з тією ж швидкістю, що і хвилі їм випускаються. Число Маха при цьому дорівнює одиниці (М \u003d 1).

Звуковий рух тіла (М \u003d 1).

стрибок ущільнення, Являє собою дуже вузьку область середовища (близько 10 -4 мм), при проходженні через яку відбувається вже не поступове, а різке (стрибкоподібне) зміна параметрів цього середовища - швидкості, тиску, температури, щільності. У нашому випадку швидкість падає, тиск, температура і щільність зростають. Звідси таку назву - стрибок ущільнення.

Дещо спрощено про все це я б ще сказав так. Надзвуковий потік різко загальмувати неможливо, але йому це робити доводиться, адже вже немає можливості поступового гальмування до швидкості потоку перед самим носом літака, як на помірних дозвукових швидкостях. Він ніби натикається на ділянку дозвука перед носом літака (або носком крила) і мнеться в вузький стрибок, передаючи йому велику енергію руху, якою володіє.

Можна, до речі, сказати і навпаки, що літак передає частину своєї енергії на утворення стрибків ущільнення, щоб загальмувати надзвуковий потік.

Надзвукове рух тіла.

Є для стрибка ущільнення й іншу назву. Переміщаючись разом з літаком в просторі, він являє собою по суті справи фронт різкої зміни вищевказаних параметрів середовища (тобто повітряного потоку). А це є суть ударна хвиля.

стрибок ущільнення і ударна хвиля, вобщем-то, рівноправні визначення, але в аеродинаміці більш вживано перше.

Ударна хвиля (або стрибок ущільнення) можуть бути практично перпендикулярними до напрямку польоту, в цьому випадку вони приймають в просторі приблизно форму кола і називаються прямими. Це зазвичай буває на режимах, близьких до М \u003d 1.

Режими руху тіла. ! - дозвук, 2 - М \u003d 1, сверхзвук, 4 - ударна хвиля (стрибок ущільнення).

При числах М\u003e 1 вони вже розташовуються під кутом до напрямку польоту. Тобто літак вже переганяє власний звук. У цьому випадку вони називаються косими і в просторі приймають форму конуса, який, до речі, носить назву конуса Маха, на ім'я вченого, який займався дослідженнями надзвукових течій (згадував про нього в одній з).

Конус Маха.

Форма цього конуса (його так би мовити «стрункість») як раз і залежить від числа М і пов'язана з ним співвідношенням: М \u003d 1 / sin α, де α - це кут між віссю конуса і його твірною. А конічна поверхня стосується фронтів всіх звукових хвиль, джерелом яких став літак, і які він «обігнав», вийшовши на надзвукову швидкість.

Крім того перегони ущільнення можуть бути також приєднаними, Коли вони примикають до поверхні тіла, що рухається з надзвуковою швидкістю або ж відійшли, якщо вони з тілом не стикаються.

Види стрибків ущільнення при надзвуковому обтіканні тіл різної форми.

Зазвичай скачки стають приєднаними, якщо надзвуковий потік обтікає будь-які гострі поверхні. Для літака це, наприклад, може бути загострена носова частина, ПВД, гострий край повітрозабірника. При цьому говорять «стрибок сідає», наприклад, на ніс.

А відійшов стрибок може вийти при обтіканні закруглених поверхонь, наприклад, передній закругленою кромки товстого аеродинамічного профілю крила.

Різні вузли корпусу літального апарату створюють в польоті досить складну систему стрибків ущільнення. Однак, найбільш інтенсивні з них - два. Один головний на носовій частині і другий - хвостовий на елементах хвостового оперення. На деякій відстані від літального апарату проміжні скачки або наздоганяють головний і зливаються з ним, або їх наздоганяє хвостовій.

Скачки ущільнення на моделі літака під час продування в аеродинамічній трубі (М \u003d 2).

В результаті залишаються два стрибка, які, взагалі-то, сприймаються земних спостерігачем як один з-за невеликих розмірів літака в порівнянні з висотою польоту і, відповідно, т невеликим проміжком часу між ними.

Інтенсивність (іншими словами енергетика) ударної хвилі (стрибка ущільнення) залежить від різних параметрів (швидкості руху літального апарату, його конструктивних особливостей, умов середовища і ін.) І визначається перепадом тиску на її фронті.

У міру віддалення від вершини конуса Маха, тобто від літака, як джерела збурень ударна хвиля слабшає, поступово переходить в звичайну звукову хвилю і в кінцевому підсумку зовсім зникає.

А від того, якою мірою інтенсивністю буде володіти стрибок ущільнення (Або ударна хвиля), який досяг землі залежить ефект, який він може там зробити. Адже не секрет, що всім відомий «Конкорд» літав на сверхзвуке тільки над Атлантикою, а військові надзвукові літаки виходять на сверхзвук на великих висотах або в районах, де відсутні населені пункти (принаймні ніби як повинні це робити :-)).

Ці обмеження дуже навіть виправдані. Для мене, наприклад, саме визначення ударна хвиля асоціюється з вибухом. І справи, які досить інтенсивний стрибок ущільнення може наробити, цілком можуть йому відповідати. Принаймні скла з вікон можуть повилітали запросто. Свідчень цьому існує досить (особливо в історії радянської авіації, коли вона була досить численною і польоти були інтенсивними). Але ж можна наробити справ і гірше. Варто тільки полетіти нижче :-) ...

Однак в більшості своїй то, що залишається від стрибків ущільнення при досягненні ними землі вже не небезпечно. Просто сторонній спостерігач на землі може при цьому почути звук, схожий з гуркотом або вибухом. Саме з цим фактом пов'язані одне розхожа і досить стійке оману.

Люди, не дуже досвідчені в авіаційній науці, почувши такий звук, кажуть, що це літак подолав звуковий бар'єр (надзвуковий бар'єр). Насправді це не так. Це твердження не має нічого спільного з дійсністю принаймні з двох причин.

Ударна хвиля (стрибок ущільнення).

По-перше, якщо людина, що знаходиться на землі, чує високо в небі гучний гуркіт, то це означає, всього лише, (повторююсь :-)) що його вух досяг фронт ударної хвилі (або стрибок ущільнення) Від летить десь літака. Цей літак вже летить на надзвуковій швидкості, а не тільки що перейшов на неї.

І якщо ця ж людина зміг би раптом опинитися в декількох кілометрах попереду по слідування літака, то він знову б почув той же звук від того ж літака, тому що потрапив би під дію тієї ж ударної хвилі, що рухається разом з літаком.

Вона переміщається з надзвуковою швидкістю, і по сему наближається безшумно. А вже після того, як вона зробить свій не завжди приємну дію на барабанні перетинки (добре, коли тільки на них :-)) і благополучно пройде далі, стає чути гул працюючих двигунів.

Орієнтовна схема польоту літака при різних значеннях числа М на прикладі винищувача Saab 35 "Draken". Мова, на жаль, німецький, але схема вобщем зрозуміла.

Більш того сам перехід на сверхзвук не супроводжується жодними одноразовими «бумами», ударами, вибухами і т.п. На сучасному надзвуковому літаку льотчик про такий перехід найчастіше дізнається тільки за показаннями приладів. При цьому відбувається, однак, якийсь процес, але він при дотриманні певних правил пілотування йому практично не помітний.

Але і це ще не все :-). Скажу більше. у вигляді саме якогось відчутного, важкого, труднопересекаемого перешкоди, в який літак впирається і який потрібно «проколювати» (чув я і такі судження :-)) не існує.

Строго кажучи, взагалі ніякого бар'єру немає. Колись на зорі освоєння великих швидкостей в авіації це поняття сформувалося швидше як психологічне переконання про труднощі переходу на надзвукову швидкість і польоті на ній. З'явилися навіть висловлювання про те, що це взагалі неможливо, тим більше, що передумови до такого роду переконанням і висловлювань були цілком конкретні.

Однак, про все по порядку ...

У аеродинаміці існує інший термін, який досить точно описує процес взаємодії з повітряним потоком тіла, що рухається в цьому потоці і прагне перейти на сверхзвук. це хвильової криза. Саме він як раз і робить деякі нехороші речі, які традиційно асоціюють з поняттям звуковий бар'єр.

Отже дещо про кризу :-). Будь-який літальний апарат складається з частин, обтікання яких повітряним потоком в польоті може бути не однаково. Візьмемо, наприклад, крило, точніше звичайний класичний дозвуковій профіль.

З основ знань про те, як утворюється підйомна сила нам добре відомо, що швидкість потоку в прилеглому шарі верхньої криволінійної поверхні профілю різна. Там де профіль більш опуклий вона більше загальної швидкості потоку, далі, коли профіль ущільнюється вона знижується.

Коли крило рухається в потоці на швидкостях, близьких до швидкості звуку, може наступити момент, коли в такий ось, наприклад, опуклою області швидкість шару повітря, яка вже тепер більше загальної швидкості потоку, стає звуковий і навіть надзвуковий.

Місцевий стрибок ущільнення, що виникає на ТРАНСЗВУК при хвильовому кризі.

Далі за профілем ця швидкість знижується і в якийсь момент знову стає дозвуковій. Але, як ми вже говорили вище, швидко загальмуватися сверзвуковое протягом не може, тому неминуче виникнення стрибка ущільнення.

Такі скачки з'являються на різних ділянках обтічних поверхонь, і спочатку вони досить слабкі, але кількість їх може бути велике, і з ростом загальної швидкості потоку збільшуються зони сверхзвуков, скачки «міцніють» і зсуваються до задньої крайки профілю. Пізніше такі ж перегони ущільнення з'являються на нижній поверхні профілю.

Повний надзвукове обтікання профілю крила.

Чим все це загрожує? А ось чим. перше- це значний зростання аеродинамічного опору в діапазоні трансзвукових швидкостей (близько М \u003d 1, більш-менш). Це опір зростає за рахунок різкого збільшення однієї з його складових - хвильового опору. Того самого, яке ми раніше при розгляді польотів на дозвукових швидкостях до уваги не брали.

Для утворення численних стрибків ущільнення (або ударних хвиль) при гальмуванні надзвукового потоку, як я вже говорив вище, витрачається енергія, і береться вона з кінетичної енергії руху літального апарату. Тобто літак елементарно гальмується (і дуже відчутно!). Це і є хвильовий опір.

Більш того, скачки ущільнення через різке гальмування потоку в них, сприяють відриву прикордонного шару після себе і перетворення його з ламінарного в турбулентний. Це ще більше збільшує аеродинамічний опір.

Набрякання профілю при різних числах М. Скачки ущільнення, місцеві зони сверхзвуков, турбулентні зони.

Друге. Через появу місцевих надзвукових зон на профілі крила і надалі їх зсуві до хвостової частини профілю зі збільшенням швидкості потоку і, тим самим, зміни картини розподілу тиску на профілі, точка докладання аеродинамічних сил (центр тиску) теж зміщується до задньої крайки. В результаті з'являється пікіруючий момент відносно центру мас літака, що змушує його опустити ніс.

У що все це виливається ... Через досить різкого зростання аеродинамічного опору літака потрібно відчутний запас потужності двигуна для подолання зони ТРАНСЗВУК і виходу на, так би мовити, справжній сверхзвук.

Різке зростання аеродинамічного опору на ТРАНСЗВУК (хвильової криза) за рахунок зростання хвильового опору. Сd - коефіцієнт опору.

Далі. Через виникнення пікіруючого моменту з'являються складності в управлінні по тангажу. Крім того через невпорядкованості і нерівномірності процесів, пов'язаних з виникненням місцевих надзвукових зон зі стрибками ущільнення теж не може управління. Наприклад по крену, через різних процесів на лівій і правій площинах.

Та ще плюс виникнення вібрацій, часто досить сильних через місцеву турбулізації.

Вобщем, повний набір задоволень, який носить назву хвильової криза. Але, правда, всі вони мають місце (мали, конкретне :-)) при використанні типових дозвукових літаків (з товстим профілем прямого крила) з метою досягнення надзвукових швидкостей.

Спочатку, коли ще не було достатньо знань, і не були всебічно досліджені процеси виходу на сверхзвук, цей самий набір вважався мало не фатально непереборним і отримав назву звуковий бар'єр (або надзвуковий бар'єр, якщо хочете:-)).

При спробах подолання швидкості звуку на звичайних поршневих літаках було чимало трагічних випадків. Сильна вібрація часом приводила до руйнувань конструкції. Літакам не вистачало потужності для необхідного розгону. У горизонтальному польоті він був неможливий через ефект, що має ту ж природу, що і хвильової криза.

Тому для розгону застосовували пікірування. Але воно цілком могло стати фатальним. З'являється при хвильовому кризі пікіруючий момент робив піку затяжним, і з нього, інший раз, не було виходу. Адже для відновлення управління і ліквідації хвильового кризи необхідно було погасити швидкість. Але зробити це в пікіруванні вкрай важко (якщо взагалі можливо).

Затягування в пікірування з горизонтального польоту вважається однією з головних причин катастрофи в СРСР 27 травня 1943 року відомого експериментального винищувача БІ-1 з рідинним ракетним двигуном. Проводилися випробування на максимальну швидкість польоту, і за оцінками конструкторів досягнута швидкість була більше 800 км / ч. Після чого відбулося затягування в піку, з якого літак не вийшов.

Експериментальний винищувач БІ-1.

В наш час хвильової криза вже досить добре вивчений і подолання звукового бар'єру (Якщо це потрібно :-)) особливих труднощів не становить. На літаках, які призначені для польотів з досить великими швидкостями застосовані певні конструктивні рішення і обмеження, що полегшують їх льотну експлуатацію.

Як відомо, хвильової криза починається при числах М, близьких до одиниці. Тому практично всі реактивні дозвукові лайнери (пасажирські, зокрема) мають польотний обмеження по числу М. Зазвичай воно знаходиться в районі 0,8-0,9М. Льотчику пропонується стежити за цим. Крім того на багатьох літаках при досягненні рівня обмеження, після чого швидкість польоту повинна бути знижена.

Практично всі літаки, що літають на швидкостях як мінімум 800 км / год і вище мають стреловидное крило (Принаймні по передній кромці :-)). Воно дозволяє відсунути початок наступу хвильового кризи до швидкостей, що відповідають М \u003d 0,85-0,95.

Стрілоподібне крило. Принципове дію.

Причину такого ефекту можна пояснити досить просто. На пряме крило повітряний потік зі швидкістю V набігає практично під прямим кутом, а на стреловидное (кут стреловидности χ) під деяким кутом ковзання β. Швидкість V можна в векторному щодо розкласти на два потоки: Vτ і Vn.

Потік Vτ не впливає на розподіл тиску на крилі, зате це робить потік Vn, як раз і визначає несучі властивості крила. А він свідомо менше за величиною загального потоку V. Тому на стрілоподібним крилом наступ хвильового кризи і зростання хвильового опору відбувається відчутно пізніше, ніж на прямому крилі при тій же швидкості набігаючого потоку.

Експериментальний винищувач Е-2А (попередник МІГ-21). Типове стреловидное крило.

Однією з модифікацій стреловидного крила стало крило зі надкритичних профілем (Згадував про нього). Воно теж дозволяє зрушити початок хвильового кризи на великі швидкості, крім того дозволяє підвищити економічність, що важливо для пасажирських лайнерів.

SuperJet 100. Стрілоподібне крило з надкритичним профілем.

Якщо ж літак призначений для переходу звукового бар'єру (Проходячи та хвильової криза теж :-)) і польоту на сверхзвуке, то він зазвичай завжди відрізняється певними конструктивними особливостями. Зокрема, зазвичай має тонкий профіль крила і оперення з гострими крайками (В тому числі ромбоподібний або трикутний) і певну форму крила в плані (наприклад, трикутну або трапецієподібну з напливом і т.д.).

Надзвуковий МІГ-21. Послелователь Е-2А. Типове трикутне в плані крило.

МІГ-25. Приклад типового літака, створеного для польоту на сверхзвуке. Тонкі профілі крила і оперення, гострі кромки. Трапецієвидне крило. профіль

Проходження горезвісного звукового бар'єру, Тобто перехід на надзвукову швидкість такі літаки здійснюють на форсажному режимі роботи двигуна в зв'язку з ростом аеродинамічного опору, ну і, звичайно, для того, щоб швидше проскочити зону хвильового кризи. І сам момент цього переходу найчастіше ніяк не відчувається (повторююсь :-)) ні льотчиком (у нього хіба що може знизитися рівень звукового тиску в кабіні), ні стороннім спостерігачем, якби, звичайно, він міг за цим спостерігати :-).

Однак, тут варто сказати ще про одну помилку, зі сторонніми спостерігачами пов'язаним. Напевно багато хто бачив такого роду фотографії, підписи під якими говорять, що це є момент подолання літаком звукового бар'єру, Так би мовити, візуально.

Ефект Прандтля-Глоерта. Чи не пов'язаний з проходженням звукового бар'єру.

По перше, Ми вже знаємо, що звукового бар'єру, як такого-то і немає, і сам перехід на сверхзвук нічим таким надординарного (в тому числі і бавовною або вибухом) не супроводжується.

По-друге. Те, що ми бачили на фото - це так званий ефект Прандтля-Глоерта. Я про нього вже писав. Він ніяк безпосередньо не пов'язаний з переходом на сверхзвук. Просто на великих швидкостях (дозвукових, до речі :-)) літак, рухаючи перед собою певну масу повітря створює ззаду деяку область розрідження. Відразу після прольоту ця область починає заповнюватися повітрям із сусіднього простору з природним збільшенням обсягу і різким падінням температури.

якщо вологість повітрядостатня і температура падає нижче точки роси навколишнього повітря, то відбувається конденсація вологиз водяної пари у вигляді туману, який ми і бачимо. Як тільки умови відновлюються до вихідних, цей туман відразу зникає. Весь цей процес досить швидкоплинний.

Такому процесу на великих навколозвукових швидкостях можуть сприяти місцеві стрибків ущільненняя, іноді допомагаючи формувати навколо літака щось схоже на пологий конус.

Великі швидкості сприяють цьому явищу, однак, якщо вологість повітря виявиться достатньою, то воно може виникнути (і виникає) на досить малих швидкостях. Наприклад, над поверхнею водойм. Більшість, до речі, красивих фото такого характеру зроблені з борту авіаносця, тобто в досить вологому повітрі.

Ось так і виходить. Кадри, звичайно, класні, видовище ефектне :-), але це зовсім не те, чим його найчастіше називають. тут зовсім ні при чому (і надзвуковий бар'єр теж :-)). І це добре, я думаю, інакше спостерігачам, які роблять такого роду фото і відео могло б бути непереливки. Ударна хвиля, Чи знаєте:-)…

У висновку один ролик (раніше я його вже використовував), автори якого показують дію ударної хвилі від літака, що летить на малій висоті з надзвуковою швидкістю. Певне перебільшення там, звичайно, присутній :-), але загальний принцип зрозумілий. І знову ж таки ефектно :-) ...

А на сьогодні все. Спасибі, що дочитали статтю до кінця :-). До нової зустрічі…

Фотографії клікабельні.