Самолетът е преминал звуковата бариера. Преодоляване на звуковата бариера. Комплексни задачи на създателите на самолети

На 14 октомври 1947 г. човечеството премина още един крайъгълен камък. Границата е съвсем обективна, изразена в конкретна физическа величина - скоростта на звука във въздуха, която в условията на земната атмосфера зависи от нейната температура и налягане в рамките на 1100-1200 км/ч. Свръхзвуковата скорост беше покорена от американския пилот Чък Йегър (Чарлз Елууд "Чък" Йегър), млад ветеран от Втората световна война, който имаше изключителна смелост и отлична фотогеничност, благодарение на които веднага стана популярен в родината си точно както 14 години по-късно Юрий Гагарин.

А смелостта да се премине през звуковата бариера наистина се изискваше. Съветският пилот Иван Федоров, който повтори постижението на Йегър година по-късно, през 1948 г., си спомня чувствата си тогава: „Преди да полетя, за да преодолея звуковата бариера, стана ясно, че няма гаранция за оцеляване след нея. Никой на практика не знаеше какво е това и дали дизайнът на самолета ще издържи натиска на стихията. Но се опитахме да не мислим за това.”

Наистина нямаше пълна яснота как ще се държи колата при свръхзвукова скорост. Конструкторите на самолети все още бяха пресни в паметта си за внезапното нещастие от 30-те години на миналия век, когато с нарастването на скоростите на самолетите беше необходимо спешно да се реши проблемът със самоколебанията на флатера, които възникват както в твърдите конструкции на самолета, така и в кожата му, разкъсвайки самолета на части за няколко минути. Процесът се разви лавинообразно, бързо, пилотите нямаха време да сменят режима на полета и колите се разпаднаха във въздуха. Доста дълго време математиците и дизайнерите в различни страни се борят да решат този проблем. В крайна сметка теорията за явлението е създадена от младия тогава руски математик Мстислав Всеволодович Келдиш (19111978), по-късно президент на Академията на науките на СССР. С помощта на тази теория беше възможно да се намери начин завинаги да се отървете от неприятно явление.

Съвсем разбираемо е, че също толкова неприятни изненади се очакваха и от звуковата бариера. Численото решаване на сложни диференциални уравнения на аеродинамиката при отсъствието на мощни компютри беше невъзможно и трябваше да се разчита на "прочистване" на модели в аеродинамични тунели. Но от качествени съображения беше ясно, че когато се достигна скоростта на звука, в близост до самолета се появи ударна вълна. Най-важният момент е преодоляването на звуковата бариера, когато скоростта на самолета се сравнява със скоростта на звука. В този момент разликата в налягането от противоположните страни на фронта на вълната се увеличава бързо и ако моментът продължи повече от миг, самолетът може да се разпадне не по-лошо, отколкото от трептене. Понякога, когато преминава звуковата бариера с недостатъчно ускорение, ударната вълна, създадена от самолета, дори избива прозорците на прозорците на къщи на земята под него.

Съотношението на скоростта на самолета към скоростта на звука се нарича число на Мах (на името на известния немски механик и философ Ернст Мах). При преминаване на звуковата бариера на пилота му се струва, че числото М прескача единица на скокове: Чък Йегър видя как стрелката на оборотомера скочи от 0,98 на 1,02, след което в пилотската кабина всъщност настъпи „божествена“ тишина, привидно: само едно ниво на звуковото налягане в пилотската кабина пада няколко пъти. Този момент на "изчистване от звука" е много коварен, струваше живота на много тестери. Но опасността от разпадане на неговия самолет X-1 беше малка.

X-1, произведен от Bell Aircraft през януари 1946 г., е чисто изследователски самолет, предназначен да преодолее звуковата бариера и нищо повече. Въпреки факта, че колата е поръчана от Министерството на отбраната, вместо оръжия, тя е пълна с научно оборудване, което следи режимите на работа на компоненти, инструменти и механизми. X-1 беше като съвременна крилата ракета. Имаше един ракетен двигател на Reaction Motors с тяга 2722 kg. Максимална излетна маса 6078 кг. Дължина 9,45 м, височина 3,3 м, размах на крилата 8,53 м. Максимална скорост на надморска височина 18290 м 2736 км / ч. Колата е запалена от стратегически бомбардировач B-29, но се приземи на стоманени "ски" върху пресъхнало солено езеро.

Не по-малко впечатляващи са и "тактико-техническите параметри" на неговия пилот. Чък Йегър е роден на 13 февруари 1923 г. След училище той отиде в летателно училище, а след дипломирането си отиде да се бие в Европа. Свали един Месершмит-109. Самият той е свален в небето на Франция, но е спасен от партизани. Сякаш нищо не се е случило, той се върна в базата в Англия. Въпреки това, бдителната служба за контраразузнаване, не вярвайки на чудодейното избавление от плен, отстранява пилота от полет и го изпраща в тила. Амбициозният Йегър получи среща с главнокомандващия на съюзническите сили в Европа, генерал Айзенхауер, който повярва на Йегър. И той не сгреши - за шест месеца, оставащи до края на войната, младият пилот направи 64 полета, свали 13 вражески самолета и 4 в една битка. И той се завърна в родината си с ранг на капитан с отлично досие, което показваше, че има феноменална интуиция за полет, невероятно спокойствие и невероятна издръжливост във всяка критична ситуация. Благодарение на тази характеристика той влезе в екипа от свръхзвукови изпитатели, които бяха подбрани и обучени толкова внимателно, колкото по-късните астронавти.

Преименувайки X-1 "Glamorous Glennis" в чест на съпругата си, Йегър поставя рекорди на него повече от веднъж. В края на октомври 1947 г. предишният рекорд за височина падна от 21 372 м. През декември 1953 г. новата модификация на машината X-1A достигна скорост от 2,35 M почти 2800 km / h, а шест месеца по-късно се издигна до височина от 27 430 м. Освен това имаше изпитания на редица изтребители, пуснати в серия и тестване на нашия МиГ-15, заловен и транспортиран до Америка по време на Корейската война. Впоследствие Йегър командва различни изпитателни звена на ВВС както в САЩ, така и в американски бази в Европа и Азия, участва в боевете във Виетнам и обучава пилоти. Той се пенсионира през февруари 1975 г. с чин бригаден генерал, като по време на доблестната си служба е налетял 10 хиляди часа, управлявал е 180 различни свръхзвукови модела и е събрал уникална колекция от ордени и медали. В средата на 80-те години е заснет филм, базиран на биографията на смел човек, който пръв в света проби звуковата бариера, а след това Чък Йегър стана дори не герой, а национална реликва. За последно той летя с F-16 на 14 октомври 1997 г. и преодолява звуковата бариера на петдесетата годишнина от историческия си полет. Тогава Йегър беше на 74 години. Като цяло, както каза поетът, трябва да се правят нокти от тези хора.

Има много такива хора от другата страна на океана. Съветските дизайнери започнаха да се опитват да завладеят звуковата бариера едновременно с американските. Но за тях това не беше самоцел, а напълно прагматичен акт. Ако X-1 беше чисто изследователска машина, тогава нашата звукова бариера беше щурмувана върху прототипни изтребители, които трябваше да бъдат пуснати в серия, за да оборудват с тях части на военновъздушните сили.

Конкурсът включваше няколко конструкторски бюра Лавочкин, Микоян и Яковлев, в които паралелно се разработваха самолети със стреловидни крила, което тогава беше революционно дизайнерско решение. Те достигат до свръхзвуковия финал в следния ред: Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950). Там обаче проблемът беше решен в доста сложен контекст: една военна машина трябва да притежава не само висока скорост, но и много други качества маневреност, живучест, минимално времепредполетна подготовка, мощни оръжия, внушителен товар с боеприпаси и др. и т.н. Трябва също да се отбележи, че в съветско времерешението на държавните приемни комисии често се влияе не само от обективни фактори, но и от субективни моменти, свързани с политическите маневри на разработчиците. Цялата тази комбинация от обстоятелства доведе до факта, че изтребителят МиГ-15 беше пуснат в серията, който се показа перфектно в местните арени на военни операции през 50-те години. Именно тази кола, заснета в Корея, както бе споменато по-горе, „обикаляше“ Чък Йегър.

В La-176 е приложена стреловидност на крилото, равна на 45 градуса, което е рекорд за онези времена. Турбореактивният двигател VK-1 осигурява тяга от 2700 kg. Дължина 10,97 м, размах на крилата 8,59 м, площ на крилото 18,26 кв.м. Тегло при излитане 4636 кг. Таван 15 000 м. Обхват на полета 1000 км. Въоръжение едно 37 mm оръдие и две 23 mm. Колата е готова през есента на 1948 г., през декември започва летателни изпитания в Крим на военно летище близо до град Саки. Сред тези, които ръководят изпитанията, е бъдещият академик Владимир Василиевич Струмински (19141998), пилотите на експерименталния самолет са капитан Олег Соколовски и полковник Иван Федоров, който по-късно получава званието Герой съветски съюз. Соколовски, по абсурден инцидент, почина по време на четвъртия полет, забравяйки да затвори капака на пилотската кабина.

Полковник Иван Федоров преодолява звуковата бариера на 26 декември 1948 г. След като се издигна на височина от 10 хиляди метра, той отхвърли контролния стик от себе си и започна да ускорява гмуркането. „Ускорявам моя 176 от голяма височина“, спомня си пилотът. Чува се досадно тихо свирене. Увеличавайки скоростта, самолетът се втурва към земята. На скалата на махометъра стрелката се променя от трицифрени числа на четирицифрени. Самолетът се тресе като в треска. И изведнъж тишина! Премахната звукова бариера. Последвалата интерпретация на осцилограмите показа, че числото М е надвишило единица. Това се случи на надморска височина от 7000 метра, където беше регистрирана скорост от 1,02 метра.

В бъдеще скоростта на пилотираните самолети продължи да се увеличава постоянно поради увеличаване на мощността на двигателя, използването на нови материали и оптимизирането на аеродинамичните параметри. Този процес обаче не е неограничен. От една страна, това е възпрепятствано от съображения за рационалност, когато се вземат предвид разходът на гориво, разходите за разработка, безопасността на полета и други неактивни съображения. И дори във военната авиация, където парите и безопасността на пилотите не са толкова важни, скоростите на най-"пъргавите" автомобили са в диапазона от 1,5M до 3M. Не изглежда, че има нужда от повече. (Рекордът за скорост за пилотирани превозни средства с реактивни двигатели принадлежи на американския разузнавателен самолет SR-71 и е Мах 3,2.)

От друга страна, има непреодолима термична бариера: при определена скорост нагряването на тялото на машината чрез триене с въздух става толкова бързо, че е невъзможно да се отстрани топлината от повърхността му. Изчисленията показват, че при нормално налягане това трябва да става със скорост от порядъка на 10M.

Въпреки това лимитът от 10 милиона все още беше достигнат на същата тренировъчна площадка на Едуардс. Това се случи през 2005 г. Рекордьорът беше безпилотният ракетен самолет X-43A, произведен като част от 7-годишната грандиозна програма Hiper-X за разработване на нови видове технологии, предназначени радикално да променят лицето на ракетните и космически технологии на бъдещето. Цената му е $230 млн. Рекордът е поставен на височина от 33 000 метра. Използва се в дрон нова системаовърклок. Първо се тества традиционна ракета с твърдо гориво, с помощта на която X-43A достига скорост от 7M, а след това се включва нов тип двигател - хиперзвуков линейно реактивен двигател (scramjet, или scramjet), в който обикновеният атмосферен въздух се използва като окислител, а газообразното гориво е водородът (доста класическа схема на неконтролирана експлозия).

В съответствие с програмата бяха направени три безпилотни модела, които след изпълнение на задачата бяха удавени в океана. Следващият етап включва създаването на пилотирани превозни средства. След тяхното тестване, получените резултати ще бъдат взети предвид при създаването на голямо разнообразие от "полезни" устройства. Освен от самолетза нуждите на НАСА ще бъдат създадени хиперзвукови военни машини бомбардировачи, разузнавателни и транспортни машини. Boeing, който участва в програмата Hiper-X, планира да построи хиперзвуков пътнически самолет с 250 пътници до 2030-2040 г. Съвсем ясно е, че няма да има стъкла, които да нарушават аеродинамиката при такива скорости и да не издържат на термично нагряване. Вместо илюминатори се предполагат екрани с видеозапис на преминаващи облаци.

Няма съмнение, че този вид транспорт ще бъде търсен, защото колкото по-нататък, толкова по-скъпо става времето, побирайки все повече и повече емоции, спечелени долари и други компоненти на съвременния живот за единица време. В това отношение няма съмнение, че някой ден хората ще се превърнат в еднодневни пеперуди: един ден ще бъде наситен като всички текущи (по-скоро вече вчера) човешки живот. И може да се предположи, че някой или нещо прилага програмата Hiper-X по отношение на човечеството.

Понякога, когато реактивен самолет лети в небето, можете да чуете силен удар, който звучи като експлозия. Това „избухване“ е резултат от пробиването на звуковата бариера от самолета.

Какво е звукова бариера и защо чуваме експлозия? И който пръв проби звуковата бариера ? Ще разгледаме тези въпроси по-долу.

Какво е звукова бариера и как се образува?

Аеродинамична звукова бариера - поредица от явления, които придружават движението на всяко въздухоплавателно средство (самолет, ракета и др.), чиято скорост е равна или надвишава скоростта на звука. С други думи, аеродинамичната "звукова бариера" е внезапният скок във въздушното съпротивление, който възниква, когато самолетът достигне скоростта на звука.

Звуковите вълни се движат през пространството с определена скорост, която варира в зависимост от надморската височина, температурата и налягането. Например на морското равнище скоростта на звука е приблизително 1220 км/ч, на височина 15 хиляди метра – до 1000 км/ч и т.н. Когато скоростта на самолета се доближи до скоростта на звука, върху него действат определени товари. При нормални скорости (дозвукови) носът на самолета „задвижва“ вълна от сгъстен въздух пред себе си, чиято скорост съответства на скоростта на звука. Скоростта на вълната е по-голяма от нормалната скорост на самолета. В резултат на това въздухът тече свободно по цялата повърхност на самолета.

Но ако скоростта на самолета съответства на скоростта на звука, компресионната вълна се образува не на носа, а пред крилото. В резултат на това се образува ударна вълна, която увеличава натоварването на крилата.

За да може един самолет да преодолее звуковата бариера, освен определена скорост, той трябва да има и специална конструкция. Ето защо авиоконструкторите са разработили и приложили в самолетостроенето специален аеродинамичен профил на крилото и други трикове. В момента на пробиване на звуковата бариера пилотът на модерен свръхзвуков самолет усеща вибрации, „подскоци“ и „аеродинамичен удар“, които ние възприемаме на земята като трясък или експлозия.

Кой пръв прескочи звуковата бариера?

Въпросът за "пионерите" на звуковата бариера е същият като въпроса за първите завоеватели на космоса. На въпроса " Кой пръв проби свръхзвуковата бариера ? могат да се дадат различни отговори. Това е първият човек, преминал звуковата бариера, и първата жена, и, колкото и да е странно, първото устройство ...

Първият, който проби звуковата бариера, беше тестовият пилот Чарлз Едууд Йегър (Чък Йегър). На 14 октомври 1947 г. неговият експериментален самолет Bell X-1, оборудван с ракетен двигател, навлизайки в леко гмуркане от височина 21379 м над Викторвил (Калифорния, САЩ), достигна скоростта на звука. Скоростта на самолета в този момент е била 1207 км/ч.

През цялата си кариера военният пилот има голям принос за развитието не само на американската военна авиация, но и на астронавтиката. Чарлз Елууд Йегър завършва кариерата си като генерал във военновъздушните сили на САЩ, след като е пътувал до много части на света. Опитът на военен пилот беше полезен дори в Холивуд, когато организира зрелищни въздушни каскади в игралния филм „Пилот“.

Историята на Чък Йегър за преодоляването на звуковата бариера е разказана във филма The Right Guys, който спечели четири Оскара през 1984 г.

Други "покорители" на звуковата бариера

В допълнение към Чарлз Йегър, който пръв преодоля звуковата бариера, имаше и други рекордьори.

Първият съветски пилот-изпитател - Соколовски (26 декември 1948 г.).
Първата жена е американката Жаклин Кокран (18 май 1953 г.). Прелитайки над военновъздушната база Едуардс (Калифорния, САЩ), нейният самолет F-86 преодолява звуковата бариера със скорост от 1223 км/ч.
Първият граждански самолет е американският пътнически самолет Douglas DC-8 (21 август 1961 г.). Неговият полет, който се проведе на височина от около 12,5 хиляди метра, беше експериментален и организиран с цел събиране на данни, необходими за бъдещия дизайн на предните ръбове на крилата.
Първата кола, преодоляла звуковата бариера - Thrust SSC (15 октомври 1997 г.).
Първият човек, който проби звуковата бариера свободно падане- американецът Джо Китингър (1960 г.), скочил с парашут от височина 31,5 км. След него обаче, прелитайки на 14 октомври 2012 г. над американския град Розуел (Ню Мексико, САЩ), австриецът Феликс Баумгартнер постави световен рекорд, оставяйки балон с парашут на височина 39 км. В същото време скоростта му беше около 1342,8 км / ч, а спускането до земята, по-голямата част от което беше в свободно падане, отне само 10 минути.
Световният рекорд за преодоляване на звуковата бариера от самолет принадлежи на хиперзвуковата аеробалистична ракета въздух-земя X-15 (1967 г.), която сега е на въоръжение в руската армия. Скоростта на ракетата на височина 31,2 км е 6389 км/ч. Бих искал да отбележа, че максималната възможна скорост на движение на човека в историята на пилотираните самолети е 39897 км / ч, която е достигната през 1969 г. от американеца космически кораб"Аполо 10".

Първо изобретение, което преодолява звуковата бариера

Колкото и да е странно, но първото изобретение, което проби звуковата бариера, беше ... обикновен камшик, изобретен от древните китайци преди 7 хиляди години.

До изобретяването на мигновената фотография през 1927 г. никой не би могъл да си представи, че щракането на камшик не е просто каишка, удряща дръжка, а миниатюрно свръхзвуково щракане. По време на рязък замах се образува цикъл, чиято скорост се увеличава няколко десетки пъти и се придружава от щракване. Примката пробива звуковата бариера при скорост от около 1200 км/ч.

Премина звуковата бариера :-) ...

Преди да се впуснем в разговори по темата, нека внесем малко яснота по въпроса за точността на концепциите (това, което харесвам :-)). Днес има два често използвани термина: звукова бариераи свръхзвукова бариера. Те звучат подобно, но все още не са еднакви. Въпреки това, няма смисъл да го разреждаме с особена строгост: всъщност това е едно и също нещо. Определението за звукова бариера се използва най-често от по-запознати и близки до авиацията хора. И второто определение обикновено е всичко останало.

Мисля, че от гледна точка на физиката (и руския език :-)) е по-правилно да се каже звукова бариера. Тук има проста логика. В края на краищата, има концепция за скоростта на звука, но няма фиксирана концепция за скоростта на свръхзвука, строго погледнато. Гледайки малко напред, ще кажа, че когато един самолет лети със свръхзвук, той вече е преминал тази бариера и когато я премине (преодолява), тогава той преминава определена прагова стойност на скоростта, равна на скоростта на звука (и не е свръхзвукова).

Нещо такова:-). Освен това първото понятие се използва много по-рядко от второто. Това явно е така, защото думата свръхзвуков звучи по-екзотично и привлекателно. А в свръхзвуковия полет екзотиката със сигурност присъства и, разбира се, привлича мнозина. Въпреки това, не всички хора, които се наслаждават на думите " свръхзвукова бариеранаистина разбирам какво е. Неведнъж се убеждавах в това, разглеждайки форумите, четейки статии, дори гледайки телевизия.

Този въпрос всъщност е доста сложен от гледна точка на физиката. Но ние, разбира се, няма да се изкачваме в сложност. Просто ще се опитаме, както обикновено, да изясним ситуацията, като използваме принципа на "обяснение на аеродинамиката на пръстите" :-).

И така, до бариерата (звукова :-))!... Самолетът по време на полет, действайки върху такава еластична среда като въздуха, се превръща в мощен източник на звукови вълни. Мисля, че всеки знае какво представляват звуковите вълни във въздуха :-).

Звукови вълни (камертон).

Това е редуване на области на компресия и разреждане, разпространяващи се в различни посоки от източника на звук. Приблизително като кръгове по водата, които също са просто вълни (но не и звук :-)). Именно тези области, действащи върху тъпанчето, ни позволяват да чуем всички звуци на този свят, от човешки шепот до рев на реактивни двигатели.

Пример за звукови вълни.

Точките на разпространение на звуковите вълни могат да бъдат различни възли на самолета. Например двигател (звукът му е известен на всеки :-)) или части от тялото (например носа), които, уплътнявайки въздуха пред себе си при движение, създават определен тип налягане (компресия ) вълна, тичаща напред.

Всички тези звукови вълни се разпространяват във въздуха със скоростта на звука, която вече познаваме. Тоест, ако самолетът е дозвуков и дори лети с ниска скорост, тогава те сякаш бягат от него. В резултат на това, когато такъв самолет се приближава, ние първо чуваме неговия звук, а след това той сам лети.

Ще направя уговорката обаче, че това е вярно, ако самолетът не лети много високо. Все пак скоростта на звука не е скоростта на светлината :-). Големината му не е толкова голяма и звуковите вълни се нуждаят от време, за да достигнат до слушателя. Следователно, последователността на появата на звук за слушателя и самолета, ако той лети на голяма надморска височина, може да се промени.

И тъй като звукът не е толкова бърз, тогава с увеличаване на собствената си скорост самолетът започва да наваксва излъчваните от него вълни. Тоест, ако беше неподвижен, тогава вълните щяха да се отклонят от него във формата концентрични кръговекато кръгове по водата от хвърлен камък. И тъй като самолетът се движи, тогава в сектора на тези кръгове, съответстващи на посоката на полета, границите на вълните (фронтовете им) започват да се приближават една към друга.

Дозвуково движение на тялото.

Съответно, празнината между самолета (носа му) и предната част на първата (главна) вълна (тоест това е зоната, където постепенно, до известна степен, спиране настъпващ потокпри среща с носа на самолета (крило, опашка) и в резултат на това повишаване на налягането и температурата) започва да намалява и колкото по-бързо, толкова по-голяма е скоростта на полета.

Идва момент, когато тази празнина практически изчезва (или става минимална), превръщайки се в особен вид зона, която се нарича ударна вълна. Това се случва, когато скоростта на полета достигне скоростта на звука, тоест самолетът се движи със същата скорост като вълните, излъчвани от него. Числото на Мах в този случай е равно на единица (M=1).

Звуково движение на тялото (М=1).

ударна вълна, е много тясна област от средата (от порядъка на 10 -4 mm), при преминаване през която вече няма постепенно, а рязко (скокообразно) изменение на параметрите на тази среда - скорост, налягане, температура, плътност. В нашия случай скоростта пада, налягането, температурата и плътността се увеличават. Оттук и името - ударна вълна.

Малко опростено бих казал това за всичко това. Невъзможно е рязко да се забави свръхзвуков поток, но той трябва да направи това, тъй като вече няма възможност за постепенно забавяне до скоростта на потока пред самия нос на самолета, както при умерени дозвукови скорости. Изглежда, че се натъква на дозвуков участък пред носа на самолета (или пръста на крилото) и се свива в тесен скок, прехвърляйки върху него огромната енергия на движение, която притежава.

Между другото, може да се каже и обратното, че самолетът предава част от енергията си на образуването на ударни вълни, за да забави свръхзвуковия поток.

Свръхзвуково движение на тялото.

Има и друго име за ударната вълна. Движейки се заедно с самолета в космоса, той всъщност е предната част на рязка промяна в горните параметри на околната среда (т.е. въздушния поток). И това е същността на ударната вълна.

ударна вълнаи ударна вълна като цяло са равни определения, но в аеродинамиката първото се използва по-често.

Ударната вълна (или ударната вълна) може да бъде почти перпендикулярна на посоката на полета, като в този случай те заемат приблизително кръгла форма в пространството и се наричат прави линии. Това обикновено се случва в режими близки до M=1.

Режими на движение на тялото. ! - дозвукова, 2 - М=1, свръхзвукова, 4 - ударна вълна (шок).

При числа M > 1 те вече са под ъгъл спрямо посоката на полета. Тоест самолетът вече изпреварва собствения си звук. В този случай те се наричат наклонени и в космоса приемат формата на конус, който между другото се нарича конус на Мах, на името на учения, изучавал свръхзвукови потоци (той го спомена в един от тях).

Конус на Мах.

Формата на този конус (неговата „тънкост“, така да се каже) просто зависи от числото M и е свързана с него чрез връзката: M = 1 / sin α, където α е ъгълът между оста на конуса и неговата образуваща. А конусовидната повърхност докосва фронтовете на всички звукови вълни, чийто източник е самолетът и които той „изпреварва“, достигайки свръхзвукова скорост.

Освен това ударни вълнисъщо може да бъде свързани, когато са в непосредствена близост до повърхността на тяло, движещо се със свръхзвукова скорост или се отдръпват, ако не докосват тялото.

Видове ударни вълни в свръхзвуков поток около тела с различна форма.

Обикновено ударите се прикрепят, ако свръхзвуковият поток тече около заострени повърхности. За самолет, например, това може да бъде заострен нос, PVD, остър ръб на въздухозаборник. В същото време те казват „скок седи“, например на носа.

И ударът на отдалечаване може да се получи, когато тече около заоблени повърхности, например предния заоблен ръб на дебел аеродинамичен профил на крилото.

Различни компоненти на тялото на самолета създават доста сложна система от ударни вълни по време на полет. Най-интензивните от тях обаче са две. Една глава на лъка и втора опашка на елементите на опашката. На известно разстояние от самолета междинните скокове или изпреварват главата и се сливат с нея, или опашката ги изпреварва.

Ударните вълни върху модела на самолета при продухване в аеродинамичен тунел (M=2).

В резултат на това остават два скока, които като цяло се възприемат от земния наблюдател като един поради малкия размер на самолета спрямо височината на полета и съответно кратък интервал от време между тях.

Интензитетът (с други думи, енергията) на ударната вълна (компресионен удар) зависи от различни параметри (скорост на самолета, конструктивни характеристики, условия на околната среда и т.н.) и се определя от спада на налягането в предната му част.

С отдалечаване от върха на конуса на Мах, т.е. от самолета, като източник на смущения, ударната вълна отслабва, постепенно се превръща в обикновена звукова вълна и накрая напълно изчезва.

И каква степен на интензивност ще има ударна вълна(или ударна вълна), която достига до земята, зависи от ефекта, който може да произведе там. Не е тайна, че добре познатият Concorde лети свръхзвуково само над Атлантическия океан, а военните свръхзвукови самолети се движат свръхзвуково на големи височини или в райони, където няма населени места (поне изглежда, че трябва да го правят :-)).

Тези ограничения са много оправдани. За мен например самото определение за ударна вълна се свързва с експлозия. И нещата, които една достатъчно интензивна ударна вълна може да направи, може да зависят от нея. Поне стъклото от прозорците може да изхвърчи лесно. Има достатъчно доказателства за това (особено в историята на съветска авиациякогато беше доста многобройна и полетите бяха интензивни). Но можете да направите и по-лоши неща. Просто трябва да летите по-ниско :-) ...

Но в по-голямата си част това, което остава от ударните вълни, когато достигнат земята, вече не е опасно. Само външен наблюдател на земята може в същото време да чуе звук, подобен на рев или експлозия. Именно с този факт е свързано едно често срещано и доста упорито погрешно схващане.

Хората, които не са твърде опитни в авиационната наука, чувайки такъв звук, казват, че този самолет е преодолял звукова бариера (свръхзвукова бариера). Всъщност не е. Това твърдение няма нищо общо с реалността поне по две причини.

Ударна вълна (компресионен шок).

Първо, ако човек на земята чуе бумтящ рев високо в небето, това означава само (повтарям :-)), че ушите му са достигнали фронт на ударна вълна(или ударна вълна) от летящ някъде самолет. Този самолет вече лети със свръхзвукова скорост, а не просто е преминал към нея.

И ако същият човек може изведнъж да бъде на няколко километра пред самолета, тогава той отново ще чуе същия звук от същия самолет, защото ще бъде засегнат от същата ударна вълна, движеща се заедно с самолета.

Движи се със свръхзвукова скорост и следователно се приближава безшумно. И след като подейства не винаги приятното върху тъпанчетата (е, когато само върху тях :-)) и благополучно премине, се чува ръмженето на работещи двигатели.

Приблизителна схема на полета на самолета за различни стойности на числото М на примера на изтребителя Saab 35 "Draken". Езикът, за съжаление, е немски, но схемата като цяло е разбираема.

Освен това самият преход към свръхзвук не е придружен от еднократни „бумове“, пукания, експлозии и т. На модерен свръхзвуков самолет пилотът най-често научава за такъв преход само от показанията на приборите. В този случай обаче се случва определен процес, но той практически не се забелязва за него, при спазване на определени правила за пилотиране.

Но това не е всичко :-). Ще кажа повече. просто под формата на някакво осезаемо, тежко, труднопреодолимо препятствие, на което се опира самолетът и което трябва да бъде „пробито” (чувал съм такива преценки :-)) не съществува.

Строго погледнато, няма никаква бариера. Някога, в зората на развитието на високите скорости в авиацията, тази концепция се формира по-скоро като психологическо убеждение за трудността да се премине към свръхзвукова скорост и да се лети с нея. Имаше дори твърдения, че това изобщо е невъзможно, още повече, че предпоставките за подобни вярвания и твърдения са доста конкретни.

Въпреки това, първо всичко...

В аеродинамиката има още един термин, който доста точно описва процеса на взаимодействие с въздушния поток на тяло, движещо се в този поток и стремящо се да премине към свръхзвук. то вълнова криза. Именно той прави някои от лошите неща, които традиционно се свързват с понятието звукова бариера.

Та нещо за кризата :-). Всеки самолет се състои от части, въздушният поток около които по време на полет може да не е същият. Вземете например крило или по-скоро обикновена класика дозвуков профил.

От основните познания за това как се формира повдигащата сила, ние добре знаем, че скоростта на потока в съседния слой на горната извита повърхност на профила е различна. Когато профилът е по-изпъкнал, той е по-голям от общата скорост на потока, а когато профилът се изравни, тя намалява.

Когато крилото се движи в потока със скорости, близки до скоростта на звука, може да настъпи момент, когато например в такава изпъкнала област скоростта на въздушния слой, която вече е по-голяма от общата скорост на потока, става звукова и дори свръхзвукови.

Локален шок, който възниква на трансзвук по време на вълнова криза.

По-нататък по профила тази скорост намалява и в даден момент отново става дозвукова. Но, както казахме по-горе, свръхзвуковият поток не може бързо да се забави, така че появата на ударна вълна.

Такива удари се появяват в различни части на обтекаемите повърхности и първоначално те са доста слаби, но техният брой може да бъде голям и с увеличаване на общата скорост на потока се увеличават свръхзвуковите зони, ударите се „засилват“ и се придвижват към задния ръб на аеродинамичния профил. По-късно същите ударни вълни се появяват на долната повърхност на профила.

Пълен свръхзвуков поток около аеродинамичния профил на крилото.

Какъв е рискът от всичко това? Но какво. Първо- е значимо увеличаване на аеродинамичното съпротивлениев диапазона на трансзвукови скорости (около M=1, повече или по-малко). Това съпротивление нараства поради рязкото увеличение на един от неговите компоненти - вълново съпротивление. Същият, който не взехме предвид, когато разглеждахме полети с дозвукови скорости.

За образуването на многобройни ударни вълни (или ударни вълни) по време на забавяне на свръхзвуков поток, както казах по-горе, се изразходва енергия и тя се взема от кинетичната енергия на самолета. Тоест самолетът просто забавя (и много забележимо!). Това е, което е вълново съпротивление.

Освен това ударните вълни, поради рязкото забавяне на потока в тях, допринасят за отделянето на граничния слой след себе си и превръщането му от ламинарен в турбулентен. Това допълнително увеличава аеродинамичното съпротивление.

Поток на аерофила при различни числа М. Удари, локални свръхзвукови зони, турбулентни зони.

Второ. Поради появата на локални свръхзвукови зони върху профила на крилото и по-нататъшното им изместване към опашната част на профила с увеличаване на скоростта на потока и по този начин промяна в модела на разпределение на налягането върху профила, точката на приложение на аеродинамичните сили (центърът на налягането) също се измества към задния ръб. В резултат на това се появява момент на гмурканеспрямо центъра на масата на самолета, което го кара да сведе носа си.

Какво води до всичко това ... Поради доста рязкото увеличение на аеродинамичното съпротивление, самолетът се нуждае от значително резервна мощност на двигателяда преодолее трансзвуковата зона и да достигне, така да се каже, истински свръхзвук.

Рязко увеличение на аеродинамичното съпротивление при трансзвук (вълнова криза) поради увеличаване на вълновото съпротивление. Cd е коефициентът на съпротивление.

По-нататък. Поради появата на момент на гмуркане възникват трудности при контрола на тангажа. В допълнение, поради безпорядъка и неравномерността на процесите, свързани с появата на локални свръхзвукови зони с ударни вълни, също трудно се управлява. Например, на ролка, поради различни процеси в лявата и дясната равнина.

Да, плюс появата на вибрации, често доста силни поради локална турбуленция.

Като цяло, пълен набор от удоволствия, който носи името вълнова криза. Но, вярно, всички те се случват (имаше, специфични :-)) при използване на типични дозвукови самолети (с дебел профил на право крило) за постигане на свръхзвукови скорости.

Първоначално, когато все още не е имало достатъчно знания и процесите за достигане на свръхзвук не са били изчерпателно проучени, точно този комплекс се е считал за почти фатално непреодолим и е наречен звукова бариера(или свръхзвукова бариера, ако искаш:-)).

При опит за преодоляване на скоростта на звука на конвенционални бутални самолети имаше много трагични случаи. Силните вибрации понякога водят до разрушаване на конструкцията. Самолетът нямаше достатъчно мощност за необходимото ускорение. При хоризонтален полет това беше невъзможно поради ефект от същото естество като вълнова криза.

Затова за ускорение е използвано гмуркане. Но може да е фатално. Моментът на гмуркане, който се появи по време на вълнова криза, направи гмуркането продължително и понякога нямаше изход от него. Всъщност, за да се възстанови контролът и да се елиминира вълновата криза, беше необходимо да се погаси скоростта. Но да направите това при гмуркане е изключително трудно (ако не и невъзможно).

Завличането в пикиране от хоризонтален полет се смята за една от основните причини за катастрофата в СССР на 27 май 1943 г. на известния експериментален изтребител БИ-1 с течен ракетен двигател. Проведени са тестове на максимална скоростполет, като според оценките на конструкторите, постигнатата скорост е над 800 км/ч. Тогава имаше забавяне на пика, от което самолетът не излезе.

Експериментален изтребител БИ-1.

В днешно време вълнова кризавече достатъчно добре проучени и преодолени звукова бариера(ако се изисква :-)) не е трудно. На самолети, които са проектирани да летят с достатъчно високи скорости, определено Конструктивни решенияи ограничения за улесняване на тяхната полетна експлоатация.

Както е известно, вълновата криза започва при числа М, близки до единица. Следователно почти всички реактивни дозвукови лайнери (по-специално пътнически) имат полет ограничение на броя М. Обикновено тя е в района на 0,8-0,9M. Пилотът е инструктиран да следва това. Освен това при много самолети, когато се достигне граничното ниво, след което въздушната скорост трябва да се намали.

Почти всички самолети, летящи със скорости най-малко 800 km/h и повече, имат стреловидно крило(поне на предния ръб :-)). Позволява ви да отблъснете началото на офанзивата вълнова кризадо скорости, съответстващи на М=0,85-0,95.

Стрелка крило. Фундаментално действие.

Причината за този ефект може да се обясни съвсем просто. При право крило въздушен поток със скорост V протича почти под прав ъгъл, а при стреловидно крило (ъгъл на стреловидност χ) под определен ъгъл на плъзгане β. Скоростта V може да бъде векторно разложена на два потока: Vτ и Vn.

Потокът Vτ не влияе върху разпределението на налягането върху крилото, но оказва влияние върху потока Vn, който определя носещите свойства на крилото. И очевидно е по-малък по величина от общия поток V. Следователно, на стреловидното крило, началото на вълнова криза и растежът вълново съпротивлениенастъпва значително по-късно, отколкото при право крило при същата скорост на свободното течение.

Експериментален изтребител Е-2А (предшественик на МИГ-21). Типично стреловидно крило.

Една от модификациите на стреловидното крило беше крилото с суперкритичен профил(спомена го). Той също така ви позволява да преместите началото на вълновата криза при високи скорости, освен това ви позволява да увеличите ефективността, което е важно за пътническите лайнери.

SuperJet 100. Суперкритично стреловидно крило.

Ако самолетът е предназначен за транзит звукова бариера(преминаване и вълнова кризасъщо :-)) и свръхзвуков полет, тогава обикновено винаги се различава по определени конструктивни характеристики. По-специално, обикновено има тънък профил на крилото и оперение с остри ръбове(включително ромбовидна или триъгълна) и определена форма на крилото в план (например триъгълна или трапецовидна с прилив и др.).

Свръхзвуков МИГ-21. Последовател E-2A. Типично триъгълно крило.

МИГ-25. Пример за типичен самолет, предназначен за свръхзвуков полет. Тънки профили на крилото и оперението, остри ръбове. Трапецовидно крило. профил

Подминаване на прословутия звукова бариера, тоест такива самолети извършват преход към свръхзвукова скорост на работа на двигателя с доизгарянепоради увеличаването на аеродинамичното съпротивление и, разбира се, за бързо преминаване през зоната вълнова криза. И самият момент на този преход най-често не се усеща по никакъв начин (повтарям :-)) нито от пилота (той може само да намали нивото на звуковото налягане в пилотската кабина), нито от външен наблюдател, ако, разбира се , той можеше да наблюдава това :-).

Тук обаче си струва да споменем още една заблуда, свързана с външни наблюдатели. Със сигурност мнозина са виждали този вид снимки, надписите под които казват, че това е моментът на преодоляване на самолета звукова бариератака да се каже визуално.

Ефект на Прандтл-Глоерт. Не е свързано с преминаването на звуковата бариера.

Първо, вече знаем, че няма звукова бариера като такава и самият преход към свръхзвук не е придружен от нещо толкова необичайно (включително пляскане или експлозия).

Второ. Това, което видяхме на снимката е т.нар Ефект на Прандтл-Глоерт. Вече писах за него. Той по никакъв начин не е пряко свързан с прехода към свръхзвук. Просто при високи скорости (между другото дозвукови :-)) самолетът, движейки определена въздушна маса пред себе си, създава някаква зона на разреждане. Веднага след преминаването тази зона започва да се изпълва с въздух от близкото пространство с естествен увеличаване на обема и рязък спад на температурата.

Ако влажност на въздухае достатъчно и температурата пада под точката на оросяване на околния въздух, тогава кондензация на влагаот водна пара под формата на мъгла, която виждаме. Веднага щом условията се възстановят до първоначалните, тази мъгла веднага изчезва. Целият този процес е доста кратък.

Такъв процес при високи трансзвукови скорости може да бъде улеснен от местно пренапреженияПонякога помагах да се образува нещо подобно на лек конус около самолета.

Високите скорости благоприятстват това явление, но ако влажността на въздуха е достатъчна, то може да се случи (и се случва) при доста ниски скорости. Например над повърхността на водните тела. Между другото повечето красиви снимкиот това естество са направени на борда на самолетоносач, тоест в достатъчно влажен въздух.

Така става. Кадрите, разбира се, са готини, спектакълът е грандиозен :-), но това изобщо не е това, което най-често се нарича. нищо общо с това (и свръхзвукова бариерасъщо :-)). И това е добре според мен, в противен случай наблюдателите, които правят този вид снимки и видео, може да не са добри. ударна вълна, знаеш ли:-)…

В заключение, едно видео (вече го използвах преди), чиито автори показват ефекта на ударна вълна от самолет, летящ на малка височина със свръхзвукова скорост. Тук, разбира се, има известно преувеличение :-), но общ принципразбираемо. И отново, невероятно е :-)

И това е всичко за днес. Благодаря ви, че прочетохте статията до края :-). Докато се срещнем отново…

Снимките могат да се кликват.

Защо самолет преминава звуковата бариера, придружен от експлозивен пук? И какво е "звукова бариера"?

Има недоразумение с „памук“, причинено от неразбиране на термина „звукова бариера“. Това "пляскане" правилно се нарича "звуков бум". Самолет, движещ се със свръхзвукова скорост, създава ударни вълни, скокове на въздушното налягане в околния въздух. Опростено тези вълни могат да се представят като конус, придружаващ полета на самолет, с връх, така да се каже, свързан с предната част на фюзелажа, и генератори, насочени срещу движението на самолета и разпространяващи се доста далеч, напр. , към повърхността на земята.

Когато границата на този въображаем конус, обозначаващ предната част на основната звукова вълна, достигне човешкото ухо, тогава рязък скок на налягането се възприема от ухото като пукане. Звуковият бум, подобно на привързан, придружава целия полет на самолета, при условие че самолетът се движи достатъчно бързо, макар и с постоянна скорост. Памукът, от друга страна, изглежда е преминаването на основната звукова ударна вълна над фиксирана точка на земната повърхност, където например се намира слушателят.

С други думи, ако свръхзвуков самолет с постоянна, но свръхзвукова скорост започне да лети напред-назад над слушателя, тогава пляскането ще се чува всеки път, известно време след като самолетът прелети над слушателя на доста близко разстояние.

„Звукова бариера“ в аеродинамиката се нарича рязък скок във въздушното съпротивление, който възниква, когато самолетът достигне определена гранична скорост, близка до скоростта на звука. Когато се достигне тази скорост, характерът на въздушния поток около самолета се променя драстично, което в даден момент направи много трудно постигането на свръхзвукови скорости. Един конвенционален, дозвуков самолет не е в състояние устойчиво да лети по-бързо от звука, без значение как е ускорен - той просто ще загуби контрол и ще се разпадне.

За да преодолеят звуковата бариера, учените трябваше да разработят крило със специален аеродинамичен профил и да измислят други трикове. Интересно е, че пилотът на модерен свръхзвуков самолет е добре запознат с „преодоляването“ на звуковата бариера от неговия самолет: при преминаване към свръхзвуков поток се усеща „аеродинамичен удар“ и характерни „скокове“ в управляемостта. Но тези процеси не са пряко свързани с „пукането“ на земята.

Преди самолетът да преодолее звуковата бариера, може да се образува необичаен облак, чийто произход все още не е ясен. Според най-популярната хипотеза, в близост до самолета има спад на налягането и т.нар Сингулярност на Прандтл-Глауертпоследвано от кондензация на водни капки от влажен въздух. Всъщност можете да видите кондензата на снимките по-долу ...

Кликнете върху снимката, за да я увеличите.

Понякога може да се наблюдава необичайна картина по време на полет на реактивни самолети, които сякаш излизат от облак мъгла. Това явление се нарича ефект на Прандтл-Глоерт и се състои в появата на облак зад обект, движещ се с трансзвукова скорост в условия на висока влажност.

Причината за това необичайно явление е, че летенето на висока скоростсамолетът създава зона с високо въздушно налягане пред себе си и зона с ниско налягане отзад. След полета на самолета зоната с ниско налягане започва да се изпълва с околния въздух. В същото време, поради доста високата инерция въздушни масипърво, цялата зона с ниско налягане се запълва с въздух от близките зони, съседни на зоната с ниско налягане.

Този процес е локално адиабатен процес, при който обемът, зает от въздуха, се увеличава, а температурата му намалява. Ако влажността на въздуха е достатъчно висока, тогава температурата може да падне до такава стойност, че да бъде под точката на оросяване. След това водната пара, съдържаща се във въздуха, се кондензира в малки капчици, които образуват малък облак.

2600 px с възможност за кликване

Когато налягането на въздуха се нормализира, температурата в него се изравнява и отново става над точката на оросяване, а облакът бързо се разтваря във въздуха. Обикновено животът му не надвишава части от секундата. Следователно, когато самолетът лети, изглежда, че облакът го следва - поради факта, че постоянно се образува непосредствено зад самолета и след това изчезва.

Има широко разпространено погрешно схващане, че появата на облак поради ефекта на Прандл-Глоерт означава, че в този момент самолетът нарушава звуковата бариера. При условия на нормална или леко повишена влажност облакът се образува само при високи скорости, близки до скоростта на звука. В същото време, когато летите на малка надморска височина и при условия на много висока влажност (например над океана), този ефект може да се наблюдава и при скорости, много по-ниски от скоростта на звука.

2100 px с възможност за кликване

Има недоразумение с „памук“, причинено от неразбиране на термина „звукова бариера“. Този "поп" правилно се нарича "звуков бум". Самолет, движещ се със свръхзвукова скорост, създава ударни вълни, скокове на въздушното налягане в околния въздух. Опростено, тези вълни могат да се представят като конус, придружаващ полета на самолет, с връх, така да се каже, свързан с предната част на фюзелажа, и генератори, насочени срещу движението на самолета и разпространяващи се доста далеч, напр. , към повърхността на земята.

2500 px с възможност за кликване

И вижте каква интересна рамка! За първи път виждам това!

1920 px с възможност за кликване - кой е на масата!