Звуковой барьер в аэродинамике - название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.
При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.
На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).
Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.
Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:
«Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „Мустанге“ спикировал на Me-109. Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…».
После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.
Исторические факты
*
Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
*
В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
*
Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
*
15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
*
14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.
Фото:
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-18-diamondback_blast.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonic_boom_cloud.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-14D_Tomcat_breaking_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:B-1B_Breaking_the_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transonic_Vapor_F-16_01.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18F_Breaking_SoundBarrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supersonic_aircraft_breaking_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA18_faster_than_sound.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18_Super_Hornet_VFA-102.jpg
*
http://it.wikipedia.org/wiki/File:F-22_Supersonic_Flyby.jpg
14 октября 1947 года человечество преодолело очередной рубеж. Рубеж вполне объективный, выражающийся в конкретной физической величине скорости звука в воздухе, которая в условиях земной атмосферы находится в зависимости от её температуры и давления в пределах 11001200 км/ч. Сверхзвуковая скорость покорилась американскому пилоту Чаку Йегеру (Charles Elwood «Chuck» Yeager) молодому ветерану Второй мировой, обладавшему незаурядной отвагой и отменной фотогеничностью, благодаря чему он немедленно стал популярен у себя на родине так же, как спустя 14 лет Юрий Гагарин .
А отвага для перехода через звуковой барьер действительно требовалась. Советский пилот Иван Федоров , повторивший достижение Йегера год спустя, в 1948 году, вспоминал тогдашние свои ощущения : «Перед полетом на преодоление звукового барьера стало очевидным, что гарантии выжить после него нет никакой. Никто не знал практически, что это такое и выдержит ли конструкция самолета напор стихии. Но об этом старались не думать».
Действительно, полной ясности относительно того, как себя поведет машина на сверхзвуковой скорости, не было. У авиаконструкторов были ещё свежи в памяти воспоминания о внезапной напасти 30-х годов, когда с ростом скоростей самолетов пришлось срочно решать проблему флаттера автоколебаний, возникающих как в жестких конструкциях самолета, так и в его обшивке, в считанные минуты разрывающих самолет на части. Процесс развивался лавинообразно, стремительно, пилоты не успевали изменить режим полета, и машины рассыпались в воздухе на части. Довольно долго математики и конструкторы в различных странах бились над решением этой проблемы. В конце концов теорию явления создал тогда ещё молодой российский математик Мстислав Всеволодович Келдыш (19111978), впоследствии президент АН СССР. С помощью этой теории удалось найти способ навсегда избавиться от неприятного явления.
Вполне понятно, что столь же неприятных сюрпризов ожидали и от звукового барьера. Численное решение сложных дифференциальных уравнений аэродинамики в отсутствие мощных вычислительных машин было невозможно, и приходилось полагаться на «продувку» моделей в аэродинамических трубах. Но из качественных соображений было ясно, что при достижении скорости звука вблизи самолета возникает ударная волна. Наиболее ответственный момент преодоление звукового барьера, когда скорость самолета сравнивается со скоростью звука. В этот момент разность давлений по разные стороны фронта волны быстро нарастает, и если момент продлится дольше мгновения, самолет может развалиться не хуже чем от флаттера. Порой при преодолении звукового барьера с недостаточным ускорением созданная самолетом ударная волна даже вышибает стекла из окон домов на земле под ним.
Отношение скорости самолета к скорости звука называют числом Маха (по имени знаменитого немецкого механика и философа Эрнста Маха). При прохождении звукового барьера пилоту кажется, что число М перескакивает через единицу скачкообразно: Чак Йегер увидел, как стрелка махометра скакнула с 0,98 на 1,02, после чего в кабине наступила «божественная» тишина на самом деле, кажущаяся: просто уровень звукового давления в кабине самолета падает в несколько раз. Этот момент «очищения от звука» очень коварен, он стоил жизни многим испытателям. Но опасность развалиться для его самолета Х-1 была невелика.
Самолет Х-1 , изготовленный компанией Bell Aircraft в январе 1946 года, был чисто исследовательским летательным аппаратом, предназначенным для покорения звукового барьера и ни для чего более. Несмотря на то что машина была заказана министерством обороны, вместо оружия её нашпиговали научной аппаратурой, отслеживающей режимы работы узлов, приборов и механизмов. Х-1 походил на современную крылатую ракету. Имел один ракетный двигатель Reaction Motors тягой 2722 кГ. Максимальный взлетный вес 6078 кг. Длина 9,45 м, высота 3,3 м, размах крыльев 8,53 м. Максимальная скорость на высоте 18290 м 2736 км/ч. Машина запускалась со стратегического бомбардировщика В-29 , а приземлялась на стальные «лыжи» на высохшем соляном озере.
Не менее впечатляют и « тактико-технические параметры» её пилота. Чак Йегер родился 13 февраля 1923 года. После школы пошел в летное училище, и после его окончания отправился воевать в Европу . Сбил один Мессершмит-109 . Сам был сбит в небе Франции , но его спасли партизаны. Как ни в чем не бывало вернулся на базу в Англию . Однако бдительная служба контрразведки, не поверив чудесному избавлению от плена, отстранила пилота от полетов и направила его в тыл. Честолюбивый Йегер добился приема у главнокомандующего союзными войсками в Европе генерала Эйзенхауэра, который Йегеру поверил. И не ошибся молодой пилот за полгода, остававшиеся до окончания войны, совершил 64 боевых вылета, сбил 13 вражеских самолетов, причем 4 в одном бою. И вернулся на родину в звании капитана с прекрасным досье, в котором значилось, что он обладает феноменальной летной интуицией, невероятным хладнокровием и удивительной выдержкой в любой критической ситуации. Благодаря такой характеристике он попал в команду испытателей-сверхзвуковиков, которых отбирали и готовили столь же тщательно, как впоследствии астронавтов.
Переименовав Х-1 в «Пленительную Гленис» (Glamorous Glennis) в честь своей жены, Йегер не единожды устанавливал на нем рекорды. В конце октября 1947 года пал прежний рекорд высоты 21 372 м. В декабре 1953 года новая модификация машины X-1A развила скорость 2,35 М почти 2800 км/ч, а полгода спустя поднялась на высоту 27 430 м. А до того были испытания ряда запускавшихся в серию истребителей и обкатка нашего МиГ-15 , захваченного и переправленного в Америку во время корейской войны. Впоследствии Йегер командовал различными испытательными подразделениями ВВС как в США , так и на американских базах в Европе и Азии, принимал участие в боевых действиях во Вьетнаме , тренировал пилотов. В отставку он вышел в феврале 1975 года в звании бригадного генерала, налетав за время доблестной службы 10 тыс. часов, обкатав 180 различных сверхзвуковых моделей и собрав уникальную коллекцию орденов и медалей. В середине 80-х годов был снят фильм, основанный на биографии бравого парня, первым в мире покорившего звуковой барьер, и после этого Чак Йегер стал даже не героем, а общенациональной реликвией. В последний раз он сел за штурвал F-16 14 октября 1997 года и преодолел звуковой барьер на пятидесятую годовщину своего исторического полета. Было Йегеру тогда 74 года. В общем, как сказал поэт, гвозди бы делать из этих людей.
Таких людей немало и по другую сторону океана Советские конструкторы начали примеряться к покорению звукового барьера одновременно с американскими. Но для них это было не самоцелью, а актом вполне прагматичным. Если Х-1 был сугубо исследовательской машиной, то у нас звуковой барьер штурмовали на прототипах истребителей, которые предполагалось запустить в серию для укомплектования ими частей ВВС.
В соревнование включились несколько конструкторских бюро ОКБ Лавочкина , ОКБ Микояна и ОКБ Яковлева , в которых параллельно разрабатывались самолеты со стреловидным крылом, что тогда было революционным конструктивным решением. К сверхзвуковому финишу они пришли в таком порядке: Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950). Однако там проблема решалась в довольно сложном контексте: военная машина должна обладать не только высокой скоростью, но и множеством иных качеств маневренность, живучесть, минимальное время предполетной подготовки, мощное вооружение, внушительный боекомплект и т.д. и т.п. Следует отметить и то, что в советские времена на решение государственных приемочных комиссий зачастую влияли не только объективные факторы, но и субъективные моменты, связанные с политическими маневрами разработчиков. Вся эта совокупность обстоятельств привела к тому, что в серию был запущен истребитель МиГ-15 , который прекрасно показал себя на локальных аренах военных действий 50-х годов. Именно эту машину, захваченную в Корее, как было выше сказано, «объезжал» Чак Йегер.
В Ла-176 была применена рекордная по тем временам стреловидность крыла, равная 45 градусам. Турбореактивный двигатель ВК-1 обеспечивал тягу в 2700 кГ. Длина 10,97 м, размах крыльев 8,59 м, площадь крыла 18,26 кв.м. Взлетная масса 4636 кг. Потолок 15 000 м. Дальность полета 1000 км. Вооружение одна 37-мм пушка и две 23-мм. Машина была готова осенью 1948 года, в декабре начались её летные испытания в Крыму на военном аэродроме близ города Саки . Среди тех, кто руководил испытаниями, был и будущий академик Владимир Васильевич Струминский (19141998), пилотами экспериментального самолета были капитан Олег Соколовский и полковник Иван Федоров, получивший впоследствии звание Героя Советского Союза. Соколовский по нелепой случайности погиб во время четвертого полета, забыв закрыть фонарь кабины.
Звуковой барьер полковник Иван Федоров преодолел 26 декабря 1948 года. Поднявшись на высоту 10 тыс. метров, он отклонил ручку управления от себя и начал разгоняться на пикировании. «С большой высоты разгоняю свой 176-й, вспоминал пилот . Слышен нудный негромкий свист. Наращивая скорость, самолет мчится к земле. На шкале махометра стрелка с трехзначных цифр переходит на четырехзначные. Самолет дрожит, словно в лихорадке. И вдруг тишина! Взят звуковой барьер. Последующая расшифровка осциллограмм показала, что число М перевалило за единицу». Произошло это на высоте 7 000 метров, где была зафиксирована скорость 1,02М.
В дальнейшем скорость пилотируемых самолетов продолжала неуклонно наращиваться за счет увеличения мощности двигателей, применения новых материалов и оптимизации аэродинамических параметров. Однако этот процесс не безграничен. С одной стороны, он тормозится соображениями рациональности, когда учитывается расход топлива, стоимость разработки, безопасность полета и прочие не праздные соображения. И даже в военной авиации, где деньги и безопасность пилота не столь уж и значимы, скорости наиболее «шустрых» машин находятся в диапазоне от 1,5М до 3М. Больше как будто бы не требуется. (Рекорд скорости для пилотируемых аппаратов с реактивными двигателями принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3,2М.)
С другой стороны, существует непреодолимый тепловой барьер: при определенной скорости нагревание корпуса машины трением о воздух происходит настолько быстро, что невозможно отведение тепла с его поверхности. Расчеты показывают, что при нормальном давлении это должно происходить на скорости порядка 10М.
Тем не менее предел в 10М все-таки был достигнут все на том же полигоне Эдвардс. Произошло это в 2005 году. Рекордсменом стал беспилотный ракетный самолет Х-43А, изготовленный в рамках 7-летней грандиозной программы Hiper-X по отработке технологий нового типа, призванных радикально изменить облик ракетно-космической техники будущего. Его стоимость составляет $230 млн. Рекорд был установлен на высоте 33 тыс. метров. В беспилотнике использована новая система разгона. Вначале отрабатывает традиционная твердотопливная ракета, с помощью которой Х-43А достигает скорости 7М, а затем включается двигатель нового типа гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД, или скрамджет), в котором в качестве окислителя используется обычный атмосферный воздух, а топливом является газообразный водород (прямо-таки классическая схема неуправляемого взрыва).
В соответствии с программой были изготовлены три беспилотных модели, которые после выполнения задания были утоплены в океане. Следующий этап предполагает создание пилотируемых машин. После их испытания полученные результаты будут учтены при создании самых разнообразных «полезных» аппаратов. Помимо летательных аппаратов для нужд NASA будут создаваться гиперзвуковые военные машины бомбардировщики, разведчики и транспортники. Boeing, которая принимает участие в программе Hiper-X , планирует к 20302040 годам создать гиперзвуковой авиалайнер на 250 пассажиров. Вполне понятно, что иллюминаторов, которые на таких скоростях ломают аэродинамику и не выдерживают теплового нагрева, в нем не будет. Вместо иллюминаторов предполагаются экраны с видеозаписью проплывающих облаков.
Сомневаться не приходится, этот вид транспорта будет востребован, поскольку чем дальше, тем больше дорожает время, вмещающее все больше и больше в единицу времени эмоций, заработанных долларов и прочих компонентов современной жизни. В связи с этим не приходится сомневаться и в том, что когда-нибудь люди превратятся в бабочек-однодневок: один день будет насыщен как вся нынешняя (скорее уже вчерашняя) человеческая жизнь. И можно предположить, что кто-то или что-то реализует в отношении человечества программу Hiper-X .
(иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.
На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).
Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса , и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса связан с числом Маха соотношением:
Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.
Волновой кризис
Волновой кризис - изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука , сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата - ростом лобового сопротивления , снижением подъёмной силы , появлением вибраций и пр.
Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука . При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:
«Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „Мустанге“ спикировал на Me-109 . Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…» .
После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.
При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока . Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно - с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика - перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация . Это явление получило название волнового кризиса . Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой ( > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).
 |
 |
| Рис. 1а. Аэрокрыло в близком к звуковому потоке. | Рис. 1б. Аэрокрыло в сверхзвуковом потоке. |
У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад и нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса - попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй Мировой с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109 , волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700-750 км/ч. В то же время реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, почему на практике не применяются.
Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные, как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности - треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем .
- на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта);
- переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.
Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).
Исторические факты
- Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года .
- В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым , в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176 .
- Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8 . 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
- 15 октября 1997 года , спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC .
- 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.
См. также
- Тепловой барьер (проблемы разработки гиперзвуковых летательных аппаратов)
Примечания
Ссылки
- Теоретические и инженерные основы аэрокосмической техники .
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Звуковой барьер" в других словарях:
ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР, причина трудностей в авиации при увеличении скорости полета свыше скорости звука (СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ). Приближаясь к скорости звука, самолет испытывает неожиданное увеличение сопротивления и потерю аэродинамической ПОДЪЕМНОЙ… … Научно-технический энциклопедический словарь
Явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой… … Энциклопедия техники
звуковой барьер - garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. sonic barrier; sound barrier vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. звуковой барьер, m pranc. barrière sonique, f; frontière sonique, f; mur de son, m … Fizikos terminų žodynas
звуковой барьер - garso barjeras statusas T sritis Energetika apibrėžtis Staigus aerodinaminio pasipriešinimo padidėjimas, kai orlaivio greitis tampa garso greičiu (viršijama kritinė Macho skaičiaus vertė). Aiškinamas bangų krize dėl staiga padidėjusio… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Что мы представляем себе, когда слышим выражение «звуковой барьер»? Некий предел и которой может серьёзно повлиять на слух и самочувствие. Обычно звуковой барьер соотносят с покорением воздушного пространства и
Преодоление этой преграды способно спровоцировать развитие застарелых болезней, болевых синдромов и аллергических реакций. Правильны ли эти представления или они представляют собой установившиеся стереотипы? Имеют ли они под собой фактическую основу? Что такое звуковой барьер? Как и почему он возникает? Всё это и некоторые дополнительные нюансы, а также исторические факты, связанные с этим понятием, мы попробуем выяснить в данной статье.
Эта таинственная наука - аэродинамика
В науке аэродинамике, призванной разъяснить явления, сопровождающие движение
летательного аппарата, существует понятие «звуковой барьер». Это ряд явлений, возникающих при движении сверхзвуковых самолётов или ракет, которые передвигаются на скоростях, приближенных к скорости звука или больших.
Что такое ударная волна?
В процессе обтекания аппарата сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе возникает ударная волна. Её следы могут быть заметны даже невооружённым глазом. На земле они выражены жёлтой линией. Вне конуса ударной волны, перед жёлтой линией, на земле самолёт даже не слышно. При скорости, превышающей звуковую, тела подвергаются обтеканию звуковым потоком, что влечёт за собой ударную волну. Она может быть не одна, что зависит от формы тела.
Преобразование ударной волны
Фронт ударной волны, который иногда называют скачком уплотнения, имеет довольно малую толщину, позволяющую тем не менее отследить скачкообразные изменения свойств потока, снижение его скорости относительно тела и соответствующее возрастание давления и температуры газа в потоке. При этом кинетическая энергия частично преобразуется во внутреннюю энергию газа. Количество этих изменений напрямую зависит от скорости сверхзвукового потока. По мере того как ударная волна удаляется от аппарата, уменьшаются перепады давления, и ударная волна преобразуется в звуковую. Она может достичь стороннего наблюдателя, который услышит характерный звук, напоминающий взрыв. Существует мнение, что это свидетельствует о достижении аппаратом скорости звука, когда звуковой барьер самолёт оставляет позади.
Что происходит на самом деле?
Так называемый момент преодоления звукового барьера на практике представляет собой прохождение ударной волны с нарастающим гулом двигателей самолёта. Теперь аппарат опережает сопровождающий его звук, поэтому гул двигателя будет слышен после него. Приближение скорости к скорости звука стало возможным ещё в ходе Второй мировой войны, но при этом пилоты отмечали тревожные сигналы в работе самолётов.
После окончания войны немало авиаконструкторов и лётчиков стремились достичь скорости звука и преодолеть звуковой барьер, но многие из этих попыток заканчивались трагически. Пессимистически настроенные учёные утверждали, что этот предел превзойти невозможно. Отнюдь не экспериментальным, но научным путём получилось объяснить природу понятия «звуковой барьер» и найти способы его преодоления.
Безопасные полёты на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях возможны при избегании волнового кризиса, возникновение которого зависит от аэродинамических параметров самолёта и высоты производимого полёта. Переходы с одного уровня скорости на другой должны выполняться максимально оперативно с применением форсажа, что поможет избежать долгого полёта в зоне волнового кризиса. Волновой кризис как понятие пришёл из водного транспорта. Возникал он в момент движения судов со скоростью, близкой к скорости волн на поверхности воды. Попадание в волновой кризис влечёт за собой затруднение роста скорости, и если максимально просто преодолеть волновой кризис, то можно выйти на режим глиссирования или скольжения по водной глади.
История в управлении самолётами
Первый человек, который достиг сверхзвуковой скорости полёта на экспериментальном самолёте, - это американский лётчик Чак Йегер. Его достижение отмечено в истории 14 октября 1947 года. На территории СССР звуковой барьер был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским и Фёдоровым, которые управляли опытным истребителем.
Из гражданских преодолел звуковой барьер пассажирский лайнер Douglas DC-8, который 21 августа 1961 года достиг скорости 1.012 М, или 1262 км/ч. Полёт имел целью сбор данных для проектирования крыла. Среди летательных аппаратов мировой рекорд поставила гиперзвуковая аэробаллистическая ракета «воздух-земля», которая находится на вооружении российской армии. На высоте в 31,2 километра ракета развила скорость 6389 км/час.
Через 50 лет после преодоления звукового барьера в воздухе англичанин Энди Грин совершил аналогичное достижение на автомобиле. В свободном падении пробовал побить рекорд американец Джо Киттингер, который покорил высоту в 31,5 километра. В наши дни, 14 октября 2012 года, Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, без помощи транспорта, в свободном падении с высоты 39 километров, преодолев звуковой барьер. Скорость его при этом достигла 1342,8 километра в час.
Самое необычное преодоление звукового барьера
Странно подумать, но первым в мире изобретением, преодолевшим этот предел, стал обычный хлыст, который придумали древние китайцы почти 7 тысяч лет назад. Практически до изобретения моментальной фотографии в 1927 году никто и не подозревал, что щелчок хлыста - это миниатюрный звуковой удар. Резкий взмах формирует петлю, а скорость резко возрастает, что и подтверждает щелчок. Звуковой барьер преодолевается на скорости порядка 1200 км/час.
Загадка самого шумного города
Не зря жители маленьких городов испытывают шок, увидев столицу в первый раз. Обилие транспорта, сотни ресторанов и развлекательных центров сбивают с толку и выбивают из привычной колеи. Начало весны в столице обычно датируется апрелем, а не мятежным вьюжным мартом. В апреле здесь чистое небо, бегут ручьи и распускаются почки. Люди, уставшие от долгой зимы, широко распахивают окна навстречу солнцу, и в дома врывается уличный шум. На улице оглушительно щебечут птицы, поют артисты, декламируют стихи весёлые студенты, не говоря уже о шуме в пробках и метро. Сотрудники отделов гигиены отмечают, что долго находиться в шумном городе вредно для здоровья. Звуковой фон столицы состоит из транспортных,
авиационных, промышленных и бытовых шумов. Наиболее вредным является как раз автомобильный шум, так как самолёты летают достаточно высоко, а шум от предприятий растворяется в их зданиях. Постоянный же гул автомобилей на особо оживлённых магистралях превышает все допустимые нормы в два раза. Как в столице преодолевается звуковой барьер? Москва опасна обилием звуков, поэтому жители столицы устанавливают стеклопакеты, чтобы приглушить шум.
Как осуществляется штурм звукового барьера?
До 1947 года не было фактических данных о самочувствии человека в кабине самолёта, который летит быстрее звука. Как оказалось, преодоление звукового барьера требует определённых сил и отваги. В процессе полёта становится ясно, что нет никаких гарантий выжить. Даже профессиональный пилот не может точно сказать, выдержит ли конструкция самолёта атаку стихии. В считанные минуты самолёт может просто развалиться на части. Чем же это объясняется? Следует отметить, что движение с дозвуковой скоростью создаёт акустические волны, разбегающиеся как круги от упавшего камня. Сверхзвуковая скорость возбуждает ударные волны, а стоящий на земле человек слышит звук, похожий на взрыв. Без мощных вычислительных машин сложно было решить сложные и приходилось опираться на продувание моделей в аэродинамических трубах. Иногда при недостаточном ускорении самолёта ударная волна достигает такой силы, что вылетают окна из домов, над которыми пролетает самолёт. Преодолеть звуковой барьер сможет далеко не каждый, ведь в этот момент трясёт всю конструкцию, значительные повреждения могут получить крепления аппарата. Поэтому для пилотов так важно крепкое здоровье и эмоциональная стабильность. Если полёт идёт мягко, а звуковой барьер преодолён максимально быстро, то ни пилот, ни возможные пассажиры не почувствуют особо неприятных ощущений. Специально для покорения звукового барьера был сооружён исследовательский летательный аппарат в январе 1946 года. Создание машины было инициировано заказом министерства обороны, но взамен оружия её напичкали научной аппаратурой, которая отслеживала режим работы механизмов и приборов. Этот самолёт походил на современную крылатую ракету со встроенным ракетным двигателем. Преодоление самолётом звукового барьера происходило при максимальной скорости 2736 км/ч.
Вербальные и материальные памятники покорению скорости звука
Достижения в преодолении звукового барьера высоко ценятся и сегодня. Так, самолёт, на котором Чак Йегер впервые его преодолел, сейчас выставлен в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики, который находится в Вашингтоне. Но технические параметры этого человеческого изобретения мало бы стоили без достоинств самого пилота. Чак Йегер прошёл лётное училище и воевал в Европе, после чего вернулся в Англию. Несправедливое отстранение от полётов не сломило дух Йегера, и он добился приёма у главнокомандующего войсками Европы. За годы, оставшиеся до конца войны, Йегер участвовал в 64 боевых вылетах, во время которых сбил 13 самолётов. На родину Чак Йегер вернулся со званием капитана. В его характеристике указана феноменальная интуиция, невероятное хладнокровие и выдержка в критических ситуациях. Не один раз Йегер устанавливал рекорды на своём самолёте. Его дальнейшая карьера шла в подразделениях ВВС, где он осуществлял тренинг пилотов. В последний раз Чак Йегер преодолел звуковой барьер в 74 года, что пришлось на пятидесятую годовщину его истории полётов и на 1997 год.
Комплексные задачи создателей летательных аппаратов
Известные на весь мир самолеты МиГ-15 стали создавать в тот момент, когда разработчики поняли, что невозможно базироваться только на преодолении звукового барьера, а следует решать комплексные технические задачи. В результате была создана машина настолько удачная, что её модификации встали на вооружение разных стран. Несколько различных конструкторских бюро включились в своеобразную конкурентную борьбу, призом в которой был патент на самый успешный и функциональный летательный аппарат. Разрабатывались самолёты со стреловидными крыльями, что было революцией в их конструкции. Идеальный аппарат должен был быть мощным, быстрым и невероятно устойчивым к любым повреждениям извне. Стреловидные крылья у самолётов стали элементом, который помогал им втрое повышать скорость звука. Далее продолжала нарастать, что объяснялось увеличением мощности двигателей, применением инновационных материалов и оптимизацией аэродинамических параметров. Преодоление звукового барьера стало возможным и реальным даже для непрофессионала, но менее опасным оно от этого не становится, поэтому любой экстремал должен здраво оценивать свои силы, прежде чем решиться на такой эксперимент.
Правообладатель иллюстрации SPL
О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель рассказывает об истинной причине феномена.
Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.
По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет - внутри компактного облака.
Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами - визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.
На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта - физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.
- Другие статьи сайта BBC Future на русском языке
По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.
Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.
Так что же это за таинственные облака конденсата?
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфереПо словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.
Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.
Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. "Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, - объясняет Ирвин. - Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde - запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью".
Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть - только при помощи специального оборудования.
Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсатФотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.
В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.
Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.
Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.
Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео .
"Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха", - говорит Ирвин.
На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США - и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.
Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазомНа таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.
Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы - ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.
Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично - на дозвуковой.
"Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения", - говорит Ирвин.
По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно - теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.
Все, что вам остается сделать, - попросить об услуге профессионального фотографа, и - вуаля! - ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.
- Прочитать можно на сайте
