La barrera del sonido es un fenómeno que ocurre durante el vuelo de un avión o cohete en el momento de la transición de velocidad de vuelo subsónica a supersónica en la atmósfera. Cuando la velocidad del avión se acerca a la velocidad del sonido (1200 km/h), aparece una zona delgada en el aire frente a él, en la que hay un fuerte aumento de la presión y la densidad del aire. Esta compactación del aire frente a un avión en vuelo se denomina onda de choque. En el suelo, el paso de una onda de choque se percibe como un estallido, similar al sonido de un disparo. Habiendo superado la velocidad del sonido, el avión pasa a través de esta área de mayor densidad de aire, como si la perforara, supera la barrera del sonido. Durante mucho tiempo, romper la barrera del sonido se consideró un problema grave en el desarrollo de la aviación. Para solucionarlo, fue necesario cambiar el perfil y la forma del ala de la aeronave (se volvió más delgada y en flecha), hacer que la parte delantera del fuselaje fuera más puntiaguda y equipar la aeronave con motores a reacción. Por primera vez, la velocidad del sonido fue superada en 1947 por C. Yeager en un avión Bell X-1 (EE. UU.) con un motor cohete de combustible líquido lanzado desde un avión Boeing B-29. En Rusia, el primero en superar la barrera del sonido en 1948 fue el piloto O. V. Sokolovsky en un avión experimental La-176 con motor turborreactor.
Video.
Velocidad del sonido.
Velocidad de propagación (relativa al medio) de pequeñas perturbaciones de presión. En un gas perfecto (por ejemplo, en aire a temperatura y presión moderadas) S. z. no depende de la naturaleza de la pequeña perturbación que se propaga y es la misma tanto para oscilaciones monocromáticas de diferentes frecuencias () como para ondas de choque débiles. En un gas perfecto, en el punto considerado del espacio, el S. z. a depende únicamente de la composición del gas y de su temperatura absoluta T:
a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2,
donde dp/d(() es la derivada de la presión con respecto a la densidad para un proceso isoentrópico, (-) es el exponente adiabático, R es la constante universal de los gases, (-) es el peso molecular (en aire a 20.1T1/ 2 m/s a 0 (°)C a = 332 m/s).
En un gas con transformaciones fisicoquímicas, por ejemplo, en un gas disociado, S. h. dependerá de cómo, en equilibrio o fuera de equilibrio, se desarrollen estos procesos en la onda de perturbación. En el equilibrio termodinámico S. h. depende únicamente de la composición del gas, su temperatura y presión. En el curso de no equilibrio de los procesos físicos y químicos, tiene lugar la dispersión del sonido, es decir, S. z. depende no solo del estado del medio, sino también de la frecuencia de las oscilaciones (). Las oscilaciones de alta frecuencia ((tt), ()) - tiempo de relajación) se propagan desde un S. z congelado. aj, baja frecuencia ((,) 0) - con equilibrio S. z. ae, y aj > ae. La diferencia entre aj y ai suele ser pequeña (en el aire a Т = 6000(°)С y p = 105 Pa, es de alrededor del 15%). En los líquidos de S. h. mucho mayor que en gas (en agua a 1500 m/s)
El 14 de octubre de 1947, la humanidad cruzó otro hito. El límite es bastante objetivo, expresado en una cantidad física específica: la velocidad del sonido en el aire, que, en las condiciones de la atmósfera terrestre, depende de su temperatura y presión dentro de 1100-1200 km/h. La velocidad supersónica fue conquistada por el piloto estadounidense Chuck Yeager (Charles Elwood "Chuck" Yeager) un joven veterano de la Segunda Guerra Mundial, que poseía un coraje extraordinario y una excelente fotogenicidad, gracias a lo cual se hizo popular de inmediato en su tierra natal como 14 años después. Yuri Gagarin.
Y realmente se requería el coraje de atravesar la barrera del sonido. El piloto soviético Ivan Fedorov, que repitió el logro de Yeager un año después, en 1948, recordó sus sentimientos entonces: “Antes de volar para superar la barrera del sonido, se hizo evidente que no había garantía de sobrevivir después de ella. Nadie sabía prácticamente qué era y si el diseño de la aeronave resistiría la presión de los elementos. Pero tratamos de no pensar en eso”.
De hecho, no había una claridad completa sobre cómo se comportaría el automóvil a una velocidad supersónica. Los diseñadores de aeronaves aún tenían fresco el recuerdo de la repentina desgracia de los años 30, cuando, con el crecimiento de las velocidades de las aeronaves, fue necesario resolver urgentemente el problema de las auto-oscilaciones de aleteo que se producen tanto en las estructuras rígidas de la aeronave como en su piel, destrozando el avión en cuestión de minutos. El proceso se desarrolló como una avalancha, rápidamente, los pilotos no tuvieron tiempo de cambiar el modo de vuelo y los autos se desmoronaron en el aire. Durante bastante tiempo, matemáticos y diseñadores de varios países lucharon para resolver este problema. Al final, la teoría del fenómeno fue creada por el entonces joven matemático ruso Mstislav Vsevolodovich Keldysh (1911-1978), más tarde presidente de la Academia de Ciencias de la URSS. Con la ayuda de esta teoría, fue posible encontrar una manera de deshacerse permanentemente de un fenómeno desagradable.
Es bastante comprensible que se esperaran sorpresas igualmente desagradables de la barrera del sonido. La solución numérica de ecuaciones diferenciales complejas de aerodinámica en ausencia de computadoras poderosas era imposible, y uno tenía que confiar en la "purga" de modelos en túneles de viento. Pero a partir de consideraciones cualitativas, quedó claro que cuando se alcanzó la velocidad del sonido, apareció una onda de choque cerca de la aeronave. El momento más crucial superando la barrera del sonido, cuando se compara la velocidad del avión con la velocidad del sonido. En este momento, la diferencia de presión en los lados opuestos del frente de onda aumenta rápidamente, y si el momento dura más de un instante, el avión puede desmoronarse no peor que por un aleteo. A veces, al romper la barrera del sonido con una aceleración insuficiente, la onda de choque creada por el avión incluso rompe las ventanas de las ventanas de las casas en el suelo debajo de él.
La relación entre la velocidad de un avión y la velocidad del sonido se denomina número de Mach (en honor al famoso mecánico y filósofo alemán Ernst Mach). Al pasar la barrera del sonido, al piloto le parece que el número M salta por encima del uno a pasos agigantados: Chuck Yeager vio que la aguja del tacómetro saltaba de 0,98 a 1,02, tras lo cual hubo un silencio “divino” en la cabina, de hecho, Aparente: solo un nivel de presión de sonido en la cabina cae varias veces. Este momento de "limpieza del sonido" es muy insidioso, le costó la vida a muchos probadores. Pero el peligro de que su avión X-1 se desmoronara era pequeño.
El X-1, fabricado por Bell Aircraft en enero de 1946, era un avión puramente de investigación diseñado para romper la barrera del sonido y nada más. A pesar de que el automóvil fue ordenado por el Ministerio de Defensa, en lugar de armas, estaba lleno de equipos científicos que monitorean los modos de funcionamiento de los componentes, instrumentos y mecanismos. El X-1 era como un misil de crucero moderno. Tenía un motor cohete Reaction Motors con un empuje de 2722 kg. Peso máximo al despegue 6078 kg. Longitud 9,45 m, altura 3,3 m, envergadura 8,53 m Velocidad máxima a una altitud de 18290 m 2736 km / h. El automóvil fue lanzado desde un bombardero estratégico B-29 y aterrizó sobre "esquís" de acero en un lago salado seco.
No menos impresionantes son los “parámetros tácticos y técnicos” de su piloto. Chuck Yeager nació el 13 de febrero de 1923. Después de la escuela, fue a una escuela de vuelo y, después de graduarse, fue a pelear a Europa. Derribó un Messerschmitt-109. Él mismo fue derribado en los cielos de Francia, pero fue rescatado por partisanos. Como si nada hubiera pasado, volvió a la base en Inglaterra. Sin embargo, el vigilante servicio de contrainteligencia, sin creer en la liberación milagrosa del cautiverio, sacó al piloto del vuelo y lo envió a la retaguardia. El ambicioso Yeager obtuvo una cita con el comandante en jefe de las fuerzas aliadas en Europa, el general Eisenhower, quien creyó a Yeager. Y no se equivocó: en los seis meses que quedaban antes del final de la guerra, el joven piloto realizó 64 salidas, derribó 13 aviones enemigos y 4 en una batalla. Y regresó a su tierra natal con el grado de capitán con un expediente excelente, que indicaba que tenía una intuición de vuelo fenomenal, una compostura increíble y una resistencia asombrosa en cualquier situación crítica. Gracias a esta característica, se incorporó al equipo de probadores supersónicos, que fueron seleccionados y entrenados con tanto cuidado como los astronautas posteriores.
Cambiando el nombre del X-1 a "Glamorous Glennis" en honor a su esposa, Yeager estableció récords en él más de una vez. A fines de octubre de 1947, el récord de altitud anterior cayó 21,372 m En diciembre de 1953, una nueva modificación de la máquina X-1A alcanzó una velocidad de 2,35 M casi 2800 km / h, y seis meses después se elevó a una altura de 27 430 m Además, hubo pruebas de varios cazas lanzados en serie y un enfrentamiento con nuestro MiG-15, capturado y transportado a América durante la Guerra de Corea. Posteriormente, Yeager comandó varias unidades de prueba de la Fuerza Aérea tanto en los Estados Unidos como en bases estadounidenses en Europa y Asia, participó en los combates en Vietnam y entrenó a pilotos. Se retiró en febrero de 1975 con el grado de general de brigada, habiendo volado 10 mil horas durante su valiente servicio, manejando 180 modelos supersónicos diferentes y coleccionando una colección única de órdenes y medallas. A mediados de los 80, se hizo una película basada en la biografía de un valiente que fue el primero en el mundo en romper la barrera del sonido, y después de eso, Chuck Yeager no se convirtió ni siquiera en un héroe, sino en una reliquia nacional. Voló por última vez un F-16 el 14 de octubre de 1997 y rompió la barrera del sonido en el quincuagésimo aniversario de su histórico vuelo. Yeager tenía entonces 74 años. En general, como dijo el poeta, las uñas deben estar hechas de estas personas.
Hay muchas personas así al otro lado del océano. Los diseñadores soviéticos comenzaron a intentar conquistar la barrera del sonido al mismo tiempo que los estadounidenses. Pero para ellos no era un fin en sí mismo, sino un acto completamente pragmático. Si el X-1 era una máquina puramente de investigación, entonces nuestra barrera de sonido fue asaltada en prototipos de cazas, que se suponía que debían ponerse en serie para equipar a las unidades de la Fuerza Aérea con ellos.
La competencia incluyó varias oficinas de diseño Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau y Yakovlev Design Bureau, en las que se desarrollaron aviones de ala en flecha en paralelo, que entonces era una solución de diseño revolucionaria. Alcanzaron la meta supersónica en este orden: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Sin embargo, allí el problema se resolvió en un contexto bastante complejo: un vehículo militar debe tener no solo alta velocidad, sino también muchas otras cualidades: maniobrabilidad, capacidad de supervivencia, tiempo mínimo de preparación previa al vuelo, armas poderosas, una carga de municiones impresionante, etc. etc. También se debe tener en cuenta que en la época soviética, la decisión de las comisiones estatales de aceptación a menudo se vio influenciada no solo por factores objetivos, sino también por momentos subjetivos asociados con las maniobras políticas de los desarrolladores. Toda esta combinación de circunstancias llevó al hecho de que el caza MiG-15 se lanzó a la serie, que se mostró perfectamente en las arenas locales de operaciones militares en los años 50. Fue este automóvil, capturado en Corea, como se mencionó anteriormente, que Chuck Yeager "conducía".
En La-176 se aplicó un barrido de ala igual a 45 grados, récord para aquellos tiempos. El motor turborreactor VK-1 proporcionó un empuje de 2700 kg. Longitud 10,97 m, envergadura 8,59 m, superficie alar 18,26 m2. Peso al despegue 4636 kg. Techo 15.000 m Alcance de vuelo 1.000 km. Armamento un cañón de 37 mm y dos de 23 mm. El automóvil estuvo listo en el otoño de 1948, en diciembre comenzó las pruebas de vuelo en Crimea en un aeródromo militar cerca de la ciudad de Saki. Entre los que dirigieron las pruebas se encontraba el futuro académico Vladimir Vasilievich Struminsky (1914-1998), los pilotos de la aeronave experimental fueron el Capitán Oleg Sokolovsky y el Coronel Ivan Fedorov, quien más tarde recibió el título de Héroe de la Unión Soviética. Sokolovsky, por un accidente absurdo, murió durante el cuarto vuelo, olvidándose de cerrar el dosel de la cabina.
El coronel Ivan Fedorov rompió la barrera del sonido el 26 de diciembre de 1948. Habiéndose elevado a una altura de 10 mil metros, rechazó la palanca de control y comenzó a acelerar en picada. “Estoy acelerando mi 176 desde una gran altura”, recordó el piloto. Se escucha un tedioso silbido bajo. Al aumentar la velocidad, el avión se precipita hacia el suelo. En la escala del machómetro, la flecha cambia de números de tres dígitos a números de cuatro dígitos. El avión tiembla como si tuviera fiebre. ¡Y de repente silencio! Tomada la barrera del sonido. La interpretación posterior de los oscilogramas mostró que el número M ha excedido uno. Ocurrió a una altitud de 7.000 metros, donde se registró una velocidad de 1,02M.
En el futuro, la velocidad de los aviones tripulados siguió aumentando constantemente debido al aumento de la potencia del motor, el uso de nuevos materiales y la optimización de los parámetros aerodinámicos. Sin embargo, este proceso no es ilimitado. Por un lado, se ve obstaculizado por consideraciones de racionalidad, cuando se tienen en cuenta el consumo de combustible, los costes de desarrollo, la seguridad de vuelo y otras consideraciones no ociosas. E incluso en la aviación militar, donde el dinero y la seguridad del piloto no son tan importantes, las velocidades de los coches más "ágiles" están en el rango de 1,5M a 3M. No parece que necesite más. (El récord de velocidad para vehículos tripulados con motores a reacción pertenece al avión de reconocimiento estadounidense SR-71 y es Mach 3.2).
Por otro lado, existe una barrera térmica infranqueable: a una determinada velocidad, el calentamiento del cuerpo de la máquina por fricción con el aire se produce tan rápidamente que es imposible eliminar el calor de su superficie. Los cálculos muestran que a presión normal esto debería ocurrir a una velocidad del orden de 10M.
Sin embargo, todavía se alcanzó el límite de 10M en el mismo campo de entrenamiento de Edwards. Ocurrió en 2005. El poseedor del récord fue el avión cohete no tripulado X-43A, fabricado como parte del grandioso programa Hiper-X de 7 años para desarrollar nuevos tipos de tecnologías diseñadas para cambiar radicalmente la faz de la tecnología espacial y de cohetes del futuro. Su costo es de 230 millones de dólares y el récord se estableció a una altitud de 33.000 metros. El dron utiliza un nuevo sistema de aceleración. Primero, se prueba un cohete de combustible sólido tradicional, con la ayuda del cual el X-43A alcanza una velocidad de 7 M, y luego se enciende un nuevo tipo de motor: un motor estatorreactor hipersónico (scramjet o scramjet), en el cual el aire atmosférico ordinario se usa como oxidante, y el combustible gaseoso es hidrógeno (un esquema bastante clásico de una explosión incontrolada).
De acuerdo con el programa, se fabricaron tres modelos no tripulados que, después de completar la tarea, se ahogaron en el océano. La siguiente etapa implica la creación de vehículos tripulados. Después de su prueba, los resultados obtenidos se tendrán en cuenta a la hora de crear una amplia variedad de dispositivos "útiles". Además de aviones, la NASA creará vehículos militares hipersónicos: bombarderos, aviones de reconocimiento y transportadores. Boeing, que participa en el programa Hiper-X, planea construir un avión hipersónico de 250 pasajeros para 2030-2040. Está bastante claro que no habrá ventanas que rompan la aerodinámica a tales velocidades y no puedan soportar el calentamiento térmico. En lugar de ojos de buey, se suponen pantallas con una grabación de video de nubes que pasan.
No hay duda de que este tipo de transporte tendrá demanda, porque cuanto más lejos, más caro se vuelve el tiempo, acomodando más y más emociones, dólares ganados y otros componentes de la vida moderna por unidad de tiempo. En este sentido, no hay duda de que algún día las personas se convertirán en mariposas de un día: un día estará saturado como toda la vida humana presente (más bien ya ayer). Y se puede suponer que alguien o algo está implementando el programa Hiper-X en relación con la humanidad.
(a veces más de uno, dependiendo de la forma del cuerpo). La foto de la izquierda muestra las ondas de choque formadas en la punta del fuselaje del modelo, en los bordes delantero y trasero del ala y en la parte trasera del modelo.
En el frente de una onda de choque (a veces también llamada onda de choque), que tiene un grosor muy pequeño (fracciones de milímetro), los cambios cardinales en las propiedades del flujo ocurren casi abruptamente: su velocidad en relación con el cuerpo disminuye y se vuelve subsónico, la presión en el flujo y la temperatura del gas aumentan abruptamente. Parte de la energía cinética del flujo se convierte en energía interna del gas. Todos estos cambios son mayores cuanto mayor es la velocidad del flujo supersónico. A velocidades hipersónicas (Número de Mach = 5 y superior), la temperatura del gas alcanza varios miles de Kelvin, lo que crea serios problemas para los vehículos que se mueven a tales velocidades (por ejemplo, el transbordador Columbia colapsó el 1 de febrero de 2003 debido a daños en la protección térmica). caparazón que surgió durante el vuelo).
El frente de la onda de choque, a medida que se aleja del aparato, toma gradualmente una forma cónica casi regular, la caída de presión a través de él disminuye al aumentar la distancia desde la parte superior del cono, y la onda de choque se convierte en una onda de sonido. Ángulo entre el eje y la generatriz del cono α (\ estilo de visualización \ alfa) está relacionado con el número de Mach por la relación
pecado α = 1 METRO . (\displaystyle \sin \alpha =(\frac (1)(M)).)Cuando esta onda llega a un observador, que está, por ejemplo, en la Tierra, escucha un sonido fuerte, similar a una explosión. Un error común es que esto es consecuencia de que la aeronave alcance la velocidad del sonido o "rompa la barrera del sonido". De hecho, en este momento, una onda de choque pasa por el observador, que acompaña constantemente a la aeronave que se mueve a una velocidad supersónica. Por lo general, inmediatamente después del "pop", el observador puede escuchar el zumbido de los motores de la aeronave, que no se escucha antes del paso de la onda de choque, ya que la aeronave se mueve más rápido que los sonidos emitidos por ella. Una observación muy similar tiene lugar durante el vuelo subsónico: no se escucha un avión que vuela por encima del observador a gran altura (más de 1 km), o más bien, lo escuchamos con retraso: la dirección hacia la fuente de sonido no coincide con la dirección a la aeronave visible para el observador desde tierra.
Se puede observar un fenómeno similar durante el fuego de artillería: un observador a unos pocos kilómetros frente al arma puede ver primero el destello de un disparo, después de un rato escucha el "trueno" de un proyectil volador (y unos segundos después de eso: el ruido que genera).
crisis de las olas
Crisis de olas: un cambio en la naturaleza del flujo de aire alrededor de un avión cuando la velocidad de vuelo se acerca a la velocidad del sonido, acompañada, por regla general, por un deterioro en las características aerodinámicas del dispositivo: un aumento en la resistencia, una disminución en ascensor, la aparición de vibraciones, etc.
Ya durante la Segunda Guerra Mundial, la velocidad de los cazas comenzó a acercarse a la velocidad del sonido. Al mismo tiempo, los pilotos a veces comenzaron a observar fenómenos incomprensibles en ese momento y amenazantes que ocurren con sus autos cuando vuelan a velocidades máximas. Se ha conservado el emotivo informe del piloto de la Fuerza Aérea de EE. UU. a su comandante, el general Arnold:
Señor, nuestros aviones ya son muy estrictos en este momento. Si hay coches con velocidades aún mayores, no podremos pilotarlos. La semana pasada me sumergí en Me-109 en mi Mustang. Mi avión tembló como un martillo neumático y dejó de obedecer a los timones. No pude sacarlo de su inmersión. A sólo trescientos metros del suelo, apenas nivelé el coche...
Después de la guerra, cuando muchos diseñadores de aeronaves y pilotos de prueba hicieron intentos persistentes para lograr una marca psicológicamente significativa: la velocidad del sonido, estos fenómenos incomprensibles se convirtieron en la norma, y muchos de estos intentos terminaron trágicamente. Esto trajo a la vida la expresión "barrera del sonido" (fr. mur du son, alemán Schallmauer - muro de sonido), no exenta de misticismo. Los pesimistas argumentaron que era imposible exceder este límite, aunque los entusiastas, arriesgando sus vidas, intentaron hacerlo repetidamente. El desarrollo de ideas científicas sobre el movimiento supersónico del gas hizo posible no solo explicar la naturaleza de la "barrera del sonido", sino también encontrar medios para superarla.
Con flujo subsónico alrededor del fuselaje, ala y cola de la aeronave, aparecen zonas de aceleración de flujo local en las secciones convexas de sus contornos. Cuando la velocidad de vuelo de una aeronave se acerca a la velocidad del sonido, la velocidad del aire local en las zonas de aceleración del flujo puede exceder ligeramente la velocidad del sonido (Fig. 1a). Habiendo pasado la zona de aceleración, el flujo se ralentiza, con la inevitable formación de una onda de choque (esta es una propiedad de los flujos supersónicos: la transición de velocidad supersónica a subsónica siempre ocurre de forma discontinua, con la formación de una onda de choque). La intensidad de estas ondas de choque es baja - la caída de presión en sus frentes es pequeña, pero surgen inmediatamente en multitud, en diferentes puntos de la superficie del aparato, y juntos cambian bruscamente la naturaleza de su flujo, con un deterioro en sus características de vuelo: la sustentación del ala cae, los timones de aire y los alerones pierden su efectividad, el aparato se vuelve incontrolable, y todo esto es extremadamente inestable, hay una fuerte vibración. Este fenómeno ha sido denominado crisis de las olas. Cuando la velocidad de la nave espacial se vuelve supersónica (> 1), el flujo vuelve a ser estable, aunque su carácter cambia fundamentalmente (Fig. 1b).
Para alas con un perfil relativamente grueso, en condiciones de crisis de olas, el centro de presión se desplaza bruscamente hacia atrás, como resultado de lo cual la nariz del avión se vuelve "más pesada". Los pilotos de los cazas de pistón con un ala de este tipo, que intentaron desarrollar la máxima velocidad al bucear desde gran altura con la máxima potencia, al acercarse a la "barrera del sonido" se convirtieron en víctimas de una crisis de olas: una vez en ella, era imposible salir del bucear sin velocidad de extinción, lo que a su vez es muy difícil de hacer en una inmersión. El caso más famoso de zambullirse en picado desde un vuelo horizontal en la historia de la aviación nacional es el desastre de Bakhchivandzhi durante una prueba del misil BI-1 a máxima velocidad. Los mejores aviones de combate de ala recta de la Segunda Guerra Mundial, como el P-51 Mustang o el Me-109, tenían crujidos de olas a gran altura a velocidades de 700-750 km/h. Al mismo tiempo, los jet Messerschmitt Me.262 y Me.163 de la misma época tenían un ala en flecha, gracias a la cual podían alcanzar velocidades de más de 800 km/h sin ningún problema. También se debe tener en cuenta que una aeronave con hélice tradicional en vuelo nivelado no puede alcanzar velocidades cercanas a la velocidad del sonido, ya que las palas de la hélice entran en la zona de crisis de las olas y pierden eficiencia mucho antes que la aeronave. Las hélices supersónicas con hojas de sable pueden resolver este problema, pero en este momento tales hélices son demasiado complejas técnicamente y muy ruidosas, por lo que no se utilizan en la práctica.
Los aviones subsónicos modernos con una velocidad de vuelo de crucero lo suficientemente cercana a la velocidad sónica (más de 800 km/h) se realizan generalmente con alas en flecha y empenaje con perfiles delgados, lo que permite cambiar la velocidad a la que comienza una crisis de olas hacia mayor. valores. Los aviones supersónicos, que tienen que atravesar un tramo de crisis de las olas para ganar velocidad supersónica, presentan diferencias estructurales con respecto a los subsónicos, asociadas tanto a las características del flujo supersónico del medio aéreo como a la necesidad de soportar las cargas que se presentan durante el mismo. vuelo supersónico y crisis de olas, en particular, alas de planta triangular con un perfil en forma de diamante o triangular.
Derechos de autor de la imagen SPL
A menudo se dice que las impresionantes fotografías de aviones de combate en un denso cono de vapor de agua son el avión que rompe la barrera del sonido. Pero esto es un error. El navegador habla de la verdadera causa del fenómeno.
Este fenómeno espectacular fue capturado repetidamente por fotógrafos y videógrafos. Un avión a reacción militar pasa sobre la tierra a gran velocidad, varios cientos de kilómetros por hora.
A medida que el caza acelera, comienza a formarse a su alrededor un denso cono de condensación; parece que el avión está dentro de una nube compacta.
Los subtítulos de fantasía emocionantes debajo de tales fotografías a menudo afirman que tenemos ante nosotros: evidencia visual de un estampido sónico cuando el avión alcanza una velocidad supersónica.
De hecho, esto no es cierto. Observamos el llamado efecto Prandtl-Gloert, un fenómeno físico que ocurre cuando un avión se acerca a la velocidad del sonido. No tiene nada que ver con romper la barrera del sonido.
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A medida que se desarrollaba la industria aeronáutica, las formas aerodinámicas se volvieron cada vez más aerodinámicas y la velocidad de los aviones aumentó constantemente: los aviones comenzaron a hacer cosas con el aire que los rodeaba que sus predecesores más lentos y voluminosos no podían hacer.
Las misteriosas ondas de choque que se forman alrededor de los aviones que vuelan a baja altura a medida que se acercan a la velocidad del sonido y luego rompen la barrera del sonido, indican que el aire a tales velocidades se comporta de una manera muy extraña.
Entonces, ¿qué son estas misteriosas nubes de condensado?
Derechos de autor de la imagen getty Captura de imagen El efecto Prandtl-Gloert es más pronunciado cuando se vuela en una atmósfera cálida y húmeda.Según Rod Irwin, presidente del Grupo de Aerodinámica de la Royal Aeronautics Society, las condiciones en las que se produce el cono de vapor preceden inmediatamente a que un avión rompa la barrera del sonido. Sin embargo, este fenómeno suele fotografiarse a velocidades ligeramente inferiores a la velocidad del sonido.
Las capas superficiales de aire son más densas que la atmósfera a gran altura. Cuando se vuela a altitudes bajas, aumenta la fricción y la resistencia.
Por cierto, los pilotos tienen prohibido romper la barrera del sonido en tierra. “Puedes ir supersónico sobre el océano, pero no sobre una superficie sólida", explica Irwin. "Por cierto, esta circunstancia fue un problema para el transatlántico de pasajeros supersónico Concorde: la prohibición se introdujo después de su puesta en funcionamiento, a la tripulación se le permitió desarrollar una velocidad supersónica solo sobre la superficie del agua".
Además, es extremadamente difícil registrar visualmente un estampido sónico cuando un avión alcanza una velocidad supersónica. No se puede ver a simple vista, solo con la ayuda de un equipo especial.
Para fotografiar modelos soplados a velocidades supersónicas en túneles de viento, generalmente se usan espejos especiales para detectar la diferencia en el reflejo de la luz causada por la formación de una onda de choque.
Derechos de autor de la imagen getty Captura de imagen Cuando la presión del aire cae, la temperatura del aire disminuye y la humedad contenida en él se convierte en condensado.Las fotografías obtenidas por el llamado método de Schlieren (o método de Toepler) se utilizan para visualizar las ondas de choque (o, como también se les llama, ondas de choque) que se forman alrededor del modelo.
Durante las purgas, no se crean conos de condensación alrededor de los modelos, ya que el aire utilizado en los túneles de viento se seca preliminarmente.
Los conos de vapor de agua están asociados con ondas de choque (y hay varias) que se forman alrededor de la aeronave a medida que aumenta su velocidad.
Cuando la velocidad de un avión se acerca a la velocidad del sonido (unos 1234 km/h a nivel del mar), se produce una diferencia de presión y temperatura local en el aire que circula a su alrededor.
Como resultado, el aire pierde su capacidad de retener la humedad y se forma condensación en forma de cono, como en este video.
"El cono visible de vapor es causado por una onda de choque, que crea un diferencial de presión y temperatura alrededor del avión", dice Irwin.
Muchas de las mejores fotografías de este fenómeno provienen de aviones de la Marina de los EE. UU., lo que no sorprende, dado que el aire cálido y húmedo cerca de la superficie del mar tiende a exagerar el efecto Prandtl-Gloert.
Tales acrobacias a menudo son realizadas por cazabombarderos F/A-18 Hornet, el principal tipo de aviación naval estadounidense basado en portaaviones.
Derechos de autor de la imagen SPL Captura de imagen La onda de choque a la salida del avión a supersónico es difícil de detectar a simple vistaLos miembros del equipo acrobático US Navy Blue Angels vuelan en los mismos vehículos de combate, realizando magistralmente maniobras en las que se forma una nube de condensación alrededor del avión.
Debido a la espectacularidad del fenómeno, se suele utilizar para popularizar la aviación naval. Los pilotos maniobran deliberadamente sobre el mar, donde las condiciones para que ocurra el efecto Prandtl-Gloert son las más óptimas, y los fotógrafos navales profesionales están de servicio cerca; después de todo, es imposible tomar una imagen clara de un avión a reacción volando. a una velocidad de 960 km / h en un teléfono inteligente normal.
Las nubes de condensación se ven más impresionantes en el llamado modo de vuelo transónico, cuando el aire fluye parcialmente alrededor de la aeronave a una velocidad supersónica y parcialmente a una velocidad subsónica.
“El avión no vuela necesariamente a velocidades supersónicas, pero el aire fluye alrededor de la superficie superior de su ala a una velocidad mayor que la inferior, lo que provoca un choque local”, dice Irwin.
Según él, para que ocurra el efecto Prandtl-Gloert, se requieren ciertas condiciones climáticas (a saber, aire cálido y húmedo), que los cazas basados en portaaviones encuentran con más frecuencia que otros aviones.
Todo lo que tienes que hacer es pedirle el servicio a un fotógrafo profesional, ¡y listo! - su avión fue captado rodeado por una espectacular nube de vapor de agua, que muchos de nosotros tomamos erróneamente como señal de llegar a supersónico.
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(a veces más de uno, dependiendo de la forma del cuerpo). La foto muestra ondas de choque generadas en la punta del fuselaje del modelo, en los bordes delantero y trasero del ala y en la parte trasera del modelo.
En el frente de una onda de choque (a veces también llamada onda de choque), que tiene un grosor muy pequeño (fracciones de mm), los cambios cardinales en las propiedades del flujo ocurren casi abruptamente: su velocidad relativa al cuerpo disminuye y se vuelve subsónico, la presión en el flujo y la temperatura del gas aumentan abruptamente. Parte de la energía cinética del flujo se convierte en energía interna del gas. Todos estos cambios son mayores cuanto mayor es la velocidad del flujo supersónico. A velocidades hipersónicas (Mach 5 y superiores), la temperatura del gas alcanza varios miles de grados, lo que crea serios problemas para los vehículos que se mueven a tales velocidades (por ejemplo, el transbordador Columbia se derrumbó el 1 de febrero de 2003 debido a daños en la capa protectora térmica que ocurrido durante el vuelo).
El frente de la onda de choque, a medida que se aleja del aparato, toma gradualmente una forma cónica casi regular, la caída de presión a través de él disminuye al aumentar la distancia desde la parte superior del cono, y la onda de choque se convierte en una onda de sonido. El ángulo entre el eje y la generatriz del cono está relacionado con el número de Mach por la relación:
Cuando esta onda llega a un observador, que está, por ejemplo, en la Tierra, escucha un sonido fuerte, similar a una explosión. Un error común es que esto es consecuencia de que la aeronave alcance la velocidad del sonido o "rompa la barrera del sonido". De hecho, en este momento, una onda de choque pasa por el observador, que acompaña constantemente a la aeronave que se mueve a una velocidad supersónica. Por lo general, inmediatamente después del "pop", el observador puede escuchar el zumbido de los motores de la aeronave, que no se escucha antes del paso de la onda de choque, ya que la aeronave se mueve más rápido que los sonidos emitidos por ella. Una observación muy similar tiene lugar durante el vuelo subsónico: no se escucha un avión que vuela por encima del observador a gran altura (más de 1 km), o más bien, lo escuchamos con retraso: la dirección hacia la fuente de sonido no coincide con la dirección a la aeronave visible para el observador desde tierra.
crisis de las olas
Crisis de olas: un cambio en la naturaleza del flujo de aire alrededor de un avión cuando la velocidad de vuelo se acerca a la velocidad del sonido, acompañada, por regla general, por un deterioro en las características aerodinámicas del dispositivo: un aumento en la resistencia, una disminución en ascensor, la aparición de vibraciones, etc.
Ya durante la Segunda Guerra Mundial, la velocidad de los cazas comenzó a acercarse a la velocidad del sonido. Al mismo tiempo, los pilotos a veces comenzaron a observar fenómenos incomprensibles en ese momento y amenazantes que ocurren con sus autos cuando vuelan a velocidades máximas. Se ha conservado el emotivo informe del piloto de la Fuerza Aérea de EE. UU. a su comandante, el general Arnold:
“Señor, nuestros aviones ya son muy estrictos ahora. Si hay coches con velocidades aún mayores, no podremos pilotarlos. La semana pasada me sumergí en Me-109 en mi Mustang. Mi avión tembló como un martillo neumático y dejó de obedecer a los timones. No pude sacarlo de su inmersión. Apenas a trescientos metros del suelo, apenas nivelé el auto…”.
Después de la guerra, cuando muchos diseñadores de aeronaves y pilotos de prueba hicieron intentos persistentes para lograr una marca psicológicamente significativa: la velocidad del sonido, estos fenómenos incomprensibles se convirtieron en la norma, y muchos de estos intentos terminaron trágicamente. Esto dio lugar a la expresión no tan mística “barrera del sonido” (fr. mur du hijo, Alemán Schallmauer- pared de sonido). Los pesimistas argumentaron que era imposible exceder este límite, aunque los entusiastas, arriesgando sus vidas, intentaron hacerlo repetidamente. El desarrollo de ideas científicas sobre el movimiento supersónico del gas hizo posible no solo explicar la naturaleza de la "barrera del sonido", sino también encontrar medios para superarla.
Con flujo subsónico alrededor del fuselaje, ala y cola de la aeronave, aparecen zonas de aceleración de flujo local en las secciones convexas de sus contornos. Cuando la velocidad de vuelo de una aeronave se acerca a la velocidad del sonido, la velocidad del aire local en las zonas de aceleración del flujo puede exceder ligeramente la velocidad del sonido (Fig. 1a). Habiendo pasado la zona de aceleración, el flujo se ralentiza, con la inevitable formación de una onda de choque (esta es una propiedad de los flujos supersónicos: la transición de velocidad supersónica a subsónica siempre ocurre de forma discontinua, con la formación de una onda de choque). La intensidad de estas ondas de choque es baja - la caída de presión en sus frentes es pequeña, pero surgen inmediatamente en multitud, en diferentes puntos de la superficie del aparato, y juntos cambian bruscamente la naturaleza de su flujo, con un deterioro en sus características de vuelo: la sustentación del ala cae, los timones de aire y los alerones pierden su efectividad, el aparato se vuelve incontrolable, y todo esto es extremadamente inestable, hay una fuerte vibración. Este fenómeno ha sido denominado crisis de las olas. Cuando la velocidad de la nave espacial se vuelve supersónica (> 1), el flujo vuelve a ser estable, aunque su carácter cambia fundamentalmente (Fig. 1b).
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| Arroz. 1a. Aerowing en cerca del flujo de sonido. | Arroz. 1b. Aerowing en flujo supersónico. |
Para alas con un perfil relativamente grueso, en condiciones de crisis de olas, el centro de presión se desplaza bruscamente hacia atrás y el morro del avión "se vuelve más pesado". Los pilotos de los cazas de pistón con un ala de este tipo, que intentaron desarrollar la máxima velocidad al bucear desde gran altura con la máxima potencia, al acercarse a la "barrera del sonido" se convirtieron en víctimas de una crisis de olas: una vez en ella, era imposible salir del bucear sin velocidad de extinción, lo que a su vez es muy difícil de hacer en una inmersión. El caso más famoso de zambullirse en picado desde un vuelo horizontal en la historia de la aviación nacional es el desastre de Bakhchivandzhi durante una prueba del misil BI-1 a máxima velocidad. Los mejores cazas de ala recta de la Segunda Guerra Mundial, como el P-51 Mustang o el Me-109, tuvieron una crisis de olas a gran altura a velocidades de 700-750 km/h. Al mismo tiempo, los jet Messerschmitt Me.262 y Me.163 de la misma época tenían un ala en flecha, gracias a lo cual desarrollaron velocidades de más de 800 km/h sin problemas. También se debe tener en cuenta que una aeronave con hélice tradicional en vuelo nivelado no puede alcanzar velocidades cercanas a la velocidad del sonido, ya que las palas de la hélice entran en la zona de crisis de las olas y pierden eficiencia mucho antes que la aeronave. Las hélices supersónicas con palas en forma de sable pueden resolver este problema, pero en este momento tales hélices resultan ser demasiado complejas técnicamente y muy ruidosas, por lo que no se utilizan en la práctica.
Los aviones subsónicos modernos con una velocidad de vuelo de crucero lo suficientemente cercana a la velocidad sónica (más de 800 km/h) se realizan generalmente con alas en flecha y empenaje con perfiles delgados, lo que permite cambiar la velocidad a la que comienza una crisis de olas hacia mayor. valores. Los aviones supersónicos, que tienen que atravesar un tramo de crisis de las olas para ganar velocidad supersónica, presentan diferencias estructurales con respecto a los subsónicos, asociadas tanto a las características del flujo supersónico del medio aéreo como a la necesidad de soportar las cargas que se presentan durante el mismo. vuelo supersónico y crisis de olas, en particular: de planta triangular, un ala con un perfil en forma de diamante o triangular.
- a velocidades de vuelo subsónicas, se deben evitar las velocidades a las que se inicia una crisis de olas (estas velocidades dependen de las características aerodinámicas de la aeronave y de la altitud de vuelo);
- la transición de velocidad subsónica a supersónica en aviones a reacción debe realizarse lo más rápido posible, utilizando motores de poscombustión, para evitar un vuelo largo en la zona de crisis de olas.
Término crisis de las olas también se aplica a las embarcaciones que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de las olas en la superficie del agua. El desarrollo de una crisis de olas dificulta el aumento de la velocidad. Superar la crisis de las olas por parte del barco significa entrar en modo planeo (deslizar el casco sobre la superficie del agua).
Hechos históricos
- El primer piloto en alcanzar la velocidad supersónica en vuelo controlado fue el piloto de pruebas estadounidense Chuck Yeager en el avión experimental Bell X-1 (de ala recta y motor cohete XLR-11), que alcanzó una velocidad de M = 1,06 en un vuelo suave. bucear. Ocurrió el 14 de octubre de 1947.
- En la URSS, la barrera del sonido fue superada por primera vez el 26 de diciembre de 1948 por Sokolovsky, y luego por Fedorov, en vuelos con una disminución en un caza experimental La-176.
- El primer avión civil en romper la barrera del sonido fue el avión de pasajeros Douglas DC-8. El 21 de agosto de 1961 alcanzó Mach 1,012 o 1262 km/h en una inmersión controlada desde 12496 m El vuelo se realizó para recopilar datos para el diseño de nuevos bordes de ataque de las alas.
- El 15 de octubre de 1997, 50 años después de romper la barrera del sonido en un avión, el inglés Andy Green rompió la barrera del sonido en un automóvil Thrust SSC.
- El 14 de octubre de 2012, Felix Baumgartner se convirtió en la primera persona en romper la barrera del sonido sin la ayuda de ningún vehículo motorizado, en caída libre mientras saltaba desde una altura de 39 kilómetros. En caída libre, alcanzó una velocidad de 1342,8 kilómetros por hora.
ver también
- Barrera térmica (problemas en el desarrollo de aviones hipersónicos)
notas
Enlaces
- Fundamentos Teóricos y de Ingeniería de la Ingeniería Aeroespacial.
Fundación Wikimedia. 2010 .
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BARRERA DEL SONIDO, la causa de las dificultades en la aviación al aumentar la velocidad de vuelo por encima de la velocidad del sonido (VELOCIDAD SUPERSONICA). Acercándose a la velocidad del sonido, la aeronave experimenta un aumento inesperado en la resistencia y una pérdida de ELEVACIÓN aerodinámica... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.
Un fenómeno que ocurre durante el vuelo de un avión o cohete en el momento de la transición de velocidad de vuelo subsónica a supersónica en la atmósfera. Cuando la velocidad de la aeronave se acerca a la velocidad del sonido (1200 km/h), aparece una zona delgada en el aire frente a ella, en la que ... ... enciclopedia de tecnologia
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