Garso barjeras – tai reiškinys, atsirandantis lėktuvui ar raketai skrendant atmosferoje pereinant iš ikigarsinio į viršgarsinį skrydžio greitį. Lėktuvo greičiui priartėjus prie garso greičio (1200 km/h), priešais jį atsiranda plonas plotas, kuriame smarkiai padidėja oro aplinkos slėgis ir tankis. Toks oro susitraukimas priešais lėktuvą skrendant vadinamas smūgine banga. Ant žemės smūgio bangos praėjimas suvokiamas kaip trenksmas, panašus į šūvio garsą. Viršijęs garso greitį, lėktuvas prasiskverbia per šią padidėjusio oro tankio sritį, tarsi ją pradurdamas – įveikia garso barjerą. Ilgą laiką garso barjero įveikimas atrodė rimta aviacijos plėtros problema. Jai išspręsti reikėjo pakeisti lėktuvo sparno profilį ir formą (jis suplonėjo ir nušluotas), smailesnę priekinę fiuzeliažo dalį bei aprūpinti lėktuvą reaktyviniais varikliais. Pirmą kartą garso greitį 1947 metais viršijo C. Yeageris su skystojo kuro raketos varikliu Bell X-1 (JAV), paleistu iš Boeing B-29 lėktuvo. Rusijoje pirmasis garso barjerą 1948 metais įveikė eksperimentinio lėktuvo La-176 su turboreaktyviniu varikliu pilotas O. V. Sokolovskis.
Vaizdo įrašas.
Garso greitis.
Mažų slėgio perturbacijų sklidimo greitis (atsižvelgiant į terpę). Tobulose dujose (pavyzdžiui, ore esant vidutinei temperatūrai ir slėgiui) C. h. nepriklauso nuo sklindančios mažos perturbacijos pobūdžio ir yra vienodos tiek monochromatiniams skirtingų dažnių virpesiams (), tiek silpnoms smūgio bangoms. Tobulose dujose nagrinėjamame erdvės taške C. z. bet priklauso tik nuo dujų sudėties ir jų absoliučios temperatūros T:
a = (dp / d (()) 1/2 = ((() p / ()) 1/2 = ((() RT / (()) 1/2,
kur dp / d (() yra izentropinio proceso slėgio išvestinė tankio atžvilgiu, (-) yra adiabatinis eksponentas, R yra universali dujų konstanta, (-) yra molekulinė masė (ore a 20,1T1 / 2 m/s esant 0 (°) C a = 332 m/s).
Dujose, turinčiose fizikinių ir cheminių virsmų, pavyzdžiui, disocijuojamose dujose, C. z. priklausys nuo to, kaip – esant pusiausvyrai ar ne pusiausvyrai – šie procesai vyks pasipiktinimo bangoje. Esant termodinaminei pusiausvyrai S. z. priklauso tik nuo dujų sudėties, jų temperatūros ir slėgio. Esant nesubalansuotai fizikinių ir cheminių procesų eigai, vyksta garso sklaida, tai yra, S. z. priklauso ne tik nuo aplinkos būklės, bet ir nuo vibracijos dažnio (). Iš sustingusios S. z sklinda aukšto dažnio svyravimai ((mt), ()) – atsipalaidavimo laikas). aj, žemo dažnio ((,) 0) - su pusiausvyra S. z. ae, ir aj> ae. Skirtumas tarp aj ir ai paprastai yra nedidelis (ore esant T = 6000 (°) C ir p = 105 Pa, tai yra apie 15%). S. skysčiuose z. daug didesnis nei dujose (vandenyje 1500 m/s)
1947 m. spalio 14 d. žmonija peržengė kitą etapą. Riba yra gana objektyvi, išreikšta konkrečiu fizikiniu dydžiu - garso greičiu ore, kuris žemės atmosferos sąlygomis priklauso nuo jo temperatūros ir slėgio 1100–1200 km/h diapazone. Amerikiečių pilotas Charlesas Elwoodas „Chuckas“ Yeageris, jaunas Antrojo pasaulinio karo veteranas, pasižymintis nepaprasta drąsa ir puikiu fotogeniškumu, užkariavo viršgarsinį greitį, kurio dėka iš karto išpopuliarėjo gimtinėje, kaip ir Jurijus Gagarinas po 14 metų.
O drąsos peržengti garso barjerą tikrai reikėjo. Sovietų lakūnas Ivanas Fiodorovas, po metų, 1948-aisiais, pakartojęs Yeagerio pasiekimą, prisiminė tuometinius jausmus: „Prieš skrydį įveikti garso barjerą tapo akivaizdu, kad po jo išlikimo garantijos nėra. Kas tai yra ir ar orlaivio konstrukcija atlaikys elementų slėgį, praktiškai niekas nežinojo. Bet jie stengėsi apie tai negalvoti“.
Iš tiesų, nebuvo visiško aiškumo, kaip automobilis elgsis viršgarsiniu greičiu. Lėktuvų dizaineriai vis dar turėjo šviežių prisiminimų apie staigią 30-ųjų nelaimę, kai, didėjant orlaivių greičiams, reikėjo skubiai išspręsti plazdėjimo problemą - savaiminius virpesius, atsirandančius tiek standžiose orlaivio konstrukcijose, tiek jo viduje. odą, per kelias minutes suplėšydamas orlaivį. Procesas vystėsi kaip lavina, greitai, pilotai nespėjo pakeisti skrydžio režimo, o mašinos subyrėjo ore. Gana ilgą laiką matematikai ir dizaineriai įvairiose šalyse stengėsi išspręsti šią problemą. Galų gale reiškinio teoriją sukūrė tuomet jaunas rusų matematikas Mstislavas Vsevolodovičius Keldyšas (1911–1978), vėliau SSRS mokslų akademijos prezidentas. Šios teorijos pagalba buvo galima rasti būdą, kaip visam laikui atsikratyti nemalonaus reiškinio.
Visiškai suprantama, kad ne mažiau nemalonių staigmenų buvo tikimasi iš garso barjero. Skaitmeninis sudėtingų diferencialinių aerodinamikos lygčių sprendimas be galingų kompiuterių buvo neįmanomas, todėl teko pasikliauti modelių „pučiavimu“ vėjo tuneliuose. Tačiau iš kokybinių sumetimų buvo aišku, kad pasiekus garso greitį šalia orlaivio kyla smūginė banga. Svarbiausias momentas – garso barjero įveikimas, kai lėktuvo greitis lyginamas su garso greičiu. Šiuo metu slėgių skirtumas priešingose bangos fronto pusėse sparčiai didėja, o jei momentas trunka ilgiau nei akimirką, lėktuvas gali subyrėti ne blogiau nei nuo plazdėjimo. Kartais, įveikiant garso barjerą nepakankamu pagreičiu, orlaivio sukurta smūgio banga net išmuša stiklus iš po juo žemėje esančių namų langų.
Lėktuvo greičio ir garso greičio santykis vadinamas Macho skaičiumi (žymaus vokiečių mechaniko ir filosofo Ernsto Macho vardu). Pravažiuojant garso barjerą pilotui atrodo, kad šuoliu per agregatą peršoka skaičius M: Chuckas Yeageris matė, kaip mahometro adata pašoko nuo 0,98 iki 1,02, po to kabinoje stojo „dieviška“ tyla – iš tikrųjų , atrodė: vos lygiu garso slėgis kabinoje nukrenta kelis kartus. Šis „išsivalymo nuo garso“ momentas yra labai klastingas, kainavo ne vieno bandytojo gyvybę. Tačiau pavojus subyrėti jo lėktuvui X-1 nebuvo didelis.
X-1, pagamintas Bell Aircraft 1946 m. sausio mėn., buvo grynas tyrimų orlaivis, skirtas pralaužti garso barjerą ir nieko daugiau. Nepaisant to, kad automobilis buvo užsakytas Gynybos ministerijos, vietoj ginklų jis buvo prikimštas mokslinės įrangos, kuri stebi agregatų, prietaisų ir mechanizmų veikimo režimus. X-1 buvo tarsi moderni sparnuotoji raketa. Jame buvo vienas „Reaction Motors“ raketinis variklis, kurio trauka siekė 2722 kg. Didžiausias kilimo svoris yra 6078 kg. Ilgis – 9,45 m, aukštis – 3,3 m, sparnų plotis – 8,53 m.Maksimalus greitis – 2736 km/h 18290 m aukštyje. Transporto priemonė buvo paleista iš strateginio bombonešio B-29 ir nusileido ant plieninių „slidžių“ ant sauso druskos ežero.
Ne mažiau įspūdingi jo piloto „taktiniai ir techniniai parametrai“. Chuckas Yeageris gimė 1923 m. vasario 13 d. Po mokyklos įstojo į skrydžio mokyklą, o baigęs išvyko kovoti į Europą. Numušė vieną Messerschmitt-109. Jis pats buvo nušautas Prancūzijos padangėje, tačiau jį išgelbėjo partizanai. Lyg nieko nebūtų nutikę, jis grįžo į bazę Anglijoje. Tačiau budri kontržvalgyba, netikėjusi stebuklingu išsivadavimu iš nelaisvės, pašalino pilotą iš skrydžių ir pasiuntė į užnugarį. Ambicingą Yeagerį priėmė sąjungininkų pajėgų Europoje vyriausiasis vadas generolas Eisenhoweris, kuris tikėjo Yeager. Ir jis neklydo – per šešis mėnesius, likusius iki karo pabaigos, jaunasis pilotas atliko 64 skridimus, numušė 13 priešo lėktuvų, 4 per vieną mūšį. Ir jis grįžo į tėvynę su kapitono laipsniu su puikia dokumentacija, kuri parodė, kad jis turi fenomenalią skraidymo intuiciją, neįtikėtiną santūrumą ir nuostabią ištvermę bet kokioje kritinėje situacijoje. Dėl tokios savybės jis buvo įtrauktas į viršgarsinių bandytojų komandą, kuri buvo atrinkta ir apmokyta taip pat kruopščiai, kaip vėliau astronautai.
X-1 Glamorous Glennis pervadinęs savo žmonos vardu, Yeageris jame rekordus pasiekė ne kartą. 1947 metų spalio pabaigoje nukrito ankstesnis aukščio rekordas – 21 372 m. 1953 metų gruodį nauja mašinos modifikacija X-1A išvystė 2,35 M greitį – beveik 2800 km/h, o po šešių mėnesių pakilo. į 27 430 m aukštį.Tai buvo daugelio naikintuvų, kurie buvo paleistas į serijas, bandymai ir mūsų MiG-15, sugautų ir išgabentų į Ameriką per Korėjos karą, paleidimas. Vėliau Yeager vadovavo įvairiems karinių oro pajėgų bandomiesiems daliniams tiek JAV, tiek Amerikos bazėse Europoje ir Azijoje, dalyvavo karo veiksmuose Vietname, rengė pilotus. Į pensiją išėjo 1975 metų vasarį, turėdamas brigados generolo laipsnį, per savo narsią tarnybą išskraidęs 10 tūkstančių valandų, išbandęs 180 skirtingų viršgarsinių modelių, surinkęs unikalią ordinų ir medalių kolekciją. Devintojo dešimtmečio viduryje buvo nufilmuotas filmas pagal galantiško vaikino, kuris pirmasis pasaulyje įveikė garso barjerą, biografiją, o po to Chuckas Yeageris tapo net ne didvyriu, o nacionaline relikvija. Paskutinį kartą jis sėdėjo F-16 1997 m. spalio 14 d. ir įveikė garso barjerą per penkiasdešimtąsias savo istorinio skrydžio metines. Yeageriui tada buvo 74 metai. Apskritai, kaip sakė poetas, iš šių žmonių būtų prikalti vinys.
Tokių žmonių kitoje vandenyno pusėje yra daug... Sovietų dizaineriai pradėjo bandyti įveikti garso barjerą tuo pačiu metu kaip ir amerikietiški. Tačiau jiems tai buvo ne savitikslis, o gana pragmatiškas veiksmas. Jei X-1 buvo grynai mokslinių tyrimų transporto priemonė, tai mūsų garso barjeras buvo užpultas ant naikintuvų prototipų, kurie turėjo būti išleisti į serijas, kad jais būtų aprūpinti oro pajėgų vienetai.
Keli projektavimo biurai prisijungė prie konkurso – Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau ir Yakovlev Design Bureau – kuriame lygiagrečiai buvo kuriami orlaiviai su sparnais, o tai tuomet buvo revoliucinis dizaino sprendimas. Jie pasiekė viršgarsinį finišą tokia tvarka: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Tačiau ten problema buvo išspręsta gana sudėtingame kontekste: karinė transporto priemonė turėtų pasižymėti ne tik dideliu greičiu, bet ir daugybe kitų savybių – manevringumu, išgyvenamumu, minimaliu pasiruošimo prieš skrydį laiku, galingais ginklais, įspūdinga amunicija ir kt. ir tt Pažymėtina ir tai, kad sovietmečiu valstybinių priėmimo komisijų sprendimui dažnai įtakos turėjo ne tik objektyvūs veiksniai, bet ir subjektyvūs momentai, susiję su plėtotojų politiniais manevrais. Visas šis aplinkybių derinys lėmė tai, kad naikintuvas MiG-15 buvo paleistas į seriją, kuri puikiai pasirodė šeštojo dešimtmečio vietinėse karinių operacijų arenose. Būtent šiuo Korėjoje konfiskuotu automobiliu, kaip minėta aukščiau, Chuckas Yeageris „apvažiavo“.
La-176 buvo naudojamas rekordinis tų laikų sparno šuolis, lygus 45 laipsniais. Turboreaktyvinis variklis VK-1 užtikrino 2700 kg trauką. Ilgis - 10,97 m, sparnų plotis - 8,59 m, sparno plotas 18,26 kv. Kilimo svoris – 4636 kg. Lubos – 15 000 m. Skrydžio nuotolis – 1 000 km. Ginkluotė – viena 37 mm pabūkla ir dvi 23 mm. Transporto priemonė buvo paruošta 1948 metų rudenį, o gruodį jos skrydžio bandymai prasidėjo Kryme kariniame aerodrome netoli Sakio miesto. Tarp bandymus prižiūrėjusiųjų buvo būsimasis akademikas Vladimiras Vasiljevičius Struminskis (1914–1998), eksperimentinio lėktuvo pilotai – kapitonas Olegas Sokolovskis ir pulkininkas Ivanas Fiodorovas, vėliau gavęs Sovietų Sąjungos didvyrio vardą. Sokolovskis per absurdišką avariją mirė ketvirtojo skrydžio metu, pamiršęs uždaryti kabinos stogelį.
Pulkininkas Ivanas Fiodorovas garso barjerą įveikė 1948 m. gruodžio 26 d. Pakilęs į 10 tūkstančių metrų aukštį, jis atitraukė nuo savęs valdymo svirtį ir ėmė spartėti nardydamas. „Iš didelio aukščio pagreitinu savo 176-ąjį“, – prisiminė pilotas. - Pasigirsta varginantis žemas švilpimas. Didėjant greičiui, lėktuvas veržiasi į žemę. Tachimetro skalėje rodyklė keičiasi iš triženklių skaičių į keturių skaitmenų skaičių. Lėktuvas dreba tarsi karščiuojant. Ir staiga – tyla! Garso barjeras paimamas. Vėlesnis oscilogramų dekodavimas parodė, kad skaičius M viršijo vieną. Tai įvyko 7000 metrų aukštyje, kur užfiksuotas 1,02M greitis.
Ateityje pilotuojamų orlaivių greitis nuolat didėjo dėl variklio galios didėjimo, naujų medžiagų naudojimo ir aerodinaminių parametrų optimizavimo. Tačiau šis procesas nėra beribis. Viena vertus, stabdo racionalumo sumetimai, kai atsižvelgiama į degalų sąnaudas, plėtros sąnaudas, skrydžių saugą ir kitus ne tuščius dalykus. Ir net karinėje aviacijoje, kur pinigai ir piloto saugumas nėra tokie svarbūs, „vikliausių“ mašinų greičiai svyruoja nuo 1,5M iki 3M. Labiau lyg ir nereikalingas. (Žmonuojamų erdvėlaivių su reaktyviniais varikliais greičio rekordas priklauso amerikiečių žvalgybiniam lėktuvui SR-71 ir yra 3,2 mln.)
Kita vertus, yra neįveikiama šiluminė barjera: tam tikru greičiu mašinos korpusas įkaista dėl trinties prieš orą taip greitai, kad neįmanoma pašalinti šilumos nuo jo paviršiaus. Skaičiavimai rodo, kad esant normaliam slėgiui tai turėtų įvykti maždaug 10M greičiu.
Nepaisant to, 10M riba vis tiek buvo pasiekta toje pačioje Edwardso bandymų aikštelėje. Tai įvyko 2005 m. Rekordininkas buvo nepilotuojamas raketinis orlaivis Kh-43A, pagamintas pagal 7 metus trukusią ambicingą programą Hiper-X, skirtą sukurti naujo tipo technologiją, skirtą radikaliai pakeisti ateities raketų ir kosmoso technologijų veidą. Jo kaina – 230 milijonų dolerių.Rekordas buvo pasiektas 33 tūkstančių metrų aukštyje. Drone naudojama nauja pagreičio sistema. Pirmiausia parengiama tradicinė kietojo kuro raketa, kurios pagalba X-43A pasiekia 7M greitį, o po to įjungiamas naujo tipo variklis - hipergarsinis ramjet variklis (scramjet arba scrumjet). kurio įprastas atmosferos oras naudojamas kaip oksidatorius, o kuras – dujinis vandenilis (visiškai klasikinė nekontroliuojamo sprogimo schema).
Pagal programą buvo pagaminti trys nepilotuojami modeliai, kurie, įvykdę užduotį, nuskendo vandenyne. Kitas etapas apima pilotuojamų transporto priemonių kūrimą. Juos išbandžius, į gautus rezultatus bus atsižvelgta kuriant įvairiausius „naudingus“ įrenginius. Be NASA reikmėms skirtų orlaivių, bus kuriamos hipergarsinės karinės transporto priemonės – bombonešiai, žvalgybiniai ir transportiniai lėktuvai. „Hiper-X“ programoje dalyvaujanti „Boeing“ planuoja iki 2030–2040 metų sukurti 250 keleivių talpinantį hipergarsinį lėktuvą. Visiškai suprantama, kad nebus langų, kurie tokiu greičiu laužytų aerodinamiką ir neatlaikytų šiluminio šildymo. Vietoj iliuminatorių numatomi ekranai su vaizdo įrašu apie praslenkančius debesis.
Neabejotina, kad toks transportas bus paklausus, nes kuo toliau, tuo brangesnis laikas, kuriame per laiko vienetą telpa vis daugiau emocijų, uždirbtų dolerių ir kitų šiuolaikinio gyvenimo komponentų. Šiuo atžvilgiu neabejotina, kad kada nors žmonės pavirs vienadieniais drugeliais: viena diena bus tokia turtinga, kaip visas dabartinis (greičiau jau vakarykštis) žmogaus gyvenimas. Ir galime manyti, kad kažkas ar kažkas įgyvendina Hiper-X programą žmonijos atžvilgiu.
(kartais ne po vieną, priklausomai nuo kūno formų). Kairėje esančioje nuotraukoje pavaizduotos smūgio bangos, sukurtos modelio fiuzeliažo gale, priekiniuose ir užpakaliniuose sparno kraštuose bei galinėje modelio dalyje.
Smūginės bangos (kartais dar vadinamos smūgine banga), kurios storis yra labai mažas (milimetro dalis), priekyje vyksta beveik staigūs tėkmės savybių pokyčiai – jos greitis kūno atžvilgiu sumažėja ir tampa ikigarsinis, slėgis sraute ir dujų temperatūra staigiai didėja. Dalis srauto kinetinės energijos paverčiama vidine dujų energija. Visi šie pokyčiai yra didesni, tuo didesnis viršgarsinio srauto greitis. Esant hipergarsiniam greičiui (Macho skaičius = 5 ir didesnis), dujų temperatūra siekia kelis tūkstančius kelvinų, o tai sukelia rimtų problemų tokiu greičiu važiuojančioms transporto priemonėms (pavyzdžiui, 2003 m. vasario 1 d. sugriuvo Columbia šaudykla dėl šiluminės apsaugos pažeidimo skrydžio metu).
Smūgio bangos priekis palaipsniui įgauna beveik taisyklingą kūgio formą tolstant nuo aparato, slėgio kritimas joje mažėja didėjant atstumui nuo kūgio viršaus, o smūginė banga virsta garso banga. Kampas tarp ašies ir kūgio generatoriaus α (\ ekrano stilius \ alfa) yra susijęs su Macho skaičiumi ryšiu
sin α = 1 M. (\ displaystyle \ sin \ alfa = (\ frac (1) (M)).)Kai ši banga pasiekia stebėtoją, kuris, pavyzdžiui, yra Žemėje, jis išgirsta stiprų garsą, panašų į sprogimą. Paplitusi klaidinga nuomonė, kad tai yra orlaiviui pasiekusio garso greitį arba „garso barjero pralaužimo“ pasekmė. Tiesą sakant, šiuo metu pro stebėtoją praeina smūginė banga, kuri nuolatos lydi viršgarsiniu greičiu judantį orlaivį. Paprastai iš karto po „pop“ stebėtojas gali išgirsti orlaivio variklių riaumojimą, kuris nėra girdimas, kol nepraeina smūgio banga, nes orlaivis juda greičiau nei skleidžia garsus. Labai panašus stebėjimas vyksta ikigarsinio skrydžio metu – virš stebėtojo dideliame aukštyje (daugiau nei 1 km) skrendantis lėktuvas negirdimas, tiksliau girdime su vėlavimu: kryptis į garso šaltinį nesutampa su kryptį į matomą lėktuvą stebėtojui nuo žemės.
Panašų reiškinį galima pastebėti ir artilerijos apšaudymo metu: stebėtojas už kelių kilometrų prieš ginklą pirmiausia gali pamatyti šūvio blyksnį, po kurio laiko išgirsta skrendančio sviedinio „griaustinį“ (o po kelių sekundžių – triukšmą). tai sukuria).
Bangos krizė
Bangų krizė yra oro srauto aplink orlaivį pobūdžio pasikeitimas, kai skrydžio greitis artėja prie garso greičio, paprastai kartu su pablogėjusiomis transporto priemonės aerodinaminėmis savybėmis - didėja pasipriešinimas, sumažėja oro pasipriešinimas. pakėlimas, vibracijų atsiradimas ir kt.
Jau Antrojo pasaulinio karo metais naikintuvų greitis ėmė artėti prie garso greičio. Tuo pačiu metu pilotai kartais imdavo stebėti nesuprantamus tuo metu ir grėsmingus reiškinius, kurie pasitaiko su jų automobiliais skrendant maksimaliu greičiu. JAV oro pajėgų pilotas pateikė emocingą pranešimą savo vadui generolui Arnoldui:
Pone, mūsų lėktuvai jau labai griežti. Jei atsiras automobilių, kurių greitis dar didesnis, mes negalėsime jų skristi. Praėjusią savaitę nardau savo Mustang ant Me-109. Mano lėktuvas drebėjo kaip pneumatinis kūjis ir nebepaklausė vairo. Aš niekaip negalėjau jo ištraukti iš nardymo. Vos trys šimtai metrų nuo žemės, vos išlyginau automobilį ...
Po karo, kai daugelis orlaivių konstruktorių ir pilotų bandytojų atkakliai bandė pasiekti psichologiškai reikšmingą ribą – garso greitį, šie nesuvokiami reiškiniai tapo norma, o daugelis šių bandymų baigėsi tragiškai. Taip atsirado nestokojanti mistiškumo posakis „garso barjeras“ (pranc. mur du son, vok. Schallmauer – garso siena). Pesimistai tvirtino, kad šios ribos negalima peržengti, nors entuziastai, rizikuodami savo gyvybe, ne kartą bandė tai padaryti. Mokslinių idėjų apie viršgarsinį dujų judėjimą plėtojimas leido ne tik paaiškinti „garso barjero“ prigimtį, bet ir rasti priemonių jai įveikti.
Esant ikigarsiniam srautui aplink orlaivio fiuzeliažą, sparną ir uodegą, išgaubtose jų kontūrų dalyse atsiranda vietinio srauto pagreičio zonos. Lėktuvo skrydžio greičiui artėjant prie garso greičio, vietinis oro greitis srauto pagreičio zonose gali šiek tiek viršyti garso greitį (1a pav.). Perėjus pagreičio zoną, srautas sulėtėja, neišvengiamai susiformuojant smūginei bangai (tai yra viršgarsinių srautų savybė: perėjimas iš viršgarsinio į ikigarsinį greitį visada vyksta nepertraukiamai - susidarius smūginei bangai). Šių smūginių bangų intensyvumas yra mažas – slėgio kritimas jų priekyje yra nedidelis, tačiau jos iš karto kyla daugelyje, skirtinguose transporto priemonės paviršiaus taškuose, ir kartu jos smarkiai pakeičia srauto aplink ją pobūdį. pablogėja jo skrydžio charakteristikos: mažėja sparno pakėlimas, oro vairai ir eleronai praranda savo efektyvumą, aparatas tampa nevaldomas, o visa tai itin nestabili, atsiranda stipri vibracija. Šis reiškinys vadinamas bangų krizė... Kai transporto priemonės greitis tampa viršgarsiniu (> 1), srautas vėl tampa stabilus, nors jo pobūdis pasikeičia iš esmės (1b pav.).
Palyginti storo profilio sparnuose bangų krizės sąlygomis slėgio centras smarkiai pasislenka atgal, dėl to orlaivio nosis tampa „sunki“. Stūmoklinių naikintuvų pilotai su tokiu sparnu, bandę pasiekti maksimalų greitį nardydami iš didelio aukščio maksimalia galia, artėjant prie „garso barjero“, tapo bangų krizės aukomis – patekus į ją buvo neįmanoma. iš nardymo neužgesinęs greičio, o tai savo ruožtu buvo labai sunku padaryti nardant. Garsiausias atvejis, kai Rusijos aviacijos istorijoje buvo įtrauktas į nardymą iš horizontalaus skrydžio, yra Bakhchivandži katastrofa, kai raketa BI-1 buvo išbandyta maksimaliu greičiu. Geriausi II pasaulinio karo naikintuvai su tiesiais sparnais, tokie kaip P-51 Mustang ar Me-109, patyrė didelio aukščio bangų krizę, prasidėjusią 700–750 km/h greičiu. Tuo pačiu metu to paties laikotarpio Messerschmitt reaktyviniai lėktuvai Me.262 ir Me.163 turėjo išpūstą sparną, kurio dėka jie be jokių problemų pasiekė greitį virš 800 km/h. Taip pat reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad orlaivis su tradiciniu oro sraigtu horizontaliuoju skrydžiu negali pasiekti artimo garso greičiui greičio, nes sraigto mentės patenka į bangų krizės zoną ir praranda efektyvumą daug anksčiau nei orlaivis. Viršgarsiniai sraigtai su kardo mentėmis gali išspręsti šią problemą, tačiau šiuo metu tokie sraigtai techniniu požiūriu yra pernelyg sudėtingi ir labai triukšmingi, todėl praktiškai nenaudojami.
Šiuolaikiniai ikigarsiniai orlaiviai, kurių kreiserinis skrydžio greitis yra pakankamai artimas garsiniam (daugiau nei 800 km / h), paprastai atliekami su išlenktais sparnais ir uodega plonais profiliais, o tai leidžia bangų krizės greičiui pereiti prie didesnių verčių. Viršgarsiniai orlaiviai, kurie turi įveikti bangų krizės ruožą įgydami viršgarsinį greitį, turi struktūrinių skirtumų nuo ikigarsinių, siejamų tiek su viršgarsinio oro srauto ypatumais, tiek su būtinybe atlaikyti viršgarsinio skrydžio ir bangų krizės metu kylančias apkrovas. visų pirma - trikampio plano sparnas su rombo formos arba trikampiu profiliu.
Vaizdo autorių teisės SPL
Įspūdingos nuotraukos, kuriose užfiksuoti reaktyviniai naikintuvai tankiame vandens garų kūgiuose, dažnai sakoma, kad tai lėktuvas, laužantis garso barjerą. Bet tai klaida. Stebėtojas kalba apie tikrąją reiškinio priežastį.
Šį įspūdingą reiškinį ne kartą užfiksavo fotografai ir filmuotojai. Karinis reaktyvinis lėktuvas skrieja virš žemės dideliu greičiu, kelių šimtų kilometrų per valandą greičiu.
Kai naikintuvas įsibėgėja, aplink jį pradeda formuotis tankus kondensato kūgis; susidaro įspūdis, kad lėktuvas yra kompaktiško debesies viduje.
Antraštės, kurios persekioja vaizduotę po tokiomis nuotraukomis, dažnai teigia, kad prieš mus yra vaizdinių įrodymų apie garsinį pakilimą, kai orlaivis pasiekia viršgarsinį greitį.
Tiesą sakant, tai netiesa. Stebime vadinamąjį Prandtl-Glauert efektą – fizinį reiškinį, atsirandantį orlaiviui priartėjus prie garso greičio. Tai nesusiję su garso barjero pažeidimu.
- Kiti BBC ateities straipsniai rusų kalba
Tobulėjant orlaivių konstrukcijai, aerodinaminės formos tapo racionalesnės, o orlaivių greitis nuolat augo – orlaiviai su juos supančiu oru ėmė daryti tai, ko nesugebėjo lėtesni ir gremėzdiškesni jų pirmtakai.
Paslaptingos smūginės bangos, susidarančios aplink žemai skraidančius orlaivius, kai jie artėja prie garso greičio, o vėliau pralaužia garso barjerą, rodo, kad oras tokiu greičiu elgiasi labai keistai.
Taigi, kas yra šie paslaptingi kondensato debesys?
Vaizdo autorių teisės Getty Vaizdo antraštė Prandtl-Glauert efektas ryškiausias skrendant šiltoje, drėgnoje atmosferojePasak Rodo Irwino, Karališkosios aeronautikos draugijos aerodinaminės grupės pirmininko, sąlygos, kuriomis susidaro garų kūgis, yra prieš pat orlaiviui pralaužiant garso barjerą. Tačiau šis reiškinys dažniausiai fotografuojamas kiek mažesniu nei garso greitis.
Paviršiniai oro sluoksniai yra tankesni nei atmosfera dideliame aukštyje. Skrendant mažame aukštyje padidėja trintis ir pasipriešinimas.
Beje, pilotams draudžiama kirsti garso barjerą virš žemės. „Į viršgarsinį lainerį galima eiti virš vandenyno, bet ne per kietą paviršių, – aiškina Irwinas. – Beje, ši aplinkybė buvo problema viršgarsiniam keleiviniam laineriui „Concorde“ – draudimas buvo įvestas jį paleidus, o įgula leidžiama išvystyti viršgarsinį greitį tik virš vandens. paviršius“.
Be to, labai sunku vizualiai užregistruoti garso bumą, kai orlaivis patenka į viršgarsinį garsą. Plika akimi to nepamatysi – tik specialios įrangos pagalba.
Modelių, pučiamų viršgarsiniu greičiu vėjo tuneliuose, nuotraukoms dažniausiai naudojami specialūs veidrodžiai, skirti aptikti šviesos atspindžio skirtumą, atsirandantį dėl smūginės bangos susidarymo.
Vaizdo autorių teisės Getty Vaizdo antraštė Sumažėjus oro slėgiui, oro temperatūra mažėja, o jame esanti drėgmė virsta kondensatuFotografijos, gautos taikant vadinamąjį Schlieren metodą (arba Teplerio metodą), yra naudojamos smūgio bangoms (arba, kaip jos dar vadinamos, smūgio bangoms), susidarančioms aplink modelį, vizualizuoti.
Pučiant aplink modelius nesusidaro kondensato kūgiai, nes vėjo tuneliuose naudojamas oras iš anksto išdžiovinamas.
Vandens garų kūgiai yra susiję su smūgio bangomis (o jų yra kelios), kurios susidaro aplink orlaivį jam įgyjant greitį.
Lėktuvo greičiui priartėjus prie garso greičio (apie 1234 km/h jūros lygyje), atsiranda vietinio slėgio ir temperatūros skirtumas aplink jį tekančiame ore.
Dėl to oras praranda gebėjimą išlaikyti drėgmę ir susidaro kondensatas kūgio pavidalu, pvz. šiame vaizdo įraše.
„Matomą garų kūgį sukelia smūginė banga, kuri sukuria slėgio ir temperatūros skirtumą ore aplink lėktuvą“, – sako Irwinas.
Daugelyje sėkmingiausių šio reiškinio nuotraukų užfiksuoti JAV karinio jūrų laivyno lėktuvai, o tai nenuostabu, nes šiltas, drėgnas oras šalia jūros paviršiaus linkęs sustiprinti Prandtl-Glouert efektą.
Tokius triukus dažnai atlieka naikintuvai-bombonešiai F / A-18 Hornet, pagrindinis Amerikos laivyno aviacijos denio orlaivių tipas.
Vaizdo autorių teisės SPL Vaizdo antraštė Plika akimi sunku aptikti sutankinimo šoką, kai orlaivis sklinda viršgarsinis garsasJAV karinio jūrų laivyno „Blue Angels“ akrobatinio skraidymo komandos nariai skraido tomis pačiomis kovinėmis mašinomis, meistriškai atlikdami manevrus, kurių metu aplink orlaivį susidaro kondensato debesis.
Dėl įspūdingo reiškinio pobūdžio jis dažnai naudojamas jūrų aviacijai populiarinti. Pilotai sąmoningai manevruoja virš jūros, kur sąlygos Prandtl-Glauert efektui atsirasti optimaliausios, o šalia budi profesionalūs jūrų fotografai - juk neįmanoma aiškiai nufotografuoti skrendančio reaktyvinio lėktuvo. 960 km/h greitis su paprastu išmaniuoju telefonu.
Kondensacijos debesys įspūdingiausiai atrodo vadinamojo transoninio skrydžio režimu, kai oras iš dalies teka aplink orlaivį viršgarsiniu, o iš dalies ikigarsiniu greičiu.
„Orlaivis nebūtinai skrenda viršgarsiniu greičiu, bet oras aplink jo sparno viršutinį paviršių teka didesniu greičiu nei apatinis, o tai sukelia vietinę smūginę bangą“, – sako Irwinas.
Anot jo, Prandtl-Glauert efektui atsirasti būtinos tam tikros klimato sąlygos (būtent šiltas ir drėgnas oras), su kuriomis vežėjai naikintuvai susiduria dažniau nei kiti orlaiviai.
Tereikia šios paslaugos paprašyti profesionalaus fotografo, ir voila! – Jūsų lėktuvas buvo užfiksuotas apsuptas įspūdingo vandens garų debesies, kurį daugelis iš mūsų klaidingai laiko viršgarsinio signalo ženklu.
- Ją galite perskaityti svetainėje
(kartais ne po vieną, priklausomai nuo kūno formų). Nuotraukoje pavaizduotos smūgio bangos, sukurtos modelio fiuzeliažo gale, priekiniuose ir užpakaliniuose sparno kraštuose bei galinėje modelio dalyje.
Smūgio fronte (kartais dar vadinama smūgine banga), kurio storis labai mažas (mm dalis), kardinalūs tėkmės savybių pokyčiai vyksta beveik staigiai – jo greitis kūno atžvilgiu sumažėja ir tampa ikigarsinis, slėgis srautas ir dujų temperatūra staigiai didėja. Dalis srauto kinetinės energijos paverčiama vidine dujų energija. Visi šie pokyčiai yra didesni, tuo didesnis viršgarsinio srauto greitis. Esant hipergarsiniam greičiui (5 Mach ir daugiau) dujų temperatūra siekia kelis tūkstančius laipsnių, o tai sukelia rimtų problemų tokiu greičiu važiuojančioms transporto priemonėms (pavyzdžiui, 2003 m. vasario 1 d. „Columbia“ šaudyklė sugriuvo dėl apgadinto šiluminio apsauginio apvalkalo, kuris atsirado skrydžio metu).
Smūgio bangos priekis palaipsniui įgauna beveik taisyklingą kūgio formą tolstant nuo aparato, slėgio kritimas joje mažėja didėjant atstumui nuo kūgio viršaus, o smūginė banga virsta garso banga. Kampas tarp ašies ir kūgio generatoriaus yra susietas su Macho skaičiumi santykiu:
Kai ši banga pasiekia stebėtoją, kuris, pavyzdžiui, yra Žemėje, jis išgirsta stiprų garsą, panašų į sprogimą. Paplitusi klaidinga nuomonė, kad tai yra orlaiviui pasiekusio garso greitį arba „garso barjero pralaužimo“ pasekmė. Tiesą sakant, šiuo metu pro stebėtoją praeina smūginė banga, kuri nuolatos lydi viršgarsiniu greičiu judantį orlaivį. Paprastai iš karto po „pop“ stebėtojas gali išgirsti orlaivio variklių riaumojimą, kuris nėra girdimas, kol nepraeina smūgio banga, nes orlaivis juda greičiau nei jo skleidžiami garsai. Labai panašus stebėjimas vyksta ikigarsinio skrydžio metu – virš stebėtojo dideliame aukštyje (daugiau nei 1 km) skrendantis lėktuvas negirdimas, tiksliau girdime su vėlavimu: kryptis į garso šaltinį nesutampa su kryptį į matomą plokštumą stebėtojui nuo žemės.
Bangos krizė
Bangų krizė yra oro srauto aplink orlaivį pobūdžio pasikeitimas, kai skrydžio greitis artėja prie garso greičio, paprastai kartu su pablogėjusiomis transporto priemonės aerodinaminėmis savybėmis - didėja pasipriešinimas, sumažėja oro pasipriešinimas. pakėlimas, vibracijų atsiradimas ir kt.
Jau Antrojo pasaulinio karo metais naikintuvų greitis ėmė artėti prie garso greičio. Tuo pačiu metu pilotai kartais imdavo stebėti nesuprantamus tuo metu ir grėsmingus reiškinius, kurie pasitaiko su jų automobiliais skrendant maksimaliu greičiu. JAV oro pajėgų pilotas pateikė emocingą pranešimą savo vadui generolui Arnoldui:
„Pone, mūsų lėktuvai jau labai griežti. Jei atsiras automobilių, kurių greitis dar didesnis, mes negalėsime jų skristi. Praėjusią savaitę nardau savo Mustang ant Me-109. Mano lėktuvas drebėjo kaip pneumatinis kūjis ir nebepaklausė vairo. Aš niekaip negalėjau jo ištraukti iš nardymo. Vos trys šimtai metrų nuo žemės aš vos išlyginau automobilį ... “.
Po karo, kai daugelis orlaivių konstruktorių ir pilotų bandytojų atkakliai bandė pasiekti psichologiškai reikšmingą ribą – garso greitį, šie nesuvokiami reiškiniai tapo norma, o daugelis šių bandymų baigėsi tragiškai. Dėl to atsirado nestokojanti mistikos posakis „garso barjeras“ (fr. mur du sūnus, tai. Schallmaueris- garso siena). Pesimistai tvirtino, kad šios ribos negalima peržengti, nors entuziastai, rizikuodami savo gyvybe, ne kartą bandė tai padaryti. Mokslinių idėjų apie viršgarsinį dujų judėjimą plėtojimas leido ne tik paaiškinti „garso barjero“ prigimtį, bet ir rasti priemonių jai įveikti.
Esant ikigarsiniam srautui aplink orlaivio fiuzeliažą, sparną ir uodegą, išgaubtose jų kontūrų dalyse atsiranda vietinio srauto pagreičio zonos. Lėktuvo skrydžio greičiui artėjant prie garso greičio, vietinis oro greitis srauto pagreičio zonose gali šiek tiek viršyti garso greitį (1a pav.). Perėjus pagreičio zoną, srautas sulėtėja, neišvengiamai susiformuojant smūginei bangai (tai yra viršgarsinių srautų savybė: perėjimas iš viršgarsinio į ikigarsinį greitį visada vyksta nepertraukiamai - susidarius smūginei bangai). Šių smūginių bangų intensyvumas yra mažas – slėgio kritimas jų priekyje yra nedidelis, tačiau jos iš karto kyla daugelyje, skirtinguose transporto priemonės paviršiaus taškuose, ir kartu jos smarkiai pakeičia srauto aplink ją pobūdį. pablogėja jo skrydžio charakteristikos: mažėja sparno pakėlimas, oro vairai ir eleronai praranda savo efektyvumą, aparatas tampa nevaldomas, o visa tai itin nestabili, atsiranda stipri vibracija. Šis reiškinys vadinamas bangų krizė... Kai transporto priemonės greitis tampa viršgarsiniu (> 1), srautas vėl tampa stabilus, nors jo pobūdis pasikeičia iš esmės (1b pav.).
 |
 |
| Ryžiai. 1a. Aerofilinis sparnas artimas garsui. | Ryžiai. 1b. Aviacinis sparnas viršgarsiniame sraute. |
Palyginti storo profilio sparnams bangų krizės sąlygomis slėgio centras smarkiai pasislenka atgal ir orlaivio nosis „pasunkėja“. Stūmoklinių naikintuvų pilotai su tokiu sparnu, bandę pasiekti maksimalų greitį nardydami iš didelio aukščio maksimalia galia, artėjant prie „garso barjero“, tapo bangų krizės aukomis – patekus į ją buvo neįmanoma. iš nardymo neužgesinęs greičio, o tai savo ruožtu buvo labai sunku padaryti nardant. Garsiausias atvejis, kai Rusijos aviacijos istorijoje buvo įtrauktas į nardymą iš horizontalaus skrydžio, yra Bakhchivandži katastrofa, kai raketa BI-1 buvo išbandyta maksimaliu greičiu. Geriausiems Antrojo pasaulinio karo tiesių sparnų naikintuvams, tokiems kaip P-51 Mustang ar Me-109, didelio aukščio bangų krizė prasidėjo 700–750 km/h greičiu. Tuo pačiu metu to paties laikotarpio Messerschmitt reaktyviniai lėktuvai Me.262 ir Me.163 turėjo išpūstą sparną, kurio dėka jie be jokių problemų pasiekė greitį virš 800 km/h. Taip pat reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad orlaivis su tradiciniu oro sraigtu horizontaliuoju skrydžiu negali pasiekti artimo garso greičiui greičio, nes sraigto mentės patenka į bangų krizės zoną ir praranda efektyvumą daug anksčiau nei orlaivis. Šią problemą gali išspręsti viršgarsiniai sraigtai su kardo mentėmis, tačiau šiuo metu tokie sraigtai yra techniškai per sudėtingi ir labai triukšmingi, todėl praktiškai nenaudojami.
Šiuolaikiniai ikigarsiniai orlaiviai, kurių kreiserinis skrydžio greitis yra pakankamai artimas garsiniam (daugiau nei 800 km / h), paprastai atliekami su išlenktais sparnais ir uodega plonais profiliais, o tai leidžia bangų krizės greičiui pereiti prie didesnių verčių. Viršgarsiniai orlaiviai, kurie turi įveikti bangų krizės ruožą įgydami viršgarsinį greitį, turi struktūrinių skirtumų nuo ikigarsinių, susijusių tiek su viršgarsinio oro srauto ypatumais, tiek su poreikiu atlaikyti viršgarsinio skrydžio sąlygomis kylančias apkrovas ir bangų krizė, visų pirma - trikampio plano, sparnas su rombo formos arba trikampio profiliu.
- esant ikigarsinio skrydžio greičiui, reikėtų vengti greičių, kai prasideda bangų krizė (šie greičiai priklauso nuo orlaivio aerodinaminių savybių ir nuo skrydžio aukščio);
- perėjimas nuo ikigarsinio į viršgarsinį reaktyvinį orlaivį turėtų būti atliktas kuo greičiau, naudojant variklio papildomą degiklį, kad būtų išvengta ilgo skrydžio bangų krizės zonoje.
Terminas bangų krizė taip pat taikoma vandens transporto priemonėms, judančioms greičiu, artimu bangų greičiui vandens paviršiuje. Dėl bangų krizės sunku padidinti greitį. Laivui įveikti bangų krizę reiškia įjungti planavimo režimą (korpuso slydimą vandens paviršiumi).
Istoriniai faktai
- Pirmasis pilotas, valdomu skrydžiu pasiekęs viršgarsinį greitį, buvo amerikiečių pilotas bandytojas Chuckas Yeageris eksperimentiniame lėktuve „Bell X-1“ (su tiesiu sparnu ir XLR-11 raketos varikliu), kuris švelniai nardydamas pasiekė M = 1,06 greitį. . Tai atsitiko 1947 metų spalio 14 dieną.
- SSRS garso barjerą pirmą kartą 1948 m. gruodžio 26 d. įveikė Sokolovskis, o vėliau ir Fiodorovas, skrendant žemyn patyrusiu naikintuvu La-176.
- Pirmasis civilinis lėktuvas, pralaužęs garso barjerą, buvo keleivinis laineris Douglas DC-8. 1961 m. rugpjūčio 21 d. valdomo nardymo metu iš 12496 m aukščio jis pasiekė 1,012 M arba 1262 km/h greitį. Skrydis buvo atliktas siekiant surinkti duomenis naujų sparno priekinių kraštų projektavimui.
- 1997 m. spalio 15 d., praėjus 50 metų po to, kai įlaužė garso barjerą lėktuve, anglas Andy Greenas įveikė garso barjerą Thrust SSC.
- 2012 m. spalio 14 d. Feliksas Baumgartneris tapo pirmuoju žmogumi, kuris laisvo kritimo metu be jokios motorinės transporto priemonės įveikė garso barjerą, šokdamas iš 39 kilometrų aukščio. Laisvo kritimo metu jis pasiekė 1342,8 kilometrų per valandą greitį.
taip pat žr
- Šiluminis barjeras (higarsinio orlaivio kūrimo problemos)
Pastabos (redaguoti)
Nuorodos
- Aviacijos ir kosmoso technologijų teoriniai ir inžineriniai pagrindai.
Wikimedia fondas. 2010 m.
Pažiūrėkite, kas yra „Garso barjeras“ kituose žodynuose:
Barjeras - visos darbo nuolaidos Barjeras kategorijoje Namas ir kotedžas
GARSO KLIŪTA, aviacijos sunkumų priežastis, kai skrydžio greitis padidėja virš garso greičio (viršgarsinis greitis). Artėjant garso greičiui, orlaivis netikėtai padidina pasipriešinimą ir praranda aerodinaminį Kėlimą ... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas
Reiškinys, atsirandantis lėktuvui ar raketai skrendant atmosferoje pereinant iš ikigarsinio į viršgarsinį skrydžio greitį. Kai orlaivio greitis artėja prie garso greičio (1200 km / h) ore, priešais jį atsiranda plona sritis, kurioje ... ... Technologijų enciklopedija
garso barjeras- garso barjero statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. garso barjeras; garso barjeras vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. garso barjeras, m pranc. barrière sonique, f; frontière sonique, f; mur de son, m ... Fizikos terminų žodynas
garso barjeras- garso barjero statusas T sritis Energetika apibrėžtis Staigus aerodinaminio pasipriešinimo padidėjimas, kai orlaivio greitis tampa garso greitis (viršijama kritinė Macho skaičiaus vertė). Aiškinamas bangų krize dėl staigao ... ... Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
