Acasă Grădina de bucătărie pe pervaz Depășirea barierei supersonice cu avionul. Renașterea sunetului supersonic. Când avioanele civile sparg din nou bariera sunetului. Cea mai neobișnuită rupere a barierei de sunet

Grădina de bucătărie pe pervaz

Depășirea barierei supersonice cu avionul. Renașterea sunetului supersonic. Când avioanele civile sparg din nou bariera sunetului. Cea mai neobișnuită rupere a barierei de sunet

O barieră acustică este un fenomen care are loc în timpul zborului unui avion sau al unei rachete în momentul trecerii de la viteza de zbor subsonică la cea supersonică în atmosferă. Când viteza aeronavei se apropie de viteza sunetului (1200 km/h) în aer, în fața ei apare o zonă subțire, în care are loc o creștere bruscă a presiunii și a densității mediului aerian. Această compactare a aerului din fața unui avion în zbor se numește undă de șoc. Pe sol, trecerea unei unde de șoc este percepută ca un pop, asemănător cu sunetul unei împușcături. După ce a depășit viteza sunetului, avionul trece prin această zonă de densitate crescută a aerului, ca și cum ar fi străpuns-o - depășește bariera fonică. Multă vreme, depășirea barierei sunetului părea a fi o problemă serioasă în dezvoltarea aviației. Pentru a o rezolva, a fost necesar să se schimbe profilul și forma aripii aeronavei (a devenit mai subțire și măturată), pentru a face partea din față a fuzelajului mai ascuțită și pentru a alimenta aeronava cu motoare cu reacție. Pentru prima dată, viteza sunetului a fost depășită în 1947 de C. Yeager pe un motor de rachetă cu propulsie lichidă Bell X-1 (SUA) lansat dintr-o aeronavă Boeing B-29. În Rusia, primul care a depășit bariera sunetului în 1948 a fost pilotul O. V. Sokolovsky pe o aeronavă experimentală La-176 cu motor turboreactor.

Video.

Viteza sunetului.

Viteza de propagare (față de mediu) a micilor perturbații de presiune. Într-un gaz perfect (de exemplu, în aer la temperaturi și presiuni moderate) C. h. nu depinde de natura perturbației mici care se propagă și este aceeași atât pentru oscilațiile monocromatice de diferite frecvențe (), cât și pentru undele de șoc slabe. Într-un gaz perfect în punctul din spațiu considerat, C. z. dar depinde numai de compoziția gazului și de temperatura lui absolută T:
a = (dp / d (()) 1/2 = ((() p / (()) 1/2 = ((() RT / (()) 1/2,
unde dp / d (() este derivata presiunii în raport cu densitatea pentru procesul izoentropic, (-) este exponentul adiabatic, R este constanta universală a gazului, (-) este greutatea moleculară (în aer a 20,1T1 / 2 m/s. la 0 (°) C a = 332 m/s).
Într-un gaz cu transformări fizico-chimice, de exemplu, într-un gaz de disociere, C. z. va depinde de modul în care – în echilibru sau în dezechilibru – se desfășoară aceste procese în valul de perturbare. La echilibrul termodinamic S. z. depinde doar de compoziția gazului, de temperatura și presiunea acestuia. Cu un curs neechilibrat al proceselor fizice și chimice are loc dispersia sunetului, adică S. z. depinde nu numai de starea mediului, ci și de frecvența vibrațiilor (). Oscilațiile de înaltă frecvență ((mt), ()) - timp de relaxare) se propagă din S. z înghețat. aj, joasă frecvență ((,) 0) - cu echilibru S. z. ae, iar aj> ae. Diferența dintre aj și ai este de obicei mică (în aer la T = 6000 (°) C și p = 105 Pa, este de aproximativ 15%). În lichidele lui S. z. mult mai mare decât în gaz (în apă la 1500 m/s)

Pe 14 octombrie 1947, umanitatea a trecut următorul piatră de hotar. Limita este destul de obiectivă, exprimată într-o anumită mărime fizică - viteza sunetului în aer, care în condițiile atmosferei pământului depinde de temperatura și presiunea sa în intervalul 1100-1200 km / h. Pilotul american Charles Elwood „Chuck” Yeager, un tânăr veteran al celui de-al Doilea Război Mondial cu un curaj extraordinar și o fotogenitate excelentă, a cucerit viteza supersonică, datorită căreia a devenit imediat popular în țara natală, la fel cum a fost Yuri Gagarin 14 ani mai târziu.

Iar curajul de a trece bariera sunetului era cu adevărat necesar. Pilotul sovietic Ivan Fedorov, care a repetat realizarea lui Yeager un an mai târziu, în 1948, și-a amintit sentimentele sale de atunci: „Înainte de zborul pentru a depăși bariera sunetului, a devenit evident că nu exista nicio garanție de a supraviețui după aceasta. Nimeni nu știa în practică ce este și dacă structura aeronavei va rezista presiunii elementelor. Dar au încercat să nu se gândească la asta.”

Într-adevăr, nu a existat o claritate completă cu privire la modul în care mașina se va comporta la viteză supersonică. Proiectanții de aeronave mai aveau amintiri proaspete despre nenorocirea bruscă a anilor 30, când, odată cu creșterea vitezei aeronavei, au fost nevoiți să rezolve urgent problema flutterului - autooscilații care apar atât în structurile rigide ale aeronavei, cât și în pielea, sfâșiind aeronava în câteva minute. Procesul s-a dezvoltat ca o avalanșă, rapid, piloții nu au avut timp să schimbe modul de zbor, iar mașinile s-au prăbușit în aer. Pentru o lungă perioadă de timp, matematicienii și designerii din diferite țări s-au străduit să rezolve această problemă. În cele din urmă, teoria fenomenului a fost creată de tânărul matematician rus de atunci Mstislav Vsevolodovich Keldysh (1911–1978), mai târziu președintele Academiei de Științe a URSS. Cu ajutorul acestei teorii, a fost posibil să găsim o modalitate de a scăpa pentru totdeauna de fenomenul neplăcut.

Este destul de de înțeles că de la bariera sonoră se așteptau surprize la fel de neplăcute. Rezolvarea numerică a ecuațiilor diferențiale complexe ale aerodinamicii în absența computerelor puternice a fost imposibilă și a trebuit să se bazeze pe „suflare” modelelor în tunelurile de vânt. Dar din considerente calitative, a fost clar că atunci când viteza sunetului este atinsă, în apropierea aeronavei apare o undă de șoc. Momentul cel mai crucial este depășirea barierei sunetului, când viteza aeronavei este comparată cu viteza sunetului. În acest moment, diferența de presiune pe părțile opuse ale frontului de undă crește rapid, iar dacă momentul durează mai mult de o clipă, avionul se poate prăbuși mai rău decât dintr-o fluturare. Uneori, la depășirea barierei de sunet cu o accelerație insuficientă, unda de șoc creată de aeronavă chiar doboară geamul de la ferestrele caselor aflate sub ea.

Raportul dintre viteza unei aeronave și viteza sunetului se numește numărul Mach (după faimosul mecanic și filozof german Ernst Mach). La trecerea barierei sunetului, pilotului i se pare că numărul M sare peste unitate într-un salt: Chuck Yeager a văzut cum a sărit acul mahometrului de la 0,98 la 1,02, după care s-a lăsat o liniște „divină” în cockpit - de fapt , se părea: doar la un nivel presiunea sonoră în cockpit scade de câteva ori. Acest moment de „curățare de sunet” este foarte insidios, a costat viața multor testeri. Dar pericolul de a se prăbuși pentru avionul său X-1 nu era mare.

X-1, fabricat de Bell Aircraft în ianuarie 1946, a fost un avion de cercetare pur conceput pentru a sparge bariera sunetului și nimic altceva. În ciuda faptului că mașina a fost comandată de Ministerul Apărării, în loc de arme, a fost umplută cu echipamente științifice care monitorizează modurile de funcționare ale unităților, instrumentelor și mecanismelor. X-1 era ca o rachetă de croazieră modernă. Avea un motor rachetă Reaction Motors cu o forță de 2722 kg. Greutatea maximă la decolare este de 6078 kg. Lungime - 9,45 m, înălțime - 3,3 m, anvergura aripilor - 8,53 m. Viteza maximă - 2736 km/h la o altitudine de 18290 m. Vehiculul a fost lansat dintr-un bombardier strategic B-29 și a aterizat pe „schiuri” de oțel pe un lac sărat uscat.

Nu mai puțin impresionanți sunt „parametrii tactici și tehnici” ai pilotului său. Chuck Yeager s-a născut pe 13 februarie 1923. După școală a mers la o școală de zbor, iar după absolvire a plecat să lupte în Europa. A doborât un Messerschmitt-109. El însuși a fost doborât pe cerul Franței, dar a fost salvat de partizani. De parcă nimic nu s-ar fi întâmplat, s-a întors la baza din Anglia. Cu toate acestea, serviciul de contrainformații vigilent, necrezând eliberarea miraculoasă din captivitate, l-a scos pe pilot din zboruri și l-a trimis în spate. Ambițiosul Yeager a primit o primire de la comandantul șef al forțelor aliate din Europa, generalul Eisenhower, care l-a crezut pe Yeager. Și nu s-a înșelat - în cele șase luni rămase până la sfârșitul războiului, tânărul pilot a făcut 64 de ieșiri, a doborât 13 avioane inamice, 4 într-o singură luptă. Și s-a întors în patria sa cu gradul de căpitan cu un dosar excelent, care a indicat că posedă o intuiție de zbor fenomenală, un calm incredibil și o rezistență uimitoare în orice situație critică. Datorită acestei caracteristici, a fost inclus în echipa de testatori supersonici, care au fost selectați și antrenați la fel de atent ca astronauții mai târziu.

Redenumind X-1 Glamorous Glennis după soția sa, Yeager a stabilit recorduri cu el de mai multe ori. La sfârșitul lunii octombrie 1947, recordul de altitudine anterior a scăzut - 21.372 m. În decembrie 1953, o nouă modificare a mașinii - X-1A a dezvoltat o viteză de 2,35 M - aproape 2800 km / h, iar șase luni mai târziu a crescut la o altitudine de 27.430 m. Acestea au fost testele unui număr de luptători care au fost lansate într-o serie și rodajul MiG-15-ului nostru, capturat și transportat în America în timpul războiului din Coreea. Ulterior, Yeager a comandat diferite unități de testare ale Forțelor Aeriene atât în Statele Unite, cât și la bazele americane din Europa și Asia, a luat parte la ostilitățile din Vietnam și a antrenat piloți. S-a retras în februarie 1975 cu gradul de general de brigadă, după ce a zburat 10 mii de ore în timpul serviciului său curajos, a testat 180 de modele supersonice diferite și a adunat o colecție unică de ordine și medalii. La mijlocul anilor 80, a fost filmat un film bazat pe biografia tipului galant care a fost primul din lume care a cucerit bariera sunetului, iar după aceea Chuck Yeager nu a devenit nici măcar un erou, ci o relicvă națională. Ultima dată a stat la cârma unui F-16 pe 14 octombrie 1997 și a spart bariera sunetului la cea de-a cincizecea aniversare a zborului său istoric. Yeager avea atunci 74 de ani. În general, după cum spunea poetul, din acești oameni se vor face cuie.

Sunt mulți astfel de oameni de cealaltă parte a oceanului... Designerii sovietici au început să încerce să cucerească bariera sunetului în același timp cu cei americani. Dar pentru ei nu a fost un scop în sine, ci un act destul de pragmatic. Dacă X-1 era un vehicul pur de cercetare, atunci bariera noastră a sunetului a fost asaltată asupra prototipurilor de luptă, care trebuia să fie puse în serie pentru a echipa unitățile Forțelor Aeriene cu ele.

Mai multe birouri de proiectare s-au alăturat competiției - Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau și Yakovlev Design Bureau - în care au fost dezvoltate în paralel avioane cu aripi înclinate, ceea ce a fost atunci o decizie de proiectare revoluționară. Au ajuns la finisajul supersonic în această ordine: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Totuși, acolo problema a fost rezolvată într-un context destul de complex: un vehicul militar ar trebui să aibă nu numai viteză mare, ci și multe alte calități - manevrabilitate, supraviețuire, timp minim de pregătire înainte de zbor, arme puternice, muniție impresionantă etc. etc. De remarcat, de asemenea, că în epoca sovietică, decizia comisiilor de acceptare a statului era adesea influențată nu doar de factori obiectivi, ci și de momente subiective asociate manevrelor politice ale dezvoltatorilor. Toată această combinație de circumstanțe a dus la faptul că avionul de luptă MiG-15 a fost lansat în serie, care s-a arătat perfect pe arenele locale ale operațiunilor militare din anii '50. Tocmai această mașină, confiscată în Coreea, așa cum s-a menționat mai sus, Chuck Yeager a „condus”.

În La-176, a fost folosită o măturare record a aripii pentru acele vremuri, egală cu 45 de grade. Motorul turboreactor VK-1 a furnizat o tracțiune de 2700 kg. Lungime - 10,97 m, anvergură - 8,59 m, suprafața aripii 18,26 mp. Greutate la decolare - 4636 kg. Tavanul este de 15.000 m. Raza de zbor este de 1.000 km. Armament - un tun de 37 mm și două de 23 mm. Vehiculul a fost gata în toamna anului 1948; în decembrie, testele sale de zbor au început în Crimeea pe un aerodrom militar din apropierea orașului Saki. Printre cei care au condus testele s-a numărat viitorul academician Vladimir Vasilievici Struminski (1914–1998), piloții aeronavei experimentale au fost căpitanul Oleg Sokolovsky și colonelul Ivan Fedorov, care a primit ulterior titlul de Erou al Uniunii Sovietice. Sokolovsky, printr-un accident absurd, a murit în timpul celui de-al patrulea zbor, uitând să închidă copertina cabinei.

Colonelul Ivan Fedorov a spart bariera sunetului pe 26 decembrie 1948. După ce s-a ridicat la o înălțime de 10 mii de metri, a deviat stick-ul de control de la el și a început să accelereze într-o scufundare. „Îmi accelerez 176-a de la o înălțime mare”, și-a amintit pilotul. - Se aude un fluier obositor, scăzut. Creșterea vitezei, avionul se repezi la sol. Pe scara tahimetrului, săgeata trece de la numere de trei cifre la numere de patru cifre. Avionul tremură ca de febră. Și deodată - tăcere! Bariera sonoră este luată. Decodificarea ulterioară a oscilogramelor a arătat că numărul M a depășit unul.” S-a întâmplat la o altitudine de 7.000 de metri, unde s-a înregistrat o viteză de 1,02M.

În viitor, viteza aeronavelor cu pilot a continuat să crească constant datorită creșterii puterii motorului, utilizării de noi materiale și optimizării parametrilor aerodinamici. Cu toate acestea, acest proces nu este nelimitat. Pe de o parte, este îngreunată de considerente de raționalitate, atunci când sunt luate în considerare consumul de combustibil, costurile de dezvoltare, siguranța zborului și alte considerații care nu sunt inactiv. Și chiar și în aviația militară, unde banii și siguranța pilotului nu sunt atât de importante, vitezele celor mai „agile” mașini sunt în intervalul de la 1,5M la 3M. Mai mult ca și cum nu este necesar. (Recordul de viteză pentru navele spațiale cu pilot cu motoare cu reacție aparține aeronavei americane de recunoaștere SR-71 și este de 3,2 milioane.)

Pe de altă parte, există o barieră termică de netrecut: la o anumită viteză, încălzirea corpului mașinii prin frecare cu aerul are loc atât de repede încât este imposibil să se elimine căldura de pe suprafața sa. Calculele arată că la presiune normală acest lucru ar trebui să apară la o viteză de ordinul a 10M.

Cu toate acestea, limita de 10M a fost încă atinsă la același loc de testare Edwards. S-a întâmplat în 2005. Deținătorul recordului a fost aeronava-rachetă fără pilot Kh-43A, fabricată ca parte a programului ambițios de 7 ani Hiper-X pentru a dezvolta un nou tip de tehnologie menită să schimbe radical fața rachetelor și a tehnologiei spațiale a viitorului. Costul său este de 230 de milioane de dolari, recordul a fost stabilit la o altitudine de 33 de mii de metri. Drona folosește un nou sistem de accelerare. În primul rând, se elaborează o rachetă tradițională cu propulsie solidă, cu ajutorul căreia Kh-43A atinge o viteză de 7M, apoi este pornit un nou tip de motor - un motor hipersonic ramjet (scramjet sau scrumjet), în care aerul atmosferic obișnuit este folosit ca oxidant, iar combustibilul este hidrogen gazos (schema de-a dreptul clasică a unei explozii necontrolate).

În conformitate cu programul, au fost fabricate trei modele fără pilot, care, după finalizarea sarcinii, au fost înecate în ocean. Următoarea etapă implică crearea de vehicule cu echipaj. După testarea acestora, rezultatele obținute vor fi luate în considerare atunci când se creează o mare varietate de dispozitive „utile”. Pe lângă avioanele pentru nevoile NASA, vor fi create vehicule militare hipersonice - bombardiere, avioane de recunoaștere și avioane de transport. Boeing, care participă la programul Hiper-X, intenționează să construiască un avion hipersonic de 250 de pasageri până în 2030-2040. Este destul de de înțeles că nu vor exista ferestre care să spargă aerodinamica la astfel de viteze și să nu reziste la încălzirea termică. În loc de hublouri, se presupune că sunt ecrane cu înregistrare video a norilor care trec.

Nu există nicio îndoială că acest tip de transport va fi la cerere, deoarece cu cât mai departe, cu atât timpul este mai scump, conținând din ce în ce mai multe emoții, dolari câștigați și alte componente ale vieții moderne pe unitatea de timp. În acest sens, nu există nicio îndoială că într-o zi oamenii se vor transforma în fluturi de o zi: o zi va fi la fel de bogată ca întreaga viață umană actuală (mai degrabă, de ieri). Și putem presupune că cineva sau ceva implementează programul Hiper-X în relație cu umanitatea.

(uneori nu unul, în funcție de forma corpului). Fotografia din stânga arată undele de șoc generate la vârful fuselajului modelului, la marginile de față și de jos ale aripii și la capătul din spate al modelului.

În partea frontală a undei de șoc (uneori numită și undă de șoc), care are o grosime foarte mică (fracții de milimetru), modificările cardinale ale proprietăților curgerii apar aproape brusc - viteza acesteia în raport cu corpul scade și devine subsonică, presiunea în flux și temperatura gazului cresc brusc. O parte din energia cinetică a fluxului este convertită în energia internă a gazului. Toate aceste modificări sunt cu atât mai mari, cu atât viteza fluxului supersonic este mai mare. La viteze hipersonice (numărul Mach = 5 și mai mare), temperatura gazului atinge câteva mii de Kelvin, ceea ce creează probleme serioase vehiculelor care se deplasează la astfel de viteze (de exemplu, naveta Columbia s-a prăbușit la 1 februarie 2003 din cauza deteriorării în timpul zbor).

Partea frontală a undei de șoc capătă treptat o formă conică aproape obișnuită pe măsură ce se îndepărtează de aparat, căderea de presiune pe ea scade odată cu creșterea distanței de la vârful conului, iar unda de șoc se transformă într-o undă sonoră. Unghiul dintre axa și generatria conului α (\ stil de afișare \ alfa) este legată de numărul Mach prin relație

sin ⁡ α = 1 M. (\ displaystyle \ sin \ alpha = (\ frac (1) (M)).)

Când acest val ajunge la un observator care se află, de exemplu, pe Pământ, el aude un sunet puternic, asemănător unei explozii. O concepție greșită comună este că aceasta este o consecință a aeronavei care atinge viteza sunetului sau „ruperea barierei sunetului”. De fapt, în acest moment, pe lângă observator trece o undă de șoc, care însoțește constant o aeronavă care se deplasează cu viteză supersonică. De obicei, imediat după „pop”, observatorul poate auzi vuietul motoarelor aeronavei, care nu este audibil până la trecerea undei de șoc, deoarece aeronava se mișcă mai repede decât sunetele emise de ea. O observație foarte similară are loc în timpul zborului subsonic - un avion care zboară deasupra observatorului la o altitudine mare (mai mult de 1 km) nu se aude, sau mai degrabă îl auzim cu întârziere: direcția către sursa de sunet nu coincide cu direcția către avionul vizibil pentru observator de la sol.

Un fenomen similar poate fi observat în timpul focului de artilerie: un observator aflat la câțiva kilometri în fața pistolului poate vedea mai întâi fulgerul unei împușcături, după un timp aude „tunetul” unui proiectil care zboară (și după câteva secunde - zgomotul creeaza).

Criza valurilor

Criza valurilor este o schimbare a naturii fluxului de aer în jurul unei aeronave atunci când viteza de zbor se apropie de viteza sunetului, însoțită, de regulă, de o deteriorare a caracteristicilor aerodinamice ale aeronavei - o creștere a rezistenței, o scădere a lift, apariția vibrațiilor etc.

Deja în timpul celui de-al doilea război mondial, viteza luptătorilor a început să se apropie de viteza sunetului. În același timp, piloții au început uneori să observe fenomene de neînțeles și amenințătoare care apar cu mașinile lor atunci când zboară la viteze maxime. Există un raport emoționant de la un pilot al forțelor aeriene americane către comandantul său, generalul Arnold:

Domnule, avioanele noastre sunt deja foarte stricte. Dacă apar mașini cu viteze și mai mari, nu le vom putea zbura. Săptămâna trecută m-am scufundat în Mustang-ul meu pe un Me-109. Avionul meu s-a cutremurat ca un ciocan pneumatic și nu a mai ascultat cârmele. Nu aveam cum să-l scot din scufundare. La doar trei sute de metri de sol, abia am nivelat mașina...

După război, când mulți designeri de avioane și piloți de testare au făcut încercări persistente de a atinge marca semnificativă din punct de vedere psihologic - viteza sunetului, aceste fenomene de neînțeles au devenit norma și multe dintre aceste încercări s-au încheiat tragic. Acest lucru a dat naștere la expresia nu lipsită de misticism „barieră sunetului” (franceză mur du son, germană Schallmauer - zidul sunetului). Pesimiștii au susținut că această limită nu poate fi depășită, deși pasionații, riscându-și viața, au încercat în mod repetat să facă acest lucru. Dezvoltarea ideilor științifice despre mișcarea supersonică a gazului a făcut posibilă nu numai explicarea naturii „barierei sunetului”, ci și găsirea mijloacelor de depășire a acesteia.

În timpul fluxului subsonic în jurul fuselajului, aripii și cozii aeronavei, pe secțiunile convexe ale contururilor lor apar zone de accelerare locală a fluxului. Când viteza de zbor a aeronavei se apropie de viteza sunetului, viteza locală a aerului în zonele de accelerare a fluxului poate depăși ușor viteza sunetului (Fig. 1a). După ce a depășit zona de accelerație, curgerea încetinește, cu formarea inevitabilă a unei unde de șoc (aceasta este proprietatea fluxurilor supersonice: trecerea de la viteza supersonică la cea subsonică are loc întotdeauna discontinuu - cu formarea unei unde de șoc). Intensitatea acestor unde de șoc este mică - scăderea presiunii în fața lor este mică, dar ele apar imediat în multe, în diferite puncte de pe suprafața vehiculului și, în ansamblu, schimbă dramatic natura curgerii acestuia, cu o deteriorarea caracteristicilor sale de zbor: portanța aripii scade, cârmele de aer și eleroanele își pierd eficacitatea, aparatul devine incontrolabil, iar toate acestea sunt extrem de instabile, există o vibrație puternică. Acest fenomen se numește criza valului... Când viteza vehiculului devine supersonică (> 1), fluxul devine din nou stabil, deși caracterul său se schimbă fundamental (Fig. 1b).

În aripile cu profil relativ gros, în condițiile unei crize de val, centrul presiunii se deplasează brusc înapoi, în urma căruia botul aeronavei devine „greu”. Piloții de luptători cu piston cu o astfel de aripă, care au încercat să atingă viteza maximă într-o scufundare de la o înălțime mare la putere maximă, atunci când se apropie de „bariera sunetului” au devenit victime ale crizei valurilor - odată ajunse în ea, a fost imposibil să ajungă. ieșiți din scufundare fără a stinge viteza, ceea ce, la rândul său, era foarte greu de făcut într-o scufundare. Cel mai faimos caz în care a fost atras într-o scufundare dintr-un zbor orizontal din istoria aviației ruse este catastrofa Bakhchivandzhi, când racheta BI-1 a fost testată la viteză maximă. Cei mai buni luptători cu aripi drepte ai celui de-al Doilea Război Mondial, precum P-51 Mustang sau Me-109, au avut o criză a valurilor de mare altitudine începând cu viteze de 700-750 km/h. În același timp, avioanele Messerschmitt Me.262 și Me.163 din aceeași perioadă aveau o aripă înclinată, datorită căreia au atins viteze de peste 800 km/h fără probleme. De asemenea, trebuie menționat că un avion cu o elice tradițională în zbor orizontal nu poate atinge o viteză apropiată de viteza sunetului, deoarece palele elicei cad în zona de criză a valurilor și își pierd eficiența mult mai devreme decât avionul. Elicele supersonice cu lame de sabie sunt capabile să rezolve această problemă, dar în momentul de față astfel de elice sunt prea complicate din punct de vedere tehnic și foarte zgomotoase, deci nu sunt folosite în practică.

Aeronavele subsonice moderne cu o viteză de zbor de croazieră suficient de apropiată de sonică (peste 800 km/h) se execută de obicei cu aripa și coada înclinate cu profile subțiri, ceea ce permite ca viteza cu care criza valurilor începe să fie deplasată spre valori mai mari. Avioanele supersonice, care trebuie să treacă de secțiunea de criză a valurilor atunci când câștigă viteză supersonică, au diferențe structurale față de cele subsonice, asociate atât cu particularitățile fluxului de aer supersonic, cât și cu nevoia de a rezista la sarcinile apărute în condițiile zborului supersonic și criza valurilor, în special - aripă triunghiulară în plan cu un profil în formă de romb sau triunghiular.

Drepturi de autor pentru imagine SPL

Fotografiile impresionante ale avioanelor de luptă într-un con dens de vapori de apă se spune adesea că sunt un avion care sparge bariera sunetului. Dar aceasta este o greșeală. Observatorul vorbește despre adevăratul motiv al fenomenului.

Acest fenomen spectaculos a fost surprins în mod repetat de fotografi și videografi. Un avion militar cu reacție călătorește deasupra solului cu viteză mare, câteva sute de kilometri pe oră.

Pe măsură ce luptătorul accelerează, în jurul lui începe să se formeze un con dens de condensare; impresia este că avionul se află în interiorul unui nor compact.

Legendele care bântuie imaginația sub astfel de fotografii susțin adesea că avem în fața noastră - dovezi vizuale ale unui boom sonic atunci când o aeronavă atinge viteza supersonică.

De fapt, acest lucru nu este adevărat. Observăm așa-numitul efect Prandtl-Glauert - un fenomen fizic care apare atunci când o aeronavă se apropie de viteza sunetului. Nu este asociat cu spargerea barierei sunetului.

Alte articole BBC Future în rusă

Odată cu dezvoltarea construcției aeronavelor, formele aerodinamice au devenit mai raționalizate, iar viteza aeronavelor a crescut constant - aeronavele au început să facă lucruri cu aerul din jurul lor de care predecesorii lor mai lenți și greoi nu erau capabili.

Undele de șoc misterioase care se formează în jurul aeronavelor care zboară joase pe măsură ce se apropie de viteza sunetului și apoi sparg bariera sonoră, indică faptul că aerul la astfel de viteze se comportă într-un mod foarte ciudat.

Deci, ce sunt acești nori misterioși de condensare?

Drepturi de autor pentru imagine Getty Legendă imagine Efectul Prandtl-Glauert este cel mai pronunțat atunci când zbori într-o atmosferă caldă și umedă

Potrivit lui Rod Irwin, președintele grupului aerodinamic al Societății Regale de Aeronautică, condițiile în care apare un con de abur preced imediat ca aeronava să spargă bariera sunetului. Cu toate acestea, acest fenomen este de obicei fotografiat la viteze puțin mai mici decât viteza sunetului.

Straturile de suprafață de aer sunt mai dense decât atmosfera la altitudini mari. Când zboară la altitudini joase, există frecare și rezistență crescută.

Apropo, piloților le este interzis să treacă bariera sonoră pe uscat. "Puteți merge la supersonic peste ocean, dar nu pe o suprafață solidă", explică Irwin. "Apropo, această circumstanță a fost o problemă pentru linia supersonică de pasageri Concorde - interdicția a fost introdusă după punerea în funcțiune, iar echipajul a fost permis să dezvolte viteză supersonică numai peste apă.suprafaţă”.

Mai mult, este extrem de dificil să înregistrezi vizual un boom sonic atunci când o aeronavă intră în sunet supersonic. Nu îl puteți vedea cu ochiul liber - doar cu ajutorul unui echipament special.

Pentru fotografiile modelelor suflate la viteze supersonice în tunelurile de vânt, oglinzile speciale sunt de obicei folosite pentru a detecta diferența de reflexie a luminii cauzată de formarea unei unde de șoc.

Drepturi de autor pentru imagine Getty Legendă imagine Odată cu scăderea presiunii aerului, temperatura aerului scade și umiditatea conținută în acesta se transformă în condens

Fotografiile obținute prin așa-numita metodă schlieren (sau metoda lui Tepler) sunt folosite pentru a vizualiza undele de șoc (sau, așa cum sunt numite și undele de șoc) generate în jurul modelului.

Conurile de condensare nu sunt create în jurul modelelor în timpul suflarii, deoarece aerul folosit în tunelurile de vânt este pre-uscat.

Conurile de vapori de apă sunt asociate cu unde de șoc (și există mai multe dintre ele) care se formează în jurul aeronavei pe măsură ce câștigă viteză.

Când viteza aeronavei se apropie de viteza sunetului (aproximativ 1234 km/h la nivelul mării), există o diferență de presiune locală și temperatură în aerul care curge în jurul acesteia.

Ca urmare, aerul își pierde capacitatea de a reține umiditatea și se formează condens sub formă de con, cum ar fi pe acest videoclip.

„Conul vizibil de vapori este cauzat de o undă de șoc, care creează o presiune și o temperatură diferențială în aerul din jurul avionului”, spune Irwin.

Multe dintre cele mai de succes fotografii ale acestui fenomen au surprins avioane marinei americane - nu este surprinzător, având în vedere că aerul cald și umed de lângă suprafața mării tinde să contribuie la un efect Prandtl-Glauert mai pronunțat.

Astfel de trucuri sunt adesea executate de vânătoare-bombardiere F / A-18 Hornet - principalul tip de aeronave pe punte ale aviației navale americane.

Drepturi de autor pentru imagine SPL Legendă imagine Socul de compactare atunci când o aeronavă iese în sunet supersonic este greu de detectat cu ochiul liber

Membrii echipei de acrobații acrobaticii US Navy Blue Angels zboară în aceleași vehicule de luptă, executând cu pricepere manevre în care se formează un nor de condens în jurul aeronavei.

Datorită naturii spectaculoase a fenomenului, este adesea folosit pentru a populariza aviația navală. Piloții manevrează în mod deliberat peste mare, unde condițiile pentru apariția efectului Prandtl-Glauert sunt cele mai optime, iar în apropiere sunt de serviciu fotografi profesioniști navali - la urma urmei, este imposibil să faci o fotografie clară a unui avion cu reacție care zboară la o viteză de 960 km/h cu un smartphone obișnuit.

Norii de condensare arată cel mai impresionant în așa-numitul mod de zbor transonic, când aerul curge parțial în jurul aeronavei cu viteză supersonică și parțial cu viteză subsonică.

„Aeronava nu zboară neapărat cu viteză supersonică, dar aerul curge în jurul suprafeței superioare a aripii sale cu o viteză mai mare decât cea de jos, ceea ce duce la o undă de șoc locală”, spune Irwin.

Potrivit acestuia, pentru ca efectul Prandtl-Glauert să se producă, sunt necesare anumite condiții climatice (și anume, aer cald și umed), pe care luptătorii care se bazează pe portavion le întâlnesc mai des decât alte avioane.

Tot ce trebuie să faci este să ceri un fotograf profesionist pentru serviciu și voila! - Avionul tău a fost capturat înconjurat de un nor spectaculos de vapori de apă, pe care mulți dintre noi îl confundăm cu un semn de trecere la supersonic.

Îl puteți citi pe site

(uneori nu unul, în funcție de forma corpului). Fotografia prezintă unde de șoc generate la vârful fuselajului modelului, la marginile de față și de fugă ale aripii și la capătul din spate al modelului.

La frontul de șoc (uneori numit și undă de șoc), care are o grosime foarte mică (fracții de mm), modificările cardinale ale proprietăților fluxului apar aproape brusc - viteza sa în raport cu corp scade și devine subsonică, presiunea în flux și temperatura gazului cresc brusc. O parte din energia cinetică a fluxului este convertită în energia internă a gazului. Toate aceste modificări sunt cu atât mai mari, cu atât viteza fluxului supersonic este mai mare. La viteze hipersonice (Mach 5 și mai sus), temperatura gazului atinge câteva mii de grade, ceea ce creează probleme serioase vehiculelor care se deplasează la astfel de viteze (de exemplu, naveta Columbia s-a prăbușit la 1 februarie 2003 din cauza deteriorării carcasei de protecție termică care a apărut în timpul zborului).

Când acest val ajunge la un observator care se află, de exemplu, pe Pământ, el aude un sunet puternic, asemănător unei explozii. O concepție greșită comună este că aceasta este o consecință a aeronavei care atinge viteza sunetului sau „ruperea barierei sunetului”. De fapt, în acest moment, pe lângă observator trece o undă de șoc, care însoțește constant o aeronavă care se deplasează cu viteză supersonică. De obicei, imediat după „pop”, observatorul poate auzi vuietul motoarelor aeronavei, care nu este audibil până la trecerea undei de șoc, deoarece aeronava se mișcă mai repede decât sunetele emise de ea. O observație foarte asemănătoare are loc în timpul zborului subsonic - avionul care zboară deasupra observatorului la o altitudine mare (mai mult de 1 km) nu este audibil, sau mai degrabă îl auzim cu întârziere: direcția către sursa de sunet nu coincide cu direcția către planul vizibil pentru observator de la sol.

Criza valurilor

„Domnule, avioanele noastre sunt deja foarte stricte. Dacă apar mașini cu viteze și mai mari, nu le vom putea zbura. Săptămâna trecută m-am scufundat în Mustang-ul meu pe un Me-109. Avionul meu s-a cutremurat ca un ciocan pneumatic și nu a mai ascultat cârmele. Nu aveam cum să-l scot din scufundare. La doar trei sute de metri de sol, abia am nivelat mașina...”.

După război, când mulți designeri de avioane și piloți de testare au făcut încercări persistente de a atinge marca semnificativă din punct de vedere psihologic - viteza sunetului, aceste fenomene de neînțeles au devenit norma și multe dintre aceste încercări s-au încheiat tragic. Acest lucru a dat naștere la expresia nu lipsită de misticism „barieră a sunetului” (fr. mur du son, aceasta. Schallmauer- perete de sunet). Pesimiștii au susținut că această limită nu poate fi depășită, deși pasionații, riscându-și viața, au încercat în mod repetat să facă acest lucru. Dezvoltarea ideilor științifice despre mișcarea supersonică a gazului a făcut posibilă nu numai explicarea naturii „barierei sunetului”, ci și găsirea mijloacelor de depășire a acesteia.


Orez. 1a. Profil aerodinamic în flux aproape de sunet.	Orez. 1b. Profil aerodinamic în flux supersonic.

Pentru aripile cu un profil relativ gros, în condițiile unei crize de val, centrul de presiune se deplasează brusc înapoi, iar nasul aeronavei „devine mai greu”. Piloții de luptători cu piston cu o astfel de aripă, care au încercat să atingă viteza maximă într-o scufundare de la o înălțime mare la putere maximă, atunci când se apropie de „bariera sunetului” au devenit victime ale crizei valurilor - odată ajunse în ea, a fost imposibil să ajungă. ieșiți din scufundare fără a stinge viteza, ceea ce, la rândul său, era foarte greu de făcut într-o scufundare. Cel mai faimos caz în care a fost atras într-o scufundare dintr-un zbor orizontal din istoria aviației ruse este catastrofa Bakhchivandzhi, când racheta BI-1 a fost testată la viteză maximă. Pentru cei mai buni luptători cu aripi drepte din al Doilea Război Mondial, precum P-51 Mustang sau Me-109, criza valurilor de mare altitudine a început la viteze de 700-750 km/h. În același timp, avioanele Messerschmitt Me.262 și Me.163 din aceeași perioadă aveau o aripă înclinată, datorită căreia au atins viteze de peste 800 km/h fără probleme. De asemenea, trebuie menționat că o aeronavă cu o elice tradițională în zbor orizontal nu poate atinge o viteză apropiată de viteza sunetului, deoarece palele elicei cad în zona de criză a valurilor și își pierd eficiența mult mai devreme decât aeronava. Elicele supersonice cu palete de sabie sunt capabile să rezolve această problemă, dar în acest moment astfel de elice sunt prea complicate din punct de vedere tehnic și foarte zgomotoase, motiv pentru care nu sunt folosite în practică.

Aeronavele subsonice moderne cu o viteză de zbor de croazieră suficient de apropiată de sonică (peste 800 km/h) sunt de obicei executate cu aripile și coada înclinate cu profile subțiri, ceea ce permite ca viteza cu care criza valurilor începe să fie deplasată spre valori mai mari. Avioanele supersonice, care trebuie să treacă de secțiunea de criză a valurilor atunci când câștigă viteză supersonică, au diferențe structurale față de cele subsonice, asociate atât cu particularitățile fluxului de aer supersonic, cât și cu nevoia de a rezista la sarcinile apărute în condițiile zborului supersonic și criza valurilor, în special - în plan triunghiular, o aripă cu un profil în formă de romb sau triunghiular.

la viteze de zbor subsonice, trebuie evitate vitezele la care începe o criză a valurilor (aceste viteze depind de caracteristicile aerodinamice ale aeronavei și de altitudinea de zbor);
trecerea de la viteza subsonică la cea supersonică a aeronavelor cu reacție trebuie efectuată cât mai rapid posibil, folosind postcombustionarea motorului, pentru a evita un zbor lung în zona de criză a valurilor.

Termen criza valului se aplică și ambarcațiunilor care se deplasează cu viteze apropiate de viteza valurilor de la suprafața apei. Dezvoltarea unei crize a valurilor face dificilă creșterea vitezei. Depășirea crizei valurilor de către navă înseamnă intrarea în modul de planare (alunecarea carenei de-a lungul suprafeței apei).

Fapte istorice

Primul pilot care a atins viteza supersonică în zbor controlat a fost pilotul de testare american Chuck Yeager pe aeronava experimentală Bell X-1 (cu aripă dreaptă și motor rachetă XLR-11), care a atins o viteză de M = 1,06 într-o scufundare blândă. . Acest lucru s-a întâmplat pe 14 octombrie 1947.
În URSS, bariera sunetului a fost depășită pentru prima dată pe 26 decembrie 1948 de către Sokolovsky, iar apoi de către Fedorov, în zboruri coborâte pe un avion de luptă La-176 experimentat.
Prima aeronavă civilă care a spart bariera sunetului a fost linia de pasageri Douglas DC-8. La 21 august 1961, a atins o viteză de 1.012 M sau 1262 km/h în timpul unei scufundări controlate de la o altitudine de 12496 m. Zborul a fost întreprins cu scopul de a colecta date pentru proiectarea noilor margini de atac ale aripii.
Pe 15 octombrie 1997, la 50 de ani după ce a spart bariera sunetului într-un avion, englezul Andy Green a spart bariera sunetului într-un Thrust SSC.
Pe 14 octombrie 2012, Felix Baumgartner a devenit prima persoană care a spart bariera sonoră fără ajutorul vreunui vehicul motorizat în cădere liberă în timp ce sări de la o înălțime de 39 de kilometri. În cădere liberă, a atins o viteză de 1342,8 kilometri pe oră.

Vezi si

Bariera termică (Probleme ale dezvoltării aeronavelor hipersonice)

Note (editare)

Legături

Fundamentele teoretice și de inginerie ale ingineriei aerospațiale.

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „Sound Barrier” în alte dicționare:

Bariera - toate reducerile de lucru Bariera din categoria Casa si cabana

BARIERĂ SUNETĂR, cauza dificultăților în aviație cu creșterea vitezei de zbor peste viteza sunetului (VITEZA SUPERSONICĂ). Apropiindu-se de viteza sunetului, aeronava se confruntă cu o creștere neașteptată a rezistenței și pierderea RIDICAȚII aerodinamice ... ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

Un fenomen care are loc în zborul unui avion sau al unei rachete în momentul trecerii de la viteza de zbor subsonică la supersonică în atmosferă. Când viteza aeronavei se apropie de viteza sunetului (1200 km/h) în aer, în fața ei apare o regiune subțire, în care ... ... Enciclopedia tehnologiei

bariera de sunet- garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. bariera sonică; bariera sunetului vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. bariera sunetului, m pranc. barrière sonique, f; frontieră sonică, f; mur de son, m ... Fizikos terminų žodynas

bariera de sunet- 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 și branduolinės technikos terminų žodynas