A trecut bariera de sunet:-)...
Înainte de a începe conversații pe această temă, să aducem o oarecare claritate întrebării cu privire la acuratețea conceptelor (ceea ce îmi place mie :-)). Acum există doi termeni folosiți pe scară largă: bariera de sunetși barieră supersonică ... Sună asemănător, dar nu la fel. Cu toate acestea, nu are sens să crești o rigoare deosebită: de fapt, sunt una și aceeași. Definiția barierei sunetului este folosită cel mai adesea de către persoanele care sunt mai informate și mai apropiate de aviație. Și a doua definiție este de obicei tuturor celorlalți.
Cred că din punct de vedere al fizicii (și al limbii ruse :-)) este mai corect să spunem bariera sunetului. Iată o logică simplă. La urma urmei, există conceptul de viteză a sunetului, dar, strict vorbind, nu există un concept fix al vitezei supersonice. Alergând puțin înaintea mea, voi spune că, atunci când o aeronavă zboară în supersonic, a depășit deja această barieră, iar când o depășește (depășește), atunci depășește o anumită valoare a vitezei de prag egală cu viteza sunetului (și nu supersonică).
Ceva de genul:-). Mai mult, primul concept este folosit mult mai rar decât al doilea. Se pare că acest lucru se datorează faptului că cuvântul supersonic sună mai exotic și mai atractiv. Și într-un zbor supersonic, exoticul este cu siguranță prezent și, în mod natural, atrage mulți. Cu toate acestea, nu toți oamenii care apreciază cuvintele „ barieră supersonică„Ei chiar înțeleg ce este. Nu o dată m-am convins de asta uitându-mă pe forumuri, citind articole, chiar uitându-mă la televizor.
Această întrebare este de fapt destul de complicată din punct de vedere al fizicii. Dar noi, desigur, nu vom urca în dificultate. Să încercăm, ca de obicei, să clarificăm situația folosind principiul „explicarea aerodinamicii pe degete” :-).
Așadar, la barieră (sunet :-))!... Un avion în zbor, acționând asupra unui astfel de avion mediu elastic ca și aerul, devine o sursă puternică de unde sonore. Cred că toată lumea știe ce sunt undele sonore din aer :-).
Unde sonore (diapază).
Aceasta este o alternanță de zone de compresie și rarefacție, care se propagă în laturi diferite de la sursa de sunet. Aproximativ ca niște cercuri pe apă, care sunt și ele doar valuri (dar nu sunt sonore :-)). Aceste zone, care acționează asupra timpanului urechii, ne permit să auzim toate sunetele acestei lumi, de la șoaptele umane până la vuietul motoarelor cu reacție.
Un exemplu de unde sonore.
Punctele de propagare a undelor sonore pot fi diferite părți ale aeronavei. De exemplu, un motor (sunetul său este cunoscut de oricine :-)), sau părți ale corpului (de exemplu, nasul), care, comprimând aerul în fața lor atunci când se mișcă, creează un anumit tip de valuri de presiune (compresie) alergând înainte.
Toate aceste unde sonore se propagă în aer cu viteza sunetului deja cunoscută nouă. Adică, dacă avionul este subsonic și chiar zboară cu viteză mică, atunci par să fugă de el. Drept urmare, atunci când o astfel de aeronavă se apropie, mai întâi îi auzim sunetul, apoi zboară de la sine.
Voi face totuși o rezervare că acest lucru este adevărat dacă avionul nu zboară foarte sus. La urma urmei, viteza sunetului nu este viteza luminii :-). Amploarea sa nu este atât de mare, iar undele sonore au nevoie de timp pentru a ajunge la ascultător. Prin urmare, ordinea în care sunetul apare pentru ascultător și avion, dacă zboară la o altitudine mare, se poate schimba.
Și din moment ce sunetul nu este atât de rapid, atunci cu o creștere viteza proprie avionul începe să ajungă din urmă cu undele emise de acesta. Adică, dacă ar fi staționar, atunci undele ar diverge de la el în formă cercuri concentrice ca cercuri pe apă dintr-o piatră aruncată. Și întrucât avionul se mișcă, în sectorul acestor cercuri corespunzător direcției de zbor, limitele undelor (fronturile lor) încep să se apropie.
Mișcarea subsonică a corpului.
În consecință, decalajul dintre aeronavă (nasul său) și partea din față a primului val (capul) (adică aceasta este zona în care există o decelerare treptată, într-o anumită măsură). flux care se apropie la întâlnirea cu nasul aeronavei (aripa, unitatea de coadă) și, ca urmare, creșterea presiunii și a temperaturii) începe să scadă și cu cât viteza de zbor este mai mare.
Vine un moment în care acest decalaj practic dispare (sau devine minim), transformându-se într-un tip special de zonă, care se numește unda de soc... Acest lucru se întâmplă atunci când viteza de zbor atinge viteza sunetului, adică avionul se mișcă cu aceeași viteză cu undele emise de acesta. În acest caz, numărul Mach este egal cu unu (M = 1).
Mișcarea sonoră a corpului (M = 1).
Soc de compactare, este o zonă foarte îngustă a mediului (aproximativ 10 -4 mm), la trecere prin care nu mai există o modificare treptată, ci o schimbare bruscă (abruptă) a parametrilor acestui mediu - viteza, presiunea, temperatura, densitatea... În cazul nostru, viteza scade, presiunea, temperatura și densitatea cresc. De aici și numele - undă de șoc.
Într-un mod oarecum simplificat, aș spune și eu despre toate acestea. Este imposibil să decelerati brusc fluxul supersonic, dar trebuie să o facă, pentru că nu mai există posibilitatea decelerării treptate la viteza fluxului chiar în fața nasului aeronavei, ca la viteze subsonice moderate. Se cam dă peste secțiunea subsonică din fața nasului aeronavei (sau a vârfului aripii) și se mototolește într-un salt îngust, transferându-i marea energie de mișcare pe care o posedă.
Apropo, se poate spune, și invers, că avionul își transferă o parte din energia la formarea undelor de șoc pentru a încetini fluxul supersonic.
Mișcarea supersonică a corpului.
Există un alt nume pentru unda de șoc. Deplasându-se cu avionul în spațiu, este în esență un front schimbare drastică parametrii de mediu de mai sus (adică fluxul de aer). Și aceasta este esența undei de șoc.
Soc de compactareși o undă de șoc, în general, sunt definiții egale, dar în aerodinamică prima este mai folosită.
Unda de soc (sau unda de soc) poate fi practic perpendiculara pe directia de zbor, caz in care iau in spatiu aproximativ forma de cerc si se numesc linii drepte. Acest lucru se întâmplă de obicei în moduri apropiate de M = 1.
Moduri de mișcare a corpului. ! - subsonic, 2 - M = 1, supersonic, 4 - undă de șoc (undă de șoc).
La numerele M> 1, acestea sunt deja situate la un unghi față de direcția de zbor. Adică avionul își depășește deja propriul sunet. În acest caz, ele se numesc oblice și în spațiu iau forma unui con, care, apropo, se numește conul Mach, după numele unui om de știință care a studiat fluxurile supersonice (a menționat-o într-una dintre ele).
Con Mach.
Forma acestui con (așa-numita „armonie”) depinde doar de numărul M și este legată de acesta prin raportul: M = 1 / sin α, unde α este unghiul dintre axa conului și generatria acestuia. . Iar suprafața conică atinge fronturile tuturor undelor sonore, a căror sursă era aeronava și pe care le-a „depășit”, atingând viteza supersonică.
in afara de asta unde de soc poate, de asemenea atașat, când se învecinează cu suprafața unui corp care se mișcă cu viteză supersonică, sau când s-au îndepărtat, dacă nu sunt în contact cu corpul.
Tipuri de unde de șoc în flux supersonic în jurul corpurilor de diferite forme.
De obicei, salturile devin atașate dacă fluxul supersonic curge în jurul oricăror suprafețe ascuțite. Pentru un avion, de exemplu, acesta poate fi un nas ascuțit, LDPE sau o margine ascuțită a prizei de aer. În același timp, ei spun „saritul stă”, de exemplu, pe nas.
Un salt în retragere poate apărea atunci când curge în jurul suprafețelor rotunjite, de exemplu, marginea frontală rotunjită a unei aripi groase.
Diverse ansambluri de caroserie aeronave creează în zbor un sistem destul de complex de unde de șoc. Cu toate acestea, cele mai intense dintre ele sunt două. Un cap pe arc și al doilea pe coadă pe elementele cozii. La o oarecare distanță de aeronavă, salturile intermediare fie îl prind pe cel de cap și se contopesc cu acesta, fie săriturile de coadă îi depășesc.
Seal sari pe un model de avion în timpul suflarii într-un tunel de vânt (M = 2).
Ca urmare, rămân două sărituri, care, în general, sunt percepute de observatorul terestru ca una din cauza dimensiunii reduse a aeronavei în comparație cu altitudinea de zbor și, în consecință, a intervalului de timp mic dintre ele.
Intensitate (cu alte cuvinte energie) unda de soc(unda de șoc) depinde de diverși parametri (viteza de mișcare a aeronavei, caracteristicile sale de proiectare, condițiile de mediu etc.) și este determinată de căderea de presiune din partea frontală a acesteia.
Pe măsură ce distanța de la vârful conului Mach, adică de la aeronavă, ca sursă de perturbări, unda de șoc slăbește, se transformă treptat într-o undă sonoră obișnuită și, în cele din urmă, dispare cu totul.
Și pe ce grad de intensitate va avea unda de soc(sau unda de soc) care ajunge la sol depinde de efectul pe care il poate produce acolo. Nu este un secret pentru nimeni că cunoscutul „Concorde” a zburat supersonic doar peste Atlantic, iar avioanele supersonice militare merg la supersonic la altitudini mari sau în zonele în care nu există. aşezări(pe macar se pare ca ar trebui sa o faca :-)).
Aceste restricții sunt foarte justificate. Pentru mine, de exemplu, însăși definiția unei unde de șoc este asociată cu o explozie. Și lucrurile pe care le poate face o undă de șoc suficient de intensă ar putea să corespundă cu aceasta. Cel puțin sticla de la ferestre poate ieși ușor. Există suficiente dovezi în acest sens (mai ales în istoria aviației sovietice, când era destul de numeroasă și zborurile erau intense). Dar poți face lucruri mai rele. Trebuie doar să zbori mai jos :-)...
Cu toate acestea, în cea mai mare parte, ceea ce rămâne din undele de șoc când ajung la sol nu mai este periculos. Doar un observator din exterior la sol poate auzi un sunet similar cu un accident sau o explozie. Cu acest fapt este asociată o concepție greșită comună și destul de persistentă.
Oamenii care nu sunt prea sofisticați în știința aviației, auzind un astfel de sunet, spun că a fost avionul care a depășit bariera de sunet (barieră supersonică). De fapt, acesta nu este cazul. Această afirmație nu are nimic de-a face cu realitatea din cel puțin două motive.
Unda de soc (unda de soc).
În primul rând, dacă o persoană de pe pământ aude un zgomot răsunător sus pe cer, atunci asta înseamnă doar (repet :-)) că a ajuns la urechi. front de șoc(sau unda de soc) dintr-un avion care zboară undeva. Acest avion zboară deja cu viteză supersonică și nu doar a trecut la ea.
Și dacă aceeași persoană ar putea fi brusc cu câțiva kilometri în fața avionului, atunci ar auzi din nou același sunet din același avion, pentru că ar fi fost lovit de aceeași undă de șoc care se mișcă împreună cu avionul.
Se mișcă cu viteză supersonică și, prin urmare, se apropie în tăcere. Și după ce a avut efectul nu întotdeauna plăcut asupra timpanelor (bine, când doar pe ele :-)) și continuă în siguranță, zumzetul motoarelor de lucru devine audibil.
Un model de zbor aproximativ al unei aeronave cu sensuri diferite numărul M de pe exemplul avionului de vânătoare Saab 35 „Draken”. Limba, din păcate, este germana, dar schema este în general clară.
Mai mult decât atât, trecerea la supersonic în sine nu este însoțită de niciun „bum”, pop-uri, explozii, etc. Pe o aeronavă supersonică modernă, pilotul învață cel mai adesea despre o astfel de tranziție numai din citirile instrumentelor. În acest caz, însă, are loc un anumit proces, dar acesta este supus anumite reguli pilotarea este practic invizibilă pentru el.
Dar asta nu este tot :-). Voi spune mai multe. doar sub forma unui obstacol tangibil, greu, greu de trecut de care se sprijină avionul și care trebuie „străpuns” (am auzit astfel de judecăți :-)) nu există.
Strict vorbind, nu există nicio barieră. Cândva, în zorii dezvoltării vitezei mari în aviație, acest concept a fost format mai degrabă ca persuasiunea psihologică despre dificultatea de a trece la viteza supersonică și de a zbura cu ea. Au existat chiar și afirmații că acest lucru era în general imposibil, mai ales că condițiile preliminare pentru astfel de credințe și afirmații erau destul de specifice.
Cu toate acestea, primul lucru mai întâi...
În aerodinamică, există un alt termen care descrie destul de precis procesul de interacțiune cu un flux de aer al unui corp care se mișcă în acest flux și se străduiește să treacă la supersonic. aceasta criza valului... El este cel care face unele dintre lucrurile rele care sunt asociate în mod tradițional cu conceptul bariera de sunet.
Deci ceva despre criza :-). Orice aeronavă constă din părți, fluxul de aer în jurul cărora în zbor poate să nu fie același. Luați, de exemplu, o aripă, sau mai degrabă un clasic obișnuit profil subsonic.
Din bazele cunoștințelor despre modul în care se formează forța de ridicare, știm bine că debitul în stratul adiacent al suprafeței curbe superioare a profilului este diferit. Acolo unde profilul este mai convex, acesta este mai mare decât debitul total, apoi, când profilul este aplatizat, acesta scade.
Când o aripă se mișcă într-un flux la viteze apropiate de viteza sunetului, poate veni un moment în care, într-o astfel de regiune convexă, de exemplu, viteza stratului de aer, care este deja mai mare decât viteza totală a fluxului. , devine sonic și chiar supersonic.
Undă de șoc locală care apare pe transonic în timpul unei crize de val.
Mai departe de-a lungul profilului, această viteză scade și la un moment dat devine din nou subsonică. Dar, așa cum am spus mai sus, un flux supersonic nu poate încetini rapid, prin urmare, apariția unda de soc.
Asemenea salturi apar pe site-uri diferite suprafețe raționalizate și inițial sunt destul de slabe, dar numărul lor poate fi mare și, odată cu creșterea vitezei totale a curgerii, zonele supersonice cresc, salturile „devin mai puternice” și se deplasează la marginea de fugă a profilului aerodinamic. Mai târziu, apar aceleași unde de șoc suprafata de jos profil.
Flux supersonic complet în jurul profilului aripii.
Cu ce sunt pline toate astea? Și iată ce. Primul Este semnificativ creșterea rezistenței aerodinamiceîn gama de viteze transonice (aproximativ M = 1, mai mult sau mai puțin). Această rezistență crește datorită crestere dramatica una dintre componentele sale - rezistența la val... Cel de care nu am luat-o în calcul anterior atunci când ne gândim la zborurile la viteze subsonice.
Pentru formarea a numeroase unde de șoc (sau unde de șoc) în timpul decelerarii unui flux supersonic, așa cum am spus mai sus, energia este cheltuită și este preluată din energia cinetică a mișcării aeronavei. Adică, avionul este pur și simplu încetinit (și foarte vizibil!). Asta e rezistența la val.
Mai mult, datorită decelerarii bruște a fluxului în ele, undele de șoc contribuie la separarea stratului limită după sine și la transformarea lui din laminar în turbulent. Acest lucru crește și mai mult rezistența aerodinamică.
Umflarea profilului la diferite numere M. Salturi de compactare, zone supersonice locale, zone turbulente.
Al doilea... Datorită apariției zonelor supersonice locale pe profilul aripii și deplasarea lor ulterioară către secțiunea de coadă cu o creștere a vitezei de curgere și, prin urmare, o schimbare a modelului de distribuție a presiunii pe profilul aerodinamic, punctul de aplicare a forțelor aerodinamice ( centrul de presiune) se deplasează, de asemenea, către marginea de fugă. Rezultatul este moment de scufundare față de centrul de masă al aeronavei, determinând-o să-și coboare nasul.
În ce se revarsă totul... Din cauza mai degrabă crestere rapida rezistența aerodinamică a aeronavei necesită un material tangibil rezerva de putere a motorului pentru a depăși zona de transă și a intra, ca să spunem așa, într-un adevărat supersonic.
O creștere bruscă a rezistenței aerodinamice pe transonic (criză a valurilor) datorită creșterii rezistenței valurilor. Сd este coeficientul de rezistență.
Mai departe. Datorită apariției momentului de scufundare, există dificultăți în controlul pasului. În plus, din cauza dezordinei și neuniformității proceselor asociate cu apariția zonelor supersonice locale cu unde de șoc, de asemenea greu de gestionat... De exemplu, pe rolă, datorită proceselor diferite în planul stâng și drept.
Plus apariția vibrațiilor, adesea destul de puternice din cauza turbulențelor locale.
În general, un set complet de plăceri care poartă numele criza valului... Dar, e adevărat, toate au loc (aveau, specific :-)) când se folosesc avioane subsonice tipice (cu profil gros de aripă dreaptă) pentru a atinge viteze supersonice.
Inițial, când încă nu existau suficiente cunoștințe și procesele de atingere a supersonicului nu au fost studiate cuprinzător, chiar acest set a fost considerat aproape fatal de nedepășit și a primit numele bariera de sunet(sau barieră supersonică, dacă doriți să:-)).
Când s-a încercat să depășească viteza sunetului la aeronavele convenționale cu piston, au existat multe cazuri tragice. Vibrațiile puternice au dus uneori la daune structurale. Aeronava nu avea suficientă putere pentru accelerația necesară. În zborul la nivel, a fost imposibil din cauza unui efect de aceeași natură ca criza valului.
Prin urmare, o scufundare a fost folosită pentru overclocking. Dar poate fi foarte bine fatal. Momentul de scufundare care a apărut în timpul crizei valurilor a făcut ca vârful să se prelungească și uneori nu a existat nicio ieșire din el. Într-adevăr, pentru a restabili controlul și a elimina criza valurilor, a fost necesară stingerea vitezei. Dar a face acest lucru într-o scufundare este extrem de dificil (dacă nu imposibil).
Trag într-o scufundare din zbor orizontal considerat unul dintre principalele motive ale dezastrului din URSS la 27 mai 1943 al faimosului luptător experimental BI-1 cu un lichid motor rachetă... Au fost efectuate teste pe viteza maxima zbor, iar conform estimărilor designerilor, viteza atinsă a fost mai mare de 800 km/h. Apoi a fost o întârziere în vârf, din care avionul nu a plecat.
Luptător experimental BI-1.
In zilele de azi criza valului deja bine înțeles și depășitor bariera de sunet(dacă este necesar :-)) nu este dificil. Pe avioanele care sunt proiectate să zboare la viteze suficient de mari, anumite soluții de proiectare și restricții sunt aplicate pentru a facilita operarea zborului acestora.
După cum știți, o criză de val începe atunci când numerele M sunt aproape de unitate. Prin urmare, aproape toate navele subsonice cu reacție (pasager, în special) au un zbor restricție asupra numărului de M... De obicei este în regiunea 0,8-0,9M. Pilotul este instruit să monitorizeze acest lucru. În plus, pe multe aeronave, când se atinge nivelul limită, după care viteza de zbor trebuie redusă.
Aproape toate aeronavele care zboară la viteze de cel puțin 800 km/h și peste au aripă măturată(cel putin de-a lungul marginii de conducere :-)). Vă permite să amânați începutul ofensivei. criza valului la viteze corespunzătoare lui M = 0,85-0,95.
Aripă măturată. Acțiunea principală.
Motivul acestui efect poate fi explicat destul de simplu. Pe o aripă dreaptă, fluxul de aer la o viteză V circulă aproape în unghi drept, iar pe o aripă înclinată (unghiul de baleiaj χ) la un anumit unghi de alunecare β. Viteza V poate fi relație vectorială se descompun în două fluxuri: Vτ și Vn.
Fluxul Vτ nu afectează distribuția presiunii pe aripă, dar face fluxul Vn, care determină proprietățile lagărului aripii. Și este, evident, mai puțin în ceea ce privește valoarea debitului total V. Prin urmare, pe aripa măturată, declanșarea unei crize de val și creștere rezistența la val apare vizibil mai târziu decât pe o aripă dreaptă la aceeași viteză a curgerii de intrare.
Luptător experimental E-2A (predecesorul MiG-21). Aripă înclinată tipică.
Una dintre modificările aripii măturate a fost o aripă cu profil supercritic(l-a menționat). De asemenea, vă permite să mutați începutul crizei valurilor la viteze mari, în plus, vă permite să creșteți eficiența, ceea ce este important pentru navele de pasageri.
SuperJet 100. Aripă înclinată supercritică.
Dacă avionul este destinat să plece bariera de sunet(trecând și criza valului de asemenea :-)) și zborul supersonic, atunci de obicei diferă întotdeauna în anumite caracteristici de proiectare... În special, de obicei are profil subțire de aripă și coadă cu margini ascuțite(inclusiv diamant sau triunghiular) și o anumită formă de aripă în plan (de exemplu, triunghiulară sau trapezoidală cu o scădere etc.).
Supersonic MIG-21. Emisarul E-2A. Aripă tipică, în plan triunghiular.
MIG-25. Un exemplu de avion tipic proiectat pentru zbor supersonic. Profile subțiri ale aripilor și ale cozii, margini ascuțite. Aripă trapezoidală. profil
Trecerea notoriului bariera de sunet, adică trecerea la viteza supersonică se realizează astfel de aeronave postcombustie motor datorită creșterii rezistenței aerodinamice și, bineînțeles, pentru a trece rapid zona criza valului... Și chiar momentul acestei tranziții nu este resimțit de cele mai multe ori în niciun fel (repet :-)) nici de către pilot (el poate avea o scădere a nivelului presiunii sonore în cabina de pilotaj), nici de un observator din exterior, dacă, desigur, putea observa asta :-).
Cu toate acestea, aici merită menționat încă o iluzie asociată cu observatorii din afară. Cu siguranță mulți au văzut astfel de fotografii, legendele sub care spun că acesta este momentul depășirii avionului bariera de sunet, ca să spunem așa, vizual.
Efectul Prandtl-Gloert. Nu este asociat cu trecerea barierei sunetului.
La început, știm deja că nu există o barieră a sunetului ca atare, iar chiar trecerea la supersonic nu este însoțită de nimic atât de extraordinar (inclusiv un pop sau o explozie).
În al doilea rând... Ceea ce am văzut în fotografie este așa-zisul Efectul Prandtl-Glauert... Am scris deja despre asta. Nu are nicio legătură cu trecerea la supersonic. Doar la viteze mari (subsonic, apropo :-)) avionul, mișcând o anumită masă de aer în fața lui, creează niște zona de rarefiere... Imediat după zbor, această zonă începe să se umple cu aer dintr-un spațiu din apropiere cu natural o creștere a volumului și o scădere bruscă a temperaturii.
Dacă umiditatea aerului este suficientă și temperatura scade sub punctul de rouă al aerului ambiant, atunci condensarea umezelii de la vaporii de apă sub formă de ceață, pe care o vedem. De îndată ce condițiile sunt readuse la condițiile inițiale, această ceață dispare imediat. Tot acest proces este destul de de scurtă durată.
Acest proces la viteze transonice mari poate fi facilitat de local unde de soc Eu, uneori, ajutând să modelez ceva ca un con blând în jurul avionului.
Vitezele mari favorizează acest fenomen, totuși, dacă umiditatea aerului este suficientă, atunci poate (și are) să apară la viteze destul de mici. De exemplu, peste suprafața corpurilor de apă. Majoritatea, apropo, fotografii frumoase de aceasta natura au fost realizate dintr-un portavion, adica intr-un aer destul de umed.
Și așa se dovedește. Fotografiile, desigur, sunt misto, spectacolul este spectaculos :-), dar nu este deloc cum se numește cel mai des. nu are nimic de-a face cu asta (și barieră supersonică de asemenea:-)). Și asta e bine, cred, altfel observatorii care fac astfel de fotografii și videoclipuri s-ar putea să nu fie fericiți. Unda de soc, tu stii:-)…
În concluzie, un videoclip (l-am folosit deja înainte), ai cărui autori arată efectul unei unde de șoc de la o aeronavă care zboară la altitudine joasă cu viteză supersonică. Există o anumită exagerare, desigur :-), dar principiu general de inteles. Și din nou, spectaculos :-)...
Și asta e tot pentru azi. Mulțumesc că ai citit articolul până la sfârșit :-). Pana data viitoare ...
Pozele se pot face clic.
Ai auzit zgomot puternic ca o explozie când un avion cu reacție zboară deasupra capului? Acest sunet este generat atunci când aeronava sparge bariera sunetului. Ce este o barieră fonică și de ce un avion scoate un asemenea sunet?
După cum știți, sunetul circulă cu o anumită viteză. Viteza depinde de înălțime. La nivelul mării, viteza sunetului este de aproximativ 1220 de kilometri pe oră, iar la o altitudine de 11.000 de metri, este de 1060 de kilometri pe oră. Când un avion zboară la viteze apropiate de viteza sunetului, este supus anumitor solicitări. Când zboară la viteze normale (subsonice), partea din față a avionului conduce o undă de presiune în fața lui. Această undă se deplasează cu viteza sunetului.
Unda de presiune este cauzată de acumularea de particule de aer pe măsură ce aeronava avansează. Valul se deplasează mai repede decât avionul atunci când avionul zboară la viteze subsonice. Ca rezultat, se dovedește că aerul trece nestingherit de-a lungul suprafețelor aripilor aeronavei.
Acum să luăm în considerare un avion care zboară cu viteza sunetului. Nicio undă de presiune nu apare în fața aeronavei. Ce se întâmplă în schimb este că în fața aripii se formează o undă de presiune (deoarece avionul și unda de presiune se mișcă cu aceeași viteză).
Acum este generată o undă de șoc, care provoacă sarcini grele în aripa aeronavei. Expresia „barieră a sunetului” datează de înainte ca avioanele să poată zbura cu viteza sunetului – și se credea că descrie stresul pe care un avion le-ar experimenta la acele viteze. Aceasta a fost considerată o „barieră”.
Dar viteza sunetului nu este deloc o barieră! Inginerii și proiectanții de aeronave au depășit provocarea noilor sarcini de lucru. Și tot ce rămâne din vechile opinii este că un șoc este cauzat de o undă de șoc atunci când un avion zboară la viteze supersonice.
Termenul „barieră fonică” descrie incorect condițiile care apar atunci când o aeronavă se mișcă cu o anumită viteză. Se poate presupune că atunci când aeronava atinge viteza sunetului, apare ceva de genul „barieră” – dar nu se întâmplă nimic de acest fel!
Pentru a înțelege toate acestea, luați în considerare un avion care zboară cu o viteză mică, normală. Când aeronava se deplasează înainte, se generează o undă de compresie în fața aeronavei. Este format dintr-un avion care se deplasează înainte, care comprimă particulele de aer.
Această undă se deplasează înaintea avionului cu viteza sunetului. Și viteza sa este mai mare decât viteza unui avion, care, așa cum am spus deja, zboară cu o viteză mică. Deplasându-se în fața avionului, acest val forțează curenții de aer să curgă în jurul planului avionului.
Acum imaginați-vă că avionul zboară cu viteza sunetului. Undele de compresie nu se formează înaintea aeronavei, deoarece atât aeronava, cât și valurile au aceeași viteză. Prin urmare, valul se formează în fața aripilor.
Ca urmare, apare o undă de șoc, care creează sarcini mari pe aripile aeronavei. Înainte ca avioanele să atingă și să depășească bariera sunetului, se credea că astfel de unde de șoc și supraîncărcări ar crea un fel de barieră pentru aeronave - o „barieră acustică”. Cu toate acestea, nu a existat nicio barieră de sunet, deoarece inginerii aeronautici au dezvoltat un design special de aeronave pentru aceasta.
Apropo, „lovitura” puternică pe care o auzim când avionul trece de „bariera sunetului” este unda de șoc, despre care am vorbit deja – când viteză egală aeronave și unde de compresie.
Bariera sunetului în aerodinamică este numele unui număr de fenomene care însoțesc mișcarea unei aeronave (de exemplu, o aeronavă supersonică, o rachetă) la viteze apropiate sau depășind viteza sunetului.
Când curge în jurul unui flux de gaz supersonic corp solid pe marginea sa anterioară se formează o undă de șoc (uneori mai mult de una, în funcție de forma corpului). Fotografia prezintă undele de șoc generate la vârful fuselajului modelului, la marginile de față și de jos 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 curgerii apar aproape brusc - viteza sa în raport cu corp scade și devine subsonică, presiunea în debitul şi temperatura gazului cresc brusc. O parte din energia cinetică a fluxului este convertită în energie interna gaz. Toate aceste schimbări 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 pentru vehiculele care se deplasează cu astfel de viteze (de exemplu, naveta Columbia s-a prăbușit la 1 februarie 2003 din cauza deteriorării carcasei de protecție termică care a avut loc 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.
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 la acea vreme 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 zguduia ca un ciocan pneumatic și nu se mai supune cârmelor. Nu l-am putut scoate din scufundare în niciun fel. 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. Aceasta a dat naștere la expresia nelipsită 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. Dezvoltare opinii științifice asupra mișcării supersonice a gazului a făcut posibil nu numai explicarea naturii „barierei sunetului”, ci și găsirea unui mijloc de depășire a acesteia.
Fapte istorice
*
Primul pilot care a atins viteza supersonică în zbor controlat a fost pilotul de testare american Chuck Yeager pe o aeronavă 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 sunetului fără ajutorul vreunui motor. vehicul, v cădere liberăîn timp ce sări de la o înălțime de 39 de kilometri. În cădere liberă, a atins o viteză de 1342,8 kilometri pe oră.
Fotografie:
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-18-diamondback_blast.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonic_boom_cloud.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-14D_Tomcat_breaking_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:B-1B_Breaking_the_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transonic_Vapor_F-16_01.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18F_Breaking_SoundBarrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supersonic_aircraft_breaking_sound_barrier.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA18_faster_than_sound.jpg
*
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18_Super_Hornet_VFA-102.jpg
*
http://it.wikipedia.org/wiki/File:F-22_Supersonic_Flyby.jpg
