Звуковой барьёр. Что такое звуковой барьер

Впрочем, обо всем по порядку. Впервые звуковой барьер преодолел американский летчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолете Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11). Это случилось семьдесят с лишним лет назад - в 1947 году. Ему удалось разогнаться быстрее скорости звука, направив самолет в пологое пикирование. Спустя год это же удалось и советским летчикам-испытателям Соколовскому и Федорову на экспериментальном, существовавшем в единственном экземпляре истребителе Ла-176.

Это были сложные для авиации времена. Летчики буквально по крупицам собирали опыт, каждый раз рискуя жизнями, чтобы узнать, возможны ли полеты на скоростях выше одного Маха. Флаттер крыла, волновое сопротивление унесли не одну жизнь, до того как конструкторы научились бороться с этими явлениями.

Все дело в том, что при преодолении скорости звука резко возрастает аэродинамическое сопротивление и растет кинетический нагрев конструкции от трения набегающего воздушного потока. Кроме того, в этот момент фиксируется смещение аэродинамического фокуса, что ведет к утрате устойчивости и управляемости самолета.

Спустя 12 лет серийные сверхзвуковые истребители МиГ-19 уже охотились за американскими самолетами-шпионами, а еще ни один гражданский самолет не попытался превысить скорость звука. Это произошло лишь 21 августа 1961 года: пассажирский самолет Douglas DC-8, упав в пике, разогнался до 1,1 Маха. Полет был экспериментальным, с целью собрать больше информации об поведении машины на таких скоростях.

Спустя еще некоторое время в воздух поднялись советский Ту-144 и британо-французский «Конкорд». Практически одновременно: наша машина чуть раньше, 31 декабря 1968 года, а европейская - в марте 1969-го. А вот по объему перевезенных пассажиров за все время эксплуатации моделей капиталисты нас сильно перещеголяли. Если на счету Ту-144 всего чуть больше 3000 пассажиров, то «Конкорды», работая до 2003 года, перевезли более 2,5 миллиона человек. Впрочем, и это не помогло проекту. В конечном счете он был закрыт, очень некстати оказалась и громкая катастрофа под Парижем, в которой никакой вины сверхзвукового самолета не было.

Три ответа «нет»

В качестве железной причины бесперспективности коммерческих сверхзвуковых самолетов обычно приводятся три довода - слишком дорого, слишком сложно, слишком громко. И действительно, каждый, кто наблюдал полет реактивного сверхзвукового военного самолета, никогда не забудет ощущение удара по ушам и того дикого грохота, с которым мимо тебя пролетает самолет на сверхзвуке.

К слову, звуковой удар это не одномоментное явление, он сопровождает самолет по всему пути следования, все время, когда скорость летательного аппарата выше скорости звука. Сложно спорить и с тем, что топлива реактивный самолет потребляет столько, что, кажется, проще его сразу заправлять банкнотами.

Говоря о современных проектах сверхзвукового пассажирского самолета в первую очередь нужно ответить на каждый из этих вопросов. Только в этом случае можно надеяться на то, что все существующие проекты окажутся не мертворожденными.

Звук

Конструкторы решили начать со звука. За последние годы появилось много научных работ, доказывающих, что определенная форма фюзеляжа и крыльев может снизить количество ударных волн, создаваемых самолетом, и уменьшить их интенсивность. Подобное решение потребовало полной переработки корпусов, многократной компьютерной проработки моделей и нескольких тысяч часов продувки будущих самолетов в аэротрубе.

Основные проекты, работающие над аэродинамикой самолета будущего, это QueSST от специалистов из NASA и японская разработка D-SEND-2, создаваемая под эгидой местного Агентства аэрокосмических исследований JAXA. Оба эти проекта ведутся уже несколько лет, планомерно подбираясь к «идеальной» для сверхзвуковых полетов аэродинамике.

Предполагается, что новые сверхзвуковые пассажирские самолеты будут создавать не резкий и жесткий звуковой удар, а гораздо более приятные уху мягкие звуковые пульсации. То есть будет, конечно, все равно громко, но не «громко и больно». Еще одним способом решения проблемы звукового барьера стало уменьшение размеров самолета. Почти все разработки, ведущиеся в настоящее время, - это небольшие летательные аппараты, способные на перевозку 10-40 пассажиров максимум.

Однако есть и в этом вопросе компании-выскочки. В сентябре прошлого года бостонская авиакомпания Spike Aerospace объявила о том, что у них уже практически готова модель сверхзвукового пассажирского самолета S-512 Quiet Supersonic Jet. Предполагается, что летные испытания начнутся уже в 2018 году, а первый самолет с пассажирами на борту стартует не позже конца 2023 года.

Еще более дерзким оказалось заявление создателей, что со звуком проблема практически решена и первые испытания покажут это. Думается, что специалисты из NASA и JAXA, потратившие на решение этой проблемы много лет, будут следить за испытаниями более чем внимательно.

Также существует еще одно интересное решение проблемы звука - это преодоление звукового барьера самолетом при практически вертикальном взлете. В таком случае действие ударных волн окажется слабее, а после набора высоты в 20-30 тысяч метров об этой проблеме можно будет забыть - слишком далеко от Земли.

Двигатели

Работа над двигателями для будущих сверхзвуковых самолетов тоже не прекращается. Даже дозвуковые двигатели за последние годы смогли прилично прибавить в мощности и экономичности за счет внедрения специальных редукторов, керамических материалов и введения дополнительного воздушного контура.

Со сверхзвуковыми самолетами все немного сложнее. Дело в том, что при современном уровне технологического развития турбореактивные двигатели способны достигать максимальной скорости в 2,2 Маха (около 2500 километров в час), для достижения же большей скорости требуется использовать прямоточные двигатели, способные разогнать летательный аппарат до гиперзвуковых скоростей (более 5 чисел Маха). Впрочем, это - пока что - скорее фантастика.

По словам разработчиков, им удается уже в настоящее время достигнуть себестоимости полета на 30 процентов меньшей, чем у «Конкорда», даже при небольшом количестве пассажиров. Такие данные обнародовал стартап Boom Technologies в 2016 году. По их мнению, билет по маршруту Лондон-Нью-Йорк будет стоить около $ 5000, что сопоставимо с ценой за билет при полете первым классом на обычном, дозвуковом самолете.

Австрийский спортсмен Феликс Баумгартнер совершил затяжной прыжок с парашютом из стратосферы с рекордной высоты. Его скорость в свободном падении превысила скорость звука и составила 1342,8 км в час, фиксированная высота - 39,45 тысячи метров. Об этом официально объявлено на итоговой конференции на территории бывшей военной базы Розуэлл (штат Нью-Мексико).
Стратостат Баумгартнера с гелием объемом 850 тысяч кубометров, сделанный из тончайшего материала, стартовал в 08:30 утра по времени Западного побережья США (19:30 мск), набор высоты занял около двух часов. Порядка 30 минут шли довольно волнительные приготовления к выходу из капсулы, замеры давления и проверка приборов.
Свободное падение, по словам специалистов, длилось 4 минуты и 20 секунд без раскрытого тормозного парашюта. Между тем организаторы рекорда заявляют, что все данные будут переданы австрийской стороне, после чего состоится окончательное фиксирование и сертификация. Речь идет о трех мировых достижениях: прыжок с самой высокой точки, продолжительности свободного падения и преодолении скорости звука. В любом случае Феликс Баумгартнер - первый в мире человек, преодолевший скорость звука, находясь вне техники, отмечает ИТАР-ТАСС. Свободное падение Баумгартнера продолжалось 4 минуты 20 секунд, но без стабилизирующего парашюта. В результате спортсмен едва не вошел в штопор и в течение первых 90 секунд полета не поддерживал радиосвязь с землей.
"На какое-то мгновение мне показалось, что я теряю сознание, - описал спортсмен свое состояние. - Однако раскрывать тормозной парашют я не стал, а попытался стабилизировать полет самостоятельно. При этом каждую секунду я отчетливо понимал, что со мной происходит". В итоге "погасить" вращение удалось. В противном случае, если бы штопор затянулся, стабилизирующий парашют раскрылся бы автоматически.
В какой момент удалось превысить в падении скорость звука, австриец сказать не может. "Я не имею об этом ни малейшего представления, так как был слишком занят тем, чтобы стабилизировать свое положение в воздухе", - признался он, добавив, что не слышал также никакого характерного хлопка, который обычно сопровождает преодоление звукового барьера самолетами. По словам Баумгартнера, "во время полета он практически ничего не чувствовал, не думал ни о каких рекордах". "Я думал лишь о том, как вернуться на Землю живым и увидеть семью, родителей, свою девушку, - сказал он. - Иногда человеку нужно подняться на такую высоту только для того, чтобы осознать, насколько он мал". "Я думал только о своей семье", - поделился переживаниями Феликс. За несколько секунд до прыжка его мыслью было: «Господи, не оставь меня!»
Самым опасным моментом скай-дайвер назвал выход из капсулы. "Это был самый волнительный момент, ты не чувствуешь воздух, не понимаешь физически, что происходит, при этом важно отрегулировать давление, чтобы не погибнуть, - отметил он. - Это самый неприятный момент. Ненавижу это состояние". А "самый красивый момент - осознание, что стоишь на "вершине мира", - поделился спортсмен.

В настоящее время проблема «преодоления звукового барьера», по-видимому, является по существу задачей мощных силовых двигателей. Если имеется достаточная сила тяги для преодоления возрастания сопротивления, встречающегося до звукового барьера и непосредственно на нем, так что самолет может быстро пройти через критический диапазон скоростей, то не следует ожидать особых трудностей. Возможно, самолету было бы легче летать в сверхзвуковом диапазоне скоростей, чем в переходном диапазоне между дозвуковой и сверхзвуковой скоростью.

Таким образом, ситуация отчасти аналогична той, которая преобладала в начале этого века, когда братья Райт смогли доказать возможность активного полета, потому что у них был легкий двигатель с достаточной тягой. Если бы мы имели соответствующие двигатели, то сверхзвуковой полет стал бы довольно обычным. До недавних пор преодоление звукового барьера в горизонтальном полете осуществлялось только с использованием довольно неэкономичных двигательных установок, таких как ракетные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) с очень высоким потреблением топлива. Экспериментальные самолеты типа Х-1 и Скай-рокет (Sky-rocket) оснащены ракетными двигателями, которые надежны только в течение нескольких минут полета, или же турбореактивными двигателями с форсажными камерами, но на момент написания этой книги создано несколько самолетов, которые могут летать со сверхзвуковой скоростью в течение получаса. Если вы прочитаете в газете, что самолет «прошел через звуковой барьер», то это часто означает, что он сделал это посредством пикирования. В этом случае сила тяжести дополнила недостаточную силу тяги.

Существует странное явление, связанное с этими фигурами высшего пилотажа, которое я хотел бы отметить. Предположим, что самолет

приближается к наблюдателю на дозвуковой скорости, пикирует, достигнув сверхзвуковой скорости, затем выходит из пикирования и снова продолжает полет на дозвуковой скорости. В этом случае наблюдатель на земле зачастую слышит два громких гулких звука, довольно быстро следующих друг за другом: «Бум, бум!» Некоторые ученые предложили объяснения происхождения двойного гула. Акерет в Цюрихе и Морис Руа в Париже оба предположили, что гул возникает благодаря накоплению звуковых импульсов, таких как шум двигателя, издаваемых в то время, когда самолет проходил через звуковую скорость. Если самолет двигается по направлению к наблюдателю, то издаваемый самолетом шум достигнет наблюдателя за более короткий промежуток времени по сравнению с интервалом, в котором он был издан. Таким образом, всегда происходит некоторое накопление звуковых импульсов при условии, что источник звука двигается к наблюдателю. Однако если источник звука двигается со скоростью близкой к скорости звука, то накопление бесконечно усиливается. Это становится очевидным, если считать, что весь звук, издаваемый источником, двигающимся точно со скоростью звука прямо по направлению к наблюдателю, достигнет последнего в один короткий момент времени, а именно, когда источник звука приблизился к местонахождению наблюдателя. Причина состоит в том, что звук и источник звука будут передвигаться с одинаковой скоростью. Если бы звук двигался в этот период времени со сверхзвуковой скоростью, то последовательность воспринимаемых и издаваемых звуковых импульсов была бы обратной; наблюдатель различит сигналы, издаваемые позднее, прежде чем он воспримет сигналы, изданные ранее.

Процесс двойного гула, в соответствии с этой теорией, можно проиллюстрировать диаграммой на рис. 58. Предположим, что самолет двигается прямо по направлению к наблюдателю, но с переменной скоростью. Кривая АВ показывает перемещение самолета в зависимости от времени. Угол наклона касательной к кривой указывает мгновенную скорость самолета. Параллельные прямые, показанные на диаграмме, указывают распространение звука; угол наклона в этих прямых соответствует скорости звука. Сначала на участке скорость самолета дозвуковая, затем на участке - сверхзвуковая, и наконец, на участке - снова дозвуковая. Если наблюдатель находится на начальном расстоянии D, то точки, показанные на горизонтальной линии соответствуют последовательности воспринимаемых им

Рис. 58. Диаграмма расстояния-времени самолета, летящего с переменной скоростью. Параллельные линии с углом наклона в показывают распространение звука.

звуковых импульсов. Мы видим, что звук, издаваемый самолетом во время второго прохождения звукового барьера (точка ), достигает наблюдателя раньше, чем звук, издаваемый во время первого прохождения (точка ). В эти два мгновения наблюдатель воспринимает через бесконечно малый интервал времени импульсы, издаваемые во время ограниченного периода времени. Следовательно, он слышит гул, похожий на взрыв. Между двумя звуками гула он одновременно воспринимает три импульса, издаваемые в разное время самолетом.

На рис. 59 схематично показана интенсивность шума, которую можно ожидать в этом упрощенном случае. Следует отметить, что накопление звуковых импульсов в случае приближающегося источника звука является тем же процессом, который известен как эффект Доплера; однако характеристика последнего эффекта обычно ограничена изменением высоты тона, связанной с процессом накопления. Интенсивность воспринимаемого шума трудно рассчитать, поскольку она зависит от механизма образования звука, который не очень хорошо известен. К тому же процесс осложняется формой траектории, возможным эхом, а также ударными волнами, которые наблюдаются в различных частях самолета во время полета и энергия которых преобразуется в звуковые волны после того, как самолет уменьшит скорость. В некоторых

Рис. 59. Схематичное представление интенсивности шума, воспринимаемого наблюдателем.

последних статьях по этой теме явление двойного гула, иногда тройного, наблюдаемого в сверхскоростном пикировании, приписывается этим ударным волнам.

Проблема «преодоления звукового барьера» или «звуковой стены», по-видимому, волнует воображение общественности (английский кинофильм под названием «Разрушение звукового барьера» дает некоторое представление о задачах, связанных с полетом через единичный Мах); летчики и инженеры обсуждают проблему как серьезно, так и в шутку. Следующий «научный доклад» околозвукового полета демонстрирует прекрасное сочетание технических знаний и поэтических вольностей :

Мы плавно скользили по воздуху со скоростью 540 миль в час. Мне всегда нравился маленький XP-AZ5601-NG за его простое управление, и за то, что индикатор Прандтля-Рейнольдса запрятан в правом углу вверху панели. Я проверил приборы. Воду, топливо, обороты в минуту, КПД Карно, путевую скорость, энтальпию. Все ОК. Курс 270°. Полнота сгорания в норме - 23 процента. Старина ТРД урчал спокойно как всегда, и зубы Тони едва постукивали от его 17 створок, перекинутых им над Шенектади. Из двигателя просачивалась только тонкая струйка масла. Вот это жизнь!

Я знал, что двигатель самолета хорош для скоростей выше тех, которые мы когда-либо пытались развивать. Погода была такая ясная, небо такое голубое, воздух такой спокойный, что я не устоял и прибавил скорость. Я медленно переместил рычаг вперед на одну позицию. Регулятор только слегка качнулся, и спустя пять минут или около того все было спокойно. 590 миль в час. Я опять нажал на рычаг. Засорились только два сопла. Я нажал на очиститель узких отверстий. Снова открыты. 640 миль в час. Тихо. Выхлопная труба едва совсем не согнулась, несколько квадратных дюймов с одной стороны все еще открыты. Руки у меня так и чесались на рычаге, и я снова нажал на него. Самолет разогнался до 690 миль в час, пройдя через критический отрезок, не сломав ни единого иллюминатора. В кабине становилось тепло, поэтому я подал еще немного воздуха в вихревой холодильник. Мах 0,9! Я никогда не летал быстрее. Я мог видеть небольшое сотрясение за окном иллюминатора, поэтому отрегулировал форму крыла, и оно исчезло.

Тони теперь дремал, и я выпустил дымок из его трубки. Я не мог устоять и прибавил скорость еще на один уровень. Ровно за десять минут мы сравнялись с Махом 0,95. Сзади в камерах сгорания общее давление дьявольски падало. Вот это была жизнь! Индикатор Кармана показывал красный, но мне было все равно. Свеча Тони все еще горела. Я знал, что гамма на нуле, но мне было наплевать.

От возбуждения у меня кружилась голова. Еще немного! Я положил руку на рычаг, но как раз в этот момент Тони потянулся, и его колено задело мою руку. Рычаг подпрыгнул на целых десять уровней! Трах! Небольшой самолет содрогнулся во всю длину, а колоссальная потеря скорости отбросила нас с Тони на панель. Казалось, что мы ударились о твердую кирпичную стену! Я мог видеть, что нос самолета был смят. Я посмотрел на махометр и замер! 1,00! Боже, в один миг подумал я, мы на максимуме! Если я не заставлю его сбавить скорость, прежде чем он соскользнет, мы окажемся в убывающем сопротивлении! Слишком поздно! Мах 1,01! 1,02! 1,03! 1,04! 1,06! 1,09! 1,13! 1,18! Я был в отчаянии, но Тони знал, что делать. В мгновение ока он дал задний

ход! Горячий воздух ринулся в выхлопную трубу, он сжат в турбине, вновь прорвался в камеры, расширил компрессор. Топливо начало поступать в баки. Измеритель энтропии качнулся к полному нулю. Мах 1,20! 1,19! 1,18! 1,17! Мы спасены. Он сполз назад, он сместился назад, пока Тони и я молились, чтоб не залип делитель потока. 1,10! 1,08! 1,05!

Трах! Мы ударились о другую сторону стены! Мы в ловушке! Не хватает отрицательной тяги, чтоб прорваться назад!

В то время как мы съежились от страха перед стеной, хвост маленького самолета развалился и Тони крикнул: «Зажигай ракетные ускорители!» Но они повернули не в ту сторону!

Тони протянул руку и подтолкнул их вперед, линии Маха струились с его пальцев. Я поджог их! Удар был ошеломляющим. Мы потеряли сознание.

Когда я пришел в себя, наш маленький самолет, весь искореженный, как раз проходил через нулевой Мах! Я вытащил Тони, и мы тяжело упали на землю. Самолет замедлял ход на востоке. Через несколько секунд мы услышали грохот, как будто он ударился о другую стену.

Не было найдено ни единого винта. Тони занялся плетением сетки, а я побрел в МТИ.

Прошел звуковой барьер:-)...

Прежде чем пуститься в разговоры по теме, внесем некоторую ясность в вопрос о точности понятий (то, что мне нравится:-)). Сейчас в достаточно широком употреблении находятся два термина: звуковой барьер и сверхзвуковой барьер . Звучат они похоже, но все же неодинаково. Однако, строгости особой разводить смысла нет: по сути это одно и то же. Определением звуковой барьер пользуются чаще всего люди более сведущие и более близкие к авиации. А вторым определением обычно все остальные.

Я думаю, что с точки зрения физики (и русского языка:-)) более правильно говорить все же звуковой барьер. Здесь простая логика. Ведь существует понятие скорость звука , а фиксированного понятия скорость сверхзвука, строго говоря, нет. Чуть забегая вперед скажу, что когда летательный аппарат летит на сверхзвуке, то он уже этот барьер прошел, а когда он его проходит (преодолевает), то он при этом проходит некое пороговое значение скорости, равное скорости звука (а не сверхзвука).

Вот как-то так:-). При этом первое понятие употребляется значительно реже, чем второе. Это, видимо, оттого, что слово сверхзвуковой звучит более экзотично и привлекательно. А в сверхзвуковом полете экзотика безусловно присутствует и, естественно, привлекает многих. Однако далеко не все люди, смакующие слова «сверхзвуковой барьер » понимают на самом деле, что же такое. Не раз уже в этом убеждался, заглядывая на форумы, читая статьи даже смотря телевизор.

Вопрос этот на самом деле с точки зрения физики достаточно сложен. Но мы в сложности, конечно, не полезем. Просто постараемся, как обычно, прояснить ситуацию используя принцип «объяснения аэродинамики на пальцах»:-).

Итак, к барьеру (звуковому:-))!… Самолет в полете, воздействуя на такую упругую среду, как воздух, становится мощным источником звуковых волн . Что такое звуковые волны в воздухе знают, я думаю, все:-).

Звуковые волны (камертон).

Это чередование областей сжатия и разрежения, распространяющихся в разные стороны от источника звука. Примерно как круги на воде, которые тоже как раз волнами и являются (только не звуковыми:-)). Именно такие области, воздействуя на барабанную перепонку уха, позволяют нам слышать все звуки этого мира, от человеческого шепота до грохота реактивных двигателей.

Пример звуковых волн.

Точками распространения звуковых волн могут быть различные узлы самолета. Например двигатель (его звук известен любому:-)), или детали корпуса (например, носовая часть), которые, уплотняя перед собой воздух при движении, создают определенного вида волны давления (сжатия), бегущие вперед.

Все эти звуковые волны распространяются в воздушной среде с уже известной нам скоростью звука. То есть если самолет дозвуковой, да еще и летит на малой скорости, то они от него как бы убегают. В итоге при приближении такого самолета мы слышим сначала его звук, а потом уже пролетает он сам.

Оговорюсь, правда, что это справедливо, если самолет летит не очень высоко. Ведь скорость звука – это не скорость света:-). Величина ее не столь велика и звуковым волнам нужно время, чтобы дойти до слушателя. Поэтому очередность появления звука для слушателя и самолета, если тот летит на большой высоте может измениться.

А раз звук не так уж и быстр, то с увеличением собственной скорости самолет начинает догонять волны им испускаемые. То есть, если бы он был неподвижен, то волны расходились бы от него в виде концентрических окружностей , как круги на воде от брошенного камня. А так как самолет движется, то в секторе этих кругов, соответствующем направлению полета, границы волн (их фронты ) начинают сближаться.

Дозвуковое движение тела.

Соответственно, промежуток между самолетом (его носовой частью) и фронтом самой первой (головной) волны (то есть это та область, где происходит постепенное, в известной степени, торможение набегающего потока при встрече с носовой частью самолета (крыла, хвостового оперения) и, как следствие, увеличение давления и температуры ) начинает сокращаться и тем быстрее, чем больше скорость полета.

Наступает такой момент, когда этот промежуток практически исчезает (или становится минимальным), превращаясь в особого рода область, которую называют скачком уплотнения . Это происходит тогда, когда скорость полета достигает скорости звука, то есть самолет движется с той же скоростью, что и волны им испускаемые. Число Маха при этом равно единице (М=1 ).

Звуковое движение тела (М=1).

Скачок уплотнения , представляет собой очень узкую область среды (порядка 10 -4 мм ), при прохождении через которую происходит уже не постепенное, а резкое (скачкообразное) изменение параметров этой среды - скорости, давления, температуры, плотности . В нашем случае скорость падает, давление, температура и плотность растут. Отсюда такое название - скачок уплотнения.

Несколько упрощенно обо всем этом я бы еще сказал так. Сверхзвуковой поток резко затормозить невозможно, но ему это делать приходится, ведь уже нет возможности постепенного торможения до скорости потока перед самым носом самолета, как на умеренных дозвуковых скоростях. Он как бы натыкается на участок дозвука перед носом самолета (или носком крыла) и сминается в узкий скачок, передавая ему большую энергию движения, которой обладает.

Можно, кстати, сказать и наоборот, что самолет передает часть своей энергии на образование скачков уплотнения, чтобы затормозить сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковое движение тела.

Есть для скачка уплотнения и другое название. Перемещаясь вместе с самолетом в пространстве, он представляет собой по сути дела фронт резкого изменения вышеуказанных параметров среды (то есть воздушного потока). А это есть суть ударная волна .

Скачок уплотнения и ударная волна, вобщем-то, равноправные определения, но в аэродинамике более употребимо первое.

Ударная волна (или скачок уплотнения) могут быть практически перпендикулярными к направлению полета, в этом случае они принимают в пространстве приблизительно форму круга и называются прямыми . Это обычно бывает на режимах, близких к М=1 .

Режимы движения тела. ! - дозвук, 2 - М=1, сверхзвук, 4 - ударная волна (скачок уплотнения).

При числах М > 1 они уже располагаются под углом к направлению полета. То есть самолет уже перегоняет собственный звук. В этом случае они называются косыми и в пространстве принимают форму конуса, который, кстати, носит название конуса Маха , по имени ученого, занимавшегося исследованиями сверхзвуковых течений (упоминал о нем в одной из ).

Конус Маха.

Форма этого конуса (его так сказать «стройность») как раз и зависит от числа М и связана с ним соотношением: М= 1/sin α , где α – это угол между осью конуса и его образующей. А коническая поверхность касается фронтов всех звуковых волн, источником которых стал самолет, и которые он «обогнал», выйдя на сверхзвуковую скорость.

Кроме того скачки уплотнения могут быть также присоединенными , когда они примыкают к поверхности тела, двигающегося со сверхзвуковой скоростью или же отошедшими , если они с телом не соприкасаются.

Виды скачков уплотнения при сверхзвуковом обтекании тел различной формы.

Обычно скачки становятся присоединенными, если сверхзвуковой поток обтекает какие-либо остроконечные поверхности. Для самолета это, например, может быть заостренная носовая часть, ПВД, острый край воздухозаборника. При этом говорят «скачок садится », например, на нос.

А отошедший скачок может получиться при обтекании закругленных поверхностей, например, передней закругленной кромки толстого аэродинамического профиля крыла.

Различные узлы корпуса летательного аппарата создают в полете довольно сложную систему скачков уплотнения. Однако, наиболее интенсивные из них – два. Один головной на носовой части и второй – хвостовой на элементах хвостового оперения. На некотором расстоянии от летательного аппарата промежуточные скачки либо догоняют головной и сливаются с ним, либо их догоняет хвостовой.

Скачки уплотнения на модели самолета при продувке в аэродинамической трубе (М=2).

В итоге остаются два скачка, которые, вобщем-то, воспринимаются земным наблюдателем как один из-за небольших размеров самолета по сравнению с высотой полета и, соответственно,т небольшим промежутком времени между ними.

Интенсивность (другими словами энергетика ) ударной волны (скачка уплотнения) зависит от различных параметров (скорости движения летательного аппарата, его конструктивных особенностей, условий среды и др.) и определяется перепадом давления на ее фронте.

По мере удаления от вершины конуса Маха, то есть от самолета, как источника возмущений ударная волна ослабевает, постепенно переходит в обычную звуковую волну и в конечном итоге совсем исчезает.

А от того, какой степени интенсивностью будет обладать скачок уплотнения (или ударная волна), достигший земли зависит эффект, который он может там произвести. Ведь не секрет, что всем известный «Конкорд» летал на сверхзвуке только над Атлантикой, а военные сверхзвуковые самолеты выходят на сверхзвук на больших высотах или в районах, где отсутствуют населенные пункты (по крайней мере вроде как должны это делать:-)).

Эти ограничения очень даже оправданы. Для меня, например, само определение ударная волна ассоциируется со взрывом. И дела, которые достаточно интенсивный скачок уплотнения может наделать, вполне могут ему соответствовать. По крайней мере стекла из окон могут повылетать запросто. Свидетельств этому существует достаточно (особенно в истории советской авиации, когда она была достаточно многочисленной и полеты были интенсивными). Но ведь можно наделать дел и похуже. Стоит только полететь пониже:-)…

Однако в большинстве своем то, что остается от скачков уплотнения при достижении ими земли уже неопасно. Просто сторонний наблюдатель на земле может при этом услышать звук, схожий с грохотом или взрывом. Именно с этим фактом связаны одно расхожее и довольно стойкое заблуждение.

Люди, не слишком искушенные в авиационной науке, услышав такой звук, говорят, что это самолет преодолел звуковой барьер (сверхзвуковой барьер ). На самом деле это не так. Это утверждение не имеет ничего общего с действительностью по крайней мере по двум причинам.

Ударная волна (скачок уплотнения).

Во-первых, если человек, находящийся на земле, слышит высоко в небе гулкий грохот, то это означает, всего лишь, (повторяюсь:-)) что его ушей достиг фронт ударной волны (или скачок уплотнения ) от летящего где-то самолета. Этот самолет уже летит на сверхзвуковой скорости, а не только что перешел на нее.

И если этот же человек смог бы вдруг оказаться в нескольких километрах впереди по следованию самолета, то он опять бы услышал тот же звук от того же самолета, потому что попал бы под действие той же ударной волны, движущейся вместе с самолетом.

Она перемещается со сверхзвуковой скоростью, и по сему приближается бесшумно. А уже после того, как она окажет свое не всегда приятное воздействие на барабанные перепонки (хорошо, когда только на них:-)) и благополучно пройдет дальше, становится слышен гул работающих двигателей.

Примерная схема полета самолета при различных значениях числа М на примере истребителя Saab 35 "Draken". Язык, к сожалению, немецкий, но схема вобщем понятна.

Более того сам переход на сверхзвук не сопровождается никакими единовременными «бумами» , хлопками , взрывами и т.п. На современном сверхзвуковом самолете летчик о таком переходе чаще всего узнает только по показанию приборов. При этом происходит, однако, некий процесс, но он при соблюдении определенных правил пилотирования ему практически не заметен.

Но и это еще не все:-). Скажу больше. в виде именно какого-то ощутимого, тяжелого, труднопересекаемого препятствия, в который самолет упирается и который нужно «прокалывать» (слышал я и такие суждения:-)) не существует.

Строго говоря, вообще никакого барьера нет. Когда-то на заре освоения больших скоростей в авиации это понятие сформировалось скорее как психологическое убеждение о трудности перехода на сверхзвуковую скорость и полете на ней. Появились даже высказывания о том, что это вообще невозможно, тем более, что предпосылки к такого рода убеждениям и высказываниям были вполне конкретные.

Однако, обо всем по порядку…

В аэродинамике существует другой термин, который достаточно точно описывает процесс взаимодействия с воздушным потоком тела, движущегося в этом потоке и стремящегося перейти на сверхзвук. Это волновой кризис . Именно он как раз и делает некоторые нехорошие вещи, которые традиционно ассоциируют с понятием звуковой барьер .

Итак кое-что о кризисе:-). Любой летательный аппарат состоит из частей, обтекание которых воздушным потоком в полете может быть не одинаково. Возьмем, к примеру, крыло, точнее обыкновенный классический дозвуковой профиль .

Из основ знаний о том, как образуется подъемная сила нам хорошо известно, что скорость потока в прилежащем слое верхней криволинейной поверхности профиля разная. Там где профиль более выпуклый она больше общей скорости потока, далее, когда профиль уплощается она снижается.

Когда крыло движется в потоке на скоростях, близких к скорости звука, может наступить момент, когда в такой вот, к примеру, выпуклой области скорость слоя воздуха, которая уже итак больше общей скорости потока, становится звуковой и даже сверхзвуковой.

Местный скачок уплотнения, возникающий на трансзвуке при волновом кризисе.

Дальше по профилю эта скорость снижается и в какой-то момент опять становится дозвуковой. Но, как мы уже говорили выше, быстро затормозиться сверзвуковое течение не может, поэтому неизбежно возникновение скачка уплотнения .

Такие скачки появляются на разных участках обтекаемых поверхностей, и первоначально они достаточно слабы, но количество их может быть велико, и с ростом общей скорости потока увеличиваются зоны сверхзвука, скачки «крепнут» и сдвигаются к задней кромке профиля. Позже такие же скачки уплотнения появляются на нижней поверхности профиля.

Полное сверхзвуковое обтекание профиля крыла.

Чем все это чревато? А вот чем. Первое – это значительный рост аэродинамического сопротивления в диапазоне трансзвуковых скоростей (около М=1, более или менее). Это сопротивление растет за счет резкого увеличения одной из его составляющих – волнового сопротивления . Того самого, которое мы ранее при рассмотрении полетов на дозвуковых скоростях во внимание не принимали.

Для образования многочисленных скачков уплотнения (или ударных волн) при торможении сверхзвукового потока, как я уже говорил выше, тратится энергия, и берется она из кинетической энергии движения летательного аппарата. То есть самолет элементарно тормозится (и очень ощутимо!). Это и есть волновое сопротивление.

Более того, скачки уплотнения из-за резкого торможения потока в них, способствуют отрыву пограничного слоя после себя и превращения его из ламинарного в турбулентный . Это еще более увеличивает аэродинамическое сопротивление.

Отекание профиля при различных числах М. Скачки уплотнения, местные зоны сверхзвука, турбулентные зоны.

Второе . Из-за появления местных сверхзвуковых зон на профиле крыла и дальнейшем их сдвиге к хвостовой части профиля с увеличением скорости потока и, тем самым, изменения картины распределения давления на профиле, точка приложения аэродинамических сил (центр давления) тоже смещается к задней кромке. В результате появляется пикирующий момент относительно центра масс самолета, заставляющий его опустить нос.

Во что все это выливается… Из-за довольно резкого роста аэродинамического сопротивления самолету требуется ощутимый запас мощности двигателя для преодоления зоны трансзвука и выхода на, так сказать, настоящий сверхзвук.

Резкое возрастание аэродинамического сопротивления на трансзвуке (волновой кризис) за счет роста волнового сопротивления. Сd - коэффициент сопротивления.

Далее. Из-за возникновения пикирующего момента появляются сложности в управлении по тангажу. Кроме того из-за неупорядоченности и неравномерности процессов, связанных с возникновением местных сверхзвуковых зон со скачками уплотнения тоже затрудняется управление . Например по крену, из-за разных процессов на левой и правой плоскостях.

Да еще плюс возникновение вибраций , часто довольно сильных из-за местной турбулизации.

Вобщем, полный набор удовольствий, который носит название волновой кризис . Но, правда, все они имеют место (имели,конкретное:-)) при использовании типичных дозвуковых самолетов (с толстым профилем прямого крыла) с целью достижения сверхзвуковых скоростей.

Первоначально, когда еще не было достаточно знаний, и не были всесторонне исследованы процессы выхода на сверхзвук, этот самый набор считался чуть ли не фатально непреодолимым и получил название звуковой барьер (или сверхзвуковой барьер , если хотите:-)).

При попытках преодоления скорости звука на обычных поршневых самолетах было немало трагических случаев. Сильная вибрация порой приводила к разрушениям конструкции. Самолетам не хватало мощности для требуемого разгона. В горизонтальном полете он был невозможен из-за эффекта , имеющего ту же природу, что и волновой кризис .

Поэтому для разгона применяли пикирование. Но оно вполне могло стать фатальным. Появляющийся при волновом кризисе пикирующий момент делал пике затяжным , и из него, иной раз, не было выхода. Ведь для восстановления управления и ликвидации волнового кризиса необходимо было погасить скорость. Но сделать это в пикировании крайне трудно (если вообще возможно).

Затягивание в пикирование из горизонтального полета считается одной из главных причин катастрофы в СССР 27 мая 1943 года известного экспериментального истребителя БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем. Проводились испытания на максимальную скорость полета, и по оценкам конструкторов достигнутая скорость была больше 800 км/ч . После чего произошло затягивание в пике, из которого самолет не вышел.

Экспериментальный истребитель БИ-1.

В наше время волновой кризис уже достаточно хорошо изучен и преодоление звукового барьера (если это требуется:-)) особого труда не составляет. На самолетах, которые предназначены для полетов с достаточно большими скоростями применены определенные конструктивные решения и ограничения, облегчающие их летную эксплуатацию.

Как известно, волновой кризис начинается при числах М, близких к единице. Поэтому практически все реактивные дозвуковые лайнеры (пассажирские, в частности) имеют полетное ограничение по числу М . Обычно оно находится в районе 0,8-0,9М . Летчику предписывается следить за этим. Кроме того на многих самолетах при достижении уровня ограничения , после чего скорость полета должна быть снижена.

Практически все самолеты, летающие на скоростях как минимум 800 км/ч и выше имеют стреловидное крыло (по крайней мере по передней кромке:-)). Оно позволяет отодвинуть начало наступления волнового кризиса до скоростей, соответствующих М=0,85-0,95 .

Стреловидное крыло. Принципиальное действие.

Причину такого эффекта можно объяснить достаточно просто. На прямое крыло воздушный поток со скоростью V набегает практически под прямым углом, а на стреловидное (угол стреловидности χ ) под некоторым углом скольжения β . Скорость V можно в векторном отношении разложить на два потока: Vτ и Vn .

Поток Vτ не влияет на распределение давления на крыле, зато это делает поток Vn, как раз и определяющий несущие свойства крыла. А он заведомо меньше по величине общего потока V. Поэтому на стреловидном крыле наступление волнового кризиса и рост волнового сопротивления происходит ощутимо позже, чем на прямом крыле при той же скорости набегающего потока.

Экспериментальный истребитель Е-2А (предшественник МИГ-21). Типичное стреловидное крыло.

Одной из модификаций стреловидного крыла стало крыло со сверхкритическим профилем (упоминал о нем ). Оно тоже позволяет сдвинуть начало волнового кризиса на большие скорости, кроме того позволяет повысить экономичность, что немаловажно для пассажирских лайнеров.

SuperJet 100. Стреловидное крыло со сверхкритическим профилем.

Если же самолет предназначен для перехода звукового барьера (проходя и волновой кризис тоже:-)) и полета на сверхзвуке, то он обычно всегда отличается определенными конструктивными особенностями. В частности, обычно имеет тонкий профиль крыла и оперения с острыми кромками (в том числе ромбовидный или треугольный) и определенную форму крыла в плане (например, треугольную или трапециевидную с наплывом и т.д.).

Сверхзвуковой МИГ-21. Послелователь Е-2А. Типичное треугольное в плане крыло.

МИГ-25. Пример типичного самолета, созданного для полета на сверхзвуке. Тонкие профили крыла и оперения, острые кромки. Трапециевидное крыло. профиль

Прохождение пресловутого звукового барьера , то есть переход на сверхзвуковую скорость такие самолеты осуществляют на форсажном режиме работы двигателя в связи с ростом аэродинамического сопротивления, ну и, конечно, для того, чтобы быстрее проскочить зону волнового кризиса . И сам момент этого перехода чаще всего никак не ощущается (повторяюсь:-)) ни летчиком (у него разве что может снизиться уровень звукового давления в кабине), ни сторонним наблюдателем, если бы, конечно, он мог за этим наблюдать:-).

Однако, здесь стоит сказать еще об одном заблуждении, со сторонними наблюдателями связанным. Наверняка многие видели такого рода фотографии, подписи под которыми гласят, что это есть момент преодоления самолетом звукового барьера , так сказать, визуально.

Эффект Прандтля-Глоэрта. Не связан с прохождением звукового барьера.

Во-первых , мы уже знаем, что звукового барьера, как такового-то и нет, и сам переход на сверхзвук ничем таким сверхординарным (в том числе и хлопком или взрывом) не сопровождается.

Во-вторых . То, что мы видели на фото – это так называемый эффект Прандтля-Глоэрта . Я о нем уже писал . Он никак напрямую не связан с переходом на сверхзвук. Просто на больших скоростях (дозвуковых, кстати:-)) самолет, двигая перед собой определенную массу воздуха создает сзади некоторую область разрежения . Сразу после пролета эта область начинает заполняться воздухом из близлежащего пространства с естественным увеличением объема и резким падением температуры.

Если влажность воздуха достаточна и температура падает ниже точки росы окружающего воздуха, то происходит конденсация влаги из водяных паров в виде тумана, который мы и видим. Как только условия восстанавливаются до исходных, этот туман сразу исчезает. Весь этот процесс достаточно скоротечен.

Такому процессу на больших околозвуковых скоростях могут способствовать местные скачки уплотнени я, иногда помогая формировать вокруг самолета нечто похожее на пологий конус.

Большие скорости благоприятствуют этому явлению, однако, если влажность воздуха окажется достаточной, то оно может возникнуть (и возникает) на довольно малых скоростях . Например, над поверхностью водоемов. Большинство, кстати, красивых фото такого характера сделаны с борта авианосца, то есть в достаточно влажном воздухе.

Вот так и получается. Кадры, конечно, классные, зрелище эффектное:-), но это совсем не то, чем его чаще всего называют. здесь совсем не при чем (и сверхзвуковой барьер тоже:-)). И это хорошо, я думаю, иначе наблюдателям, которые делают такого рода фото и видео могло бы не поздоровиться. Ударная волна , знаете ли:-)…

В заключении один ролик (ранее я его уже использовал), авторы которого показывают действие ударной волны от самолета, летящего на малой высоте со сверхзвуковой скоростью. Определенное преувеличение там, конечно, присутствует:-), но общий принцип понятен. И опять же эффектно:-)…

А на сегодня все. Спасибо, что дочитали статью до конца:-). До новых встреч…

Фотографии кликабельны.

Правообладатель иллюстрации SPL

О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель рассказывает об истинной причине феномена.

Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.

По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет - внутри компактного облака.

Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами - визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.

На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта - физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.

• Другие статьи сайта BBC Future на русском языке

По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.

Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.

Так что же это за таинственные облака конденсата?

По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.

Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.

Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. "Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, - объясняет Ирвин. - Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde - запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью".

Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть - только при помощи специального оборудования.

Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.

Фотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.

В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.

Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.

Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.

Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео .

"Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха", - говорит Ирвин.

На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США - и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.

Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.

На таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.

Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы - ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.

Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично - на дозвуковой.

"Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения", - говорит Ирвин.

По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно - теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.

Все, что вам остается сделать, - попросить об услуге профессионального фотографа, и - вуаля! - ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.

• Прочитать можно на сайте