Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.


Звуковой барьер

Перевод
Звуковой барьер

Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

Содержание

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Фотография ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе. (Аэродинамическая лаборатория NASA).
Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом. Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса \alpha связан с числом Маха соотношением:

sin(\alpha)=\frac {1} {M}

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте — самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Волновой кризис

FA-18 Летит на скорости, близкой к скорости звука. Видно облако конденсата, образовавшегося вследствие локального изменения давления (Эффект Прандтля — Глоерта).

Волновой кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука[1]. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

«Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „Мустанге“ спикировал на Me-109. Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…»[2].

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки — скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем. Schallmauer — звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока[3]. Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно — с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика — перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация. Это явление получило название волнового кризиса. Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой (M > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).

Transsonic flow over airfoil 1.svg Transsonic flow over airfoil 2.svg
Рис. 1а. Аэрокрыло в близком к звуковому потоке. Рис. 1б. Аэрокрыло в сверхзвуковом потоке.

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад и нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса — попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй Мировой с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109, волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700—750 км/ч. В то же время реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, почему на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные, как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности — треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем.

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полетов сводятся к следующему:

  • на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта);
  • переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.

Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

Исторические факты

  • Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
  • В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
  • Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
  • 15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
  • 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.

См. также

Примечания

  1. Скорость звука зависит от температуры газовой среды, и на высоте свыше 5 км, где температура опускается ниже −20 °C, может оказаться ниже 300 м/с, то есть менее 1080 км/ч
  2. Волновой кризис // Энциклопедия вооружений на km.ru
  3. Благодаря этим зонам и образуется подъёмная сила летательного аппарата на дозвуковых скоростях

Ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.

См. также в других словарях:

  • ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР — ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР, причина трудностей в авиации при увеличении скорости полета свыше скорости звука (СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ). Приближаясь к скорости звука, самолет испытывает неожиданное увеличение сопротивления и потерю аэродинамической ПОДЪЕМНОЙ… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • звуковой барьер — явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой… …   Энциклопедия техники

  • ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР — резкое увеличение сопротивления аэродинамического при приближении скорости полёта ЛА к скорости звука (превышении кри тич. значения Маха числа полёта). Объясняется волновым кризисом, сопровождающимся ростом волнового сопротивления. Преодолеть 3.… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Звуковой барьер — резкое увеличение сопротивления воздушной среды движению ЛА при. подходе к скоростям, близким к скорости распространения звука. Преодоление 3. б. стало возможным за счёт совершенствования аэродинамических форм самолётов и применения мощных… …   Словарь военных терминов

  • БАРЬЕР — (франц. barriere застава). 1) ворота в крепостях. 2) в манежах и цирках загородка, бревно, шест, через которые прыгает лошадь. 3) знак, до которого доходят бойцы на поединке. 4) перила, решетка. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… …   Словарь иностранных слов русского языка

  • БАРЬЕР — БАРЬЕР, а, муж. 1. Преграда (род стенки, перекладина), поставленная на пути (при скачках, беге). Взять б. (преодолеть его). 2. Загородка, ограждение. Б. ложи, балкона. 3. перен. Преграждение, препятствие для чего н. Река естественный б. для… …   Толковый словарь Ожегова

  • барьер — БАРЬЕ/Р а; м. [франц. barrière]. 1. Препятствие (перегородка, планка и т.п.) на пути во время спортивных состязаний (в беге, скачках и т.п.). Бег с барьерами. Прыгать через б. Лошадь брала барьеры один за другим. 2. Невысокое ограждение,… …   Энциклопедический словарь

  • барьер — а; м. (франц. barrière) см. тж. барьерчик, барьерный 1) Препятствие (перегородка, планка и т.п.) на пути во время спортивных состязаний (в беге, скачках и т.п.) Бег с барьерами. Прыгать через барье/р …   Словарь многих выражений

  • Волновой кризис — Звуковой барьер образное название ряда разных явлений, сопровождающих движение летательного аппарата на скоростях близких к скорости звука или превышающих её. В научной практике этого названия избегают. Содержание 1 Ударная волна, вызванная… …   Википедия

  • Thrust SSC — Thrust SSC …   Википедия

Книги

  • Звуковой барьер, Джесси Рассел. High Quality Content by WIKIPEDIA articles!Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на… Подробнее   Купить за 950 руб
  • Небом крещенные, Виктор Трихманенко. Верность любимой теме иные писатели проносят через все свое творчество. Виктор Трихманенко пишет о летчиках. Когда-то у него самого совпали по времени экзамен на аттестат зрелости и первый… Подробнее   Купить за 288 руб
  • В путь за косым дождем…, Андрей Меркулов. Документальная повесть Андрея Меркулова — автора известных рассказов о летчиках, фильма «Цель его жизни», книг о романтике моря и дальних краев — целиком посвящена людям авиации,… Подробнее   Купить за 192 руб
Другие книги по запросу «Звуковой барьер» >>