rss twitter

19 мая 2015 г.

Скорость звука и число М

Трансзвуковой полет F-18. Хорошо видны скачки уплотнения
Для начала давайте выясним, сверхзвук это сколько? Какова должна быть скорость, чтобы считаться сверхзвуковой? Проблема в том, что простого и однозначного ответа на этот вопрос нет.

То есть правильный ответ — больше 1 М, или Число Маха больше, это скорость звука, а выше единицы, это уже сверхзвук. Ведь совсем не привычное число выраженное в километрах в час.

Если упростить, объяснить это можно так: скорость звука зависит о свойств среды в которой он распространяется, чем плотнее среда, тем быстрее распространяются колебания (звук это ведь волна). Таким образом на разной высоте скорость звука разная. Чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем ниже будет скорость звука. 

Например, скорость звука у земли (на высоте 0 км) составит 340 метров в секунду (м/с),это 1224 км/ч, при температуре около +15 и давлении 750 мм. рт. ст. и относительной влажности 0%. А вот на высоте 10 000 метров, на которой летают современные пассажирские лайнеры, это уже около 299 м/с (это 1076 км/ч), то есть разница довольно значительная.

Также от высоты и других параметров зависит и скорость звука и сопротивление воздуха и соответственно, скорость которую может развить самолет.

Так вот число Маха представляет собой отношение скорости летательного аппарата к скорости звука на высоте на которой он сейчас летит. Так удобнее, ведь на разной высоте скорость звука будет разной и чтобы понимать достигает ли летательный аппарат скорости звука, его скорость измеряют в числах М.

Если еще проще, то число М показывает сколько скоростей звука в скорости самолета на конкретной высоте. Если число Маха больше единицы, очевидно мы имеем дело со сверхзвуковой скоростью. Поэтому чаще всего вы будете встречать пояснение для какой высоты указано конкретное число Маха.

Например, для Боинга 777 крейсерской скоростью считается 0,84 М (это дозвуковой летательный аппарат). То есть  на высоте 10 000 метров при стандартных условиях принимая скорость звука за 1076 км/ч умножаем ее на 0,84 и получаем — 903 км/ч. По документации крейсерская скорость Boeing 777 составляет как раз 905 км/ч. 

Что касается сверхзвуковых летательных аппаратов, то естественно их скорости должны быть больше скорости звука, то есть больше 1 М. Например у Су-27 это 2,35 М, что примерно 2 528 км/ч на высоте 10 км (скорость звука 295 м/с, а это 1062 км/ч).

Число М некоторых сверхзвуковых самолетов:

  • Су-27 — 2,35 М
  • Су-30 — 2,0 М
  • Миг-31 — 2,82 М
  • Eurofighter — 2,0 М
  • F-15 — 2,5 М
  • F-16 — 2,0 М
  • F-22 — 2,25 М
  • SR-71 — 3.3 М (3,529 км/ч)

А вот гиперзвуковые летательные аппараты:

  • Эксперементальный гиперзвуковой X-43A — 7,5 М (12 144 км/ч)
  • Эксперементальная ракета X-51 — 9,8М  (12 144 км/ч)
SR-71 — самый быстрый серийный самолет
Еще одно замечание, число М, это качественная величина, а не количественная. То есть это не скорость в чистом виде, а критерий который показывает насколько скорость объекта выше скорости звука. Зачем? Затем что дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые или гиперзвуковые скорости очень сильно отличаются по сути. Пилоту (и инженеру тоже) важно знать какой сейчас режим обтекания. Например, во многих указателях скорости есть отдельный циферблат показывающий значение числа Маха в дополнению к приборной скорости.

На картинке в начале этого повествования изображен трансзвуковой режим. Это значит, что сам самолет еще не превысил скорость звука, а на некоторых участках скорость обтекания уже достигла скорости звука. Поэтому и образовались скачки уплотнения которые хорошо видны благодаря образованию конденсата позади них.