Звуковой барьер
Этот термин встречается очень часто. Но никто на самом деле не знает, что такое звуковой барьер на самом деле. Если, конечно, не считать специалистов по аэродинамике, большинство людей понимают его неправильно. Именно из-за такого названия. К звуку оно имеет отношение, а к препятствиям — не имеет.
Что такое звуковой барьер
Первое, что нужно знать про так называемый «звуковой барьер», это то, никакого барьера физически не существует.
Из-за названия может показаться, что существует препятствие, которое мешает разогнать самолет до скорости звука, которое действительно нужно преодолевать или пробивать. Но это не так. Никакого конкретного барьера нет.
Звуковой барьер — это просто набор сложностей с которыми сталкивается самолет когда его скорость приближается к скорости звука
- Нет никакого единого значения скорости которая характеризует звуковой барьер. Для каждого самолета (и не только самолета) будет свое значение скорости, когда проявляются связанные со сверхзвуком проблемы
- Проблемы у летательного аппарата могут возникнуть еще до того, как он достигнет скорости звука
- Задача «преодоления звукового барьера» решаются по-разному. Суть этой задачи — снизить негативные последствия от сверхзвуковой скорости и не слишком сильно ухудшить характеристики дозвукового полета.
Так что же на самом деле мешает самолету преодолеть звуковой барьер? Дело в том, что при достижении скорости звука, характер обтекания воздухом самолета резко меняется. Самолет как бы попадает в другую среду где действуют другие законы.
Тут важно еще раз оговориться, именно как бы. На самом деле среда та же самая, это окружающий воздух, только поведение его уже изменилось.
Звуковой барьер и скорость
На какой скорости самолет проходит звуковой барьер? Возможно, это скорость звука? Нет, не совсем.
Дело в том, что воздух обтекает самолет в разных местах с разной скоростью. И на одних участках, это будет дозвуковая скорость, на других трансзвуковая (переход от дозвуковой скорости к сверхзвуку) а где-то еще уже сверхзвуковая.
При этом сам самолет еще не преодолел скорость звука, а на некоторых участках она уже сверхзвуковая и все вредные эффекты с этим связанные уже сказываются.
Скорость когда где-то на самолете возникает сверхзвуковое обтекания называется «критическим числом Маха»
С такими проблемами сталкивались еще винтовые самолеты времен Второй мировой войны пытаясь разогнаться до максимально-возможной скорости в пикировании. В период с 1942 по 1945 годы самолеты разгонялись до скоростей 0,85 – 0,9 Маха.
Максимальная скорость британского Spitfire составляла 717 км/час. Это намного меньше скорости звука, но в пикировании самолет разгонялся до 975 км/час.
Скорость звука измеряется в числах Маха. 1 Мах — это одна скорость звука. На разной высоте скорость звука в километрах в час разная, а в Махах всегда одна и та же. Собственно Мах, это отношение скорости самолета к скорости звука на определенной высоте.
Чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем проще разогнать самолет. Скорость звука с высотой тоже уменьшается, потому что звук, это колебания которые зависят от плотности.
- В 1942 американский истребитель P-51 «Mustang» сумели разогнать до скорости 0,85 М, это примерно 942 км/час на высоте в 9000 метров
- В 1944 году Англичане разогнались на своем на разведывательном «Spitfire» Mark XI до скорости 0,9 М, то есть есть 975 км/час
- В 1945 на немецком реактивном Me 262 была достигнута скорость в 1100 км/час . Для высоты в 6 километров, где проходил полет, скорость звука составляет — 1394 км/час. При этом, после испытаний было запрещено превышать скорость в 900 км/час из-за опасений, что пилот не справится с управлением.
Мессершмидт Me-262. Реактивный, с стреловидным крылом
Приближение к скорости звука очень плохо сказывалось на управляемости и стабильности самолета. Возникали сильные вибрации, самолет плохо слушался управления и начинал вести себя непривычно для пилота. При этом, все эти самолеты не достигли скорости звука, а только приблизились к ней.
Проблемы возникали из-за того, что поток воздуха в некоторых местах уже начинал двигаться со сверхзвуковой скоростью.
Тогда еще не было ни теории ни тем-более практики сверхзвуковых полетов авиации, хотя пули и снаряды уже давно летали со сверхзвуковой скоростью. Но на пулю измерительные приборы не приставишь. Поэтому знаний было мало, а опасностей скорость звука таила много.
Какую же скорость можно считать скоростью звукового барьера? От 1024 до 1078 км/час, то скорость между 0,95 и 1 Маха на высоте 10 километров. Если опуститься ниже, скорость звука будет выше (так как плотность воздуха больше) и это будет уже 1150 до 1210 километров в час.
Но летать со сверхзвуковой скоростью на низких высотах сложно, слишком высоко сопротивление воздуха.
Звуковой барьер простым языком
Чтобы понять что такое звуковой барьер, можно воспользоваться простым примером из жизни.
Опустите руку в воду и медленно проведите ей так, как если бы рука была самолетом, а вода воздухом. Теперь повторите то же самое но максимально быстро.
Во-первых вы ощутите сопротивление, во вторых, увидите своими глазами волну которая будет двигаться перед рукой. если при небольшой скорости волны не было (вода успевала расступаться) то при большой скорости она появилась.
Конечно вода, это не воздух, и пример выше просто аналогия, которая помогает лучше понять как скорость влияет на характер обтекания и образование ударных волн.
Проблемы сверхзвука
Первоначально в авиации столкнулись с практическими эффектами, а уже позже смогли разобраться с сутью явления. Отрицательные эффекты сверхзвуковой скорости таковы:
- Резкое повышение сопротивления*
- Увеличение нагрузки на конструкцию
- Изменение самого характера обтекания, что может повлечь тряску и потерю контроля пилотом
- Изменение аэродинамического фокуса. То есть нарушение управляемости и стабильности
- Сильный нагрев поверхности
*На дозвуковой скорости сопротивление является суммой лобового сопротивления и индуктивного сопротивления. А вот с приближением к скорости звука возникает третья составляющая — волновое сопротивление. Причем сопротивление возрастает очень сильно, скачкообразно в 2 или даже 3 раза. А вот после достижения скорости звука, сопротивление начинает падать, хотя и не опускается до дозвуковых значений.
Пилоты испытатели пытавшиеся разогнать свои машины все больше и больше в какой-то момент обнаруживали, что самолет начинает трясти и он перестает слушаться управления, норовить опустить нос и войти в штопор. В общем, даже если не развалиться от нерасчетных нагрузок, становится неуправляемым. Ну и скорость самолета почему-то перестает расти. Как будто там есть какой-то барьер.
Преодоление звукового барьера
История о том как «преодолевали» звуковой барьер поможет лучше понять, что это такое.
Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году на экспериментальном самолете с ракетным двигателем Bell X-1. Скорость звука была в горизонтальном полете, а не в пикировании. На высоте 13,7 километра, это 1 062 километра в час. Самолет преодолел звуковой барьер разогнавшись до 1066 км/час доесть до 1,04 Маха.
Важно отметить, что Bell X-1 не взлетал самостоятельно, а поднимался в небо при помощи бомбардировщика, а также что крыло его было прямым но с относительной толщиной 8%.
То есть крыло было значительно тоньше чем у дозвуковых самолетов с их средними показателем 12-15%, но все еще не стреловидным. У сверхзвуковых самолетов крыло должно быть тонким, чтобы создавать меньше сопротивления на сверхзвуковом режиме полета.
То есть первый самолет, специально созданный чтобы летать быстрее звука имел только одну характеристику, которая этому способствовала — тонкое крыло. А каким вообще должен быть самолет, чтобы летать быстрее звука?
Сверхзвуковой самолет
Итак с приближением к скорости звука меняется характеристика обтекания потоком прежде всего крыла самолета. Что же происходит на самом деле?
Взгляните на фото ниже. Нет здесь самолет не преодолевает звуковой барьер, он даже близко не приблизился к скорости звука. Просто это ото дает понять что происходит с воздушным потоком на разных частях самолета.
Это еще не сверхзвук. При сверхзвуковой скорости скачки уплотнения будут гораздо больше
Эти белые клинья образовались потому, что скорость движения воздуха стала именно в этих местах больше чем в других и образовался скачок уплотнения.
Белая область — это зона разряжения сразу за этим скачком, там воздух разряжен поэтому образовался пар и мы видим белый клин.
Скачок уплотнения и ударная волна
Как образуется ударная волна при сверхзвуковом полете. Все просто. Самолет создает вокруг себя возмущение, простыми словами раздвигает воздух, когда летит, так же как и камень брошенный в воду раздвигает воду перед собой.
Так возникает ударная волна
Эти возмущения распространяются во все стороны в виде волны. Скорость этой волны — это скорость звука. Ведь звук это просто колебания воздуха, и распространяются они… со скоростью звука.
Когда скорость полета меньше скорости звука, волна созданная его движением движется быстрее самого самолета. А вот когда самолет приближается к скорости звука, волна уже не успевает «убежать».
Эти волны накладываются одна на другую и создают тот самый скачок уплотнения, другими словами ударную волну.
Ударные волны пули 9 мм калибра. Так как нос у пули тупой, впереди нее движется «отсоединенный скачок уплотнения» он создает самое большое сопротивление
Получается что самолет тянет за собой несколько ударных волн позади которых создается разрежение это и увеличивает сопротивление при сверхзвуковом полете. Естественно, это очень упрощенное объяснение физики процесса. Просто чтобы понять в чем суть ударной волны.
Волновой кризис
Еще один термин касающийся преодоления скорости звука. Волновой кризис, это этап перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости.
Тот момент когда возникают ударные волны, аэродинамический фокус из-за этого смещается назад (самолет начинает затягивать в пикирование, так как аэродинамический фокус это сила тянущая вверх, а сила тяжести тянет в низ и момент этих сил заставляет самолет «клевать носом»), возникает вибрация, теряется управление…
Но вот когда самолет все-таки преодолевает скорость звука, обтекание нормализуется (хотя ударные волны никуда не исчезают) и поведение самолета становится более предсказуемым.
Так выглядят ударные волны истребителя F-15 при сверхзвуковом полете
Именно с волновым кризисом сталкивались пилоты Второй мировой пытаясь разогнаться больше. Аэродинамика их самолетов была оптимизирована для дозвукового полета, поэтому волновой кризис наступал гораздо раньше чем достигалась скорость звука.
То есть проблема преодоления звукового барьера не в том, что скорость звука, это препятствие, а в том, что при приближение к скорости звука возникает опасное явление — волновой кризис. И задача конструктора в том, чтобы:
- Снизить влияние волнового кризиса на самолет
- Оптимизировать аэродинамику для сверхзвукового полета
- Сохранить возможность нормально летать на дозвуковой скорости
Нужен компромисс, ведь самолет взлетает и садится, и все это на дозвуковой скорости.
Так каким должен быть самолет, чтобы преодолеть звуковой барьер и иметь возможность лететь на сверхзвуковой скорости?
Есть несколько требований к конструкции:
- Короткое, тонкое стреловидное крыло
- Острые кромки крыла, острый нос
- Использование правила площадей**
- Воздухозаборники двигателей специальной конструкции
**Правило площадей означает, что чтобы снизить сопротивление площадь сечения самолета должна быть одинаковой. Например там где есть крыло, фюзеляж делают тоньше, чтобы суммарная площадь не менялась.
Это SR-71 он разгонялся до скорости в 3 Маха и это была его нормальная крейсерская скорость.
Взгляните на фото выше, SR-71 мог летать со скоростью в 3 раза выше скорости звука весь его облик говорит о том, что это очень быстрый самолет.
Все современные истребители могут летать быстрее скорости звука, но только некоторые могут делать это без использования форсажа. Возможность крейсерского сверхзвука это одно из требований к самолетам пятого поколения. Ведь на форсаже расходуется очень много топлива, пользоваться им можно буквально несколько минут. Запас керосина не бесконечен.
По взгляду на самолет легко можно сказать, создавался ли он в расчете на сверхзвуковую скорость.
Все современные пассажирские самолеты дозвуковые а Конкорд и Ту-144 от них отличаются очень сильно. У них короткое и тонкое крыло сверхкритического профиля, острые носы и узкий фюзеляж. Все для того чтобы иметь возможность постоянно поддерживать сверхзвуковую скорость.
Преодоление звукового барьера и хлопок
Есть мнение, что в момент, когда самолет преодолевает звуковой барьер раздается хлопок или взрыв. Но нет. Звук, конечно есть, но это не звук преодоления звукового барьера.
На самом деле это ударная волна, которая добралась до наблюдателя на земле. Добралась и покатилась дальше. Самолет «тянет» за собой эту ударную волну все время полета на сверхзвуковой скорости. Даже после того как «преодолел» или «превысил» звуковой барьер.
Сверхзвуковым пассажирским самолетам Ту-144 и Конкорд запрещалось развивать скорость звука над населенными областями, людям очень некомфортно слышать ударную волну. Поэтому сверхзвуковую скорость они развивали над морем, где некому жаловаться на шум.
Можно ли превысить скорость звука без образования ударной волны? Нет, но можно снизить ее интенсивность и сделать самолет тише.
Максимально тихий сверхзвуковой самолет. Поэтому такой узкий и тонкий
Над этим работает компания Локхид мартин в проекте X-59 QueSST. Это будет малошумный сверхзвуковой пассажирский самолет. Именно поэтому его сделали таким длинным и узким, чтобы уменьшить ударные волны на сверхзвуковом режиме полета.
Его создатели хотят добиться такого низкого шума, чтобы этому летательному аппарату позволили летать над городами.
Что такое звуковой барьер
Это просто яркий образ для описания сложных аэродинамических процессов. На самом деле никакого барьера нет, есть набор задач, которые должен решит конструктор самолета и среди них нет такой как «преодолеть звуковой барьер».
Инженер просто подгоняет конструкцию так, чтобы самолет по возможности одинаково хорошо себя вел и на дозвуковой и на сверхзвуковой скорости.
А барьер, он как бы есть, ведь сопротивление все таки резко возрастает, и волновой кризис наступает и… но все же никакого барьера не существует, просто красивая абстракция.
