Швидкість звуку та число М

Для початку давайте з’ясуємо, надзвукова швидкість — це скільки у км/год? Якою має бути швидкість, щоб вважатися надзвуковою? Проблема в тому, що простої та однозначної відповіді на це питання… Просто немає.

Є правильна відповідь — більше 1 М. Або Число Маха дорівнює одиниці, це швидкість звуку, а вище одиниці, це вже надзвук.

Це приклад місць появи локальних зон прискорення потоку повітря. швидкість літака ще дозвукова.

Зовсім не звичне нам число, виражене в кілометрах на годину. Якщо спростити, то пояснити можна так:

Швидкість звуку залежить про властивості середовища в якому він поширюється, чим щільніше середовище, тим швидше поширюються коливання (звук це хвиля).

Таким чином, на різній висоті швидкість звуку в повітрі різна. Чим вище, тим менша щільність повітря і тим нижчою буде місцева швидкість звуку.

Що таке швидкість звуку

Швидкість звуку в кілометрах на годину не виражається просто тому, що в такому випадку вона завжди буде різною.

Залежність швидкості звуку від висоти польоту

Наприклад, швидкість звуку біля землі (на висоті 0 км) складе 340 метрів за секунду (м/с), це 1224 км/год. І тут важливо сказати що таке значення буде: при температурі +15 і тиску 750 мм. рт. ст. та відносної вологості 0%. Тобто за “стандартних” умов.

А ось на висоті 10 000 метрів, на якій літають сучасні пасажирські лайнери, це вже близько 299 м/с (це 1076 км/год), тобто різниця досить значна — 12%.

Також від висоти польоту та інших параметрів атмосфери залежить і швидкість звуку, і опір повітря і, відповідно, швидкість літака, яку він може розвинути.

Швидкість звуку на висоті 11 кілометрів і вище майже не змінюватиметься, ця частина атмосфери називається “тропопауза”.

Те саме у вигляді таблиці

Залежність швидкості звуку від висоти*

*Хвилинка занудства. Насправді швидкості звуку від висоти залежить умовно, це спрощення. Швидкість звуку залежить від щільності атмосфери, а щільність повітря, у свою чергу, залежить від температури, вологості та тиску, які змінюються з висотою.

Навіщо потрібно число Маха

Так ось, число Маха в авіації це — співідношення швидкості літального апарата до швидкості звуку на тій висоті, на якій він зараз летить. Так зручніше, адже на різній висоті швидкість звуку буде різною і щоб розуміти, чи досягає літак швидкості звуку, його швидкість вимірюють у числах М.

Один мах, це просто — 1 мах, а не “км/год”. Не можна просто відповісти на питання “скільки 1 мах у кілометрах на годину”, потрібно завжди уточнювати, про яку висоту йдеться.

Якщо простіше, число М показує скільки швидкостей звуку у швидкості літака зараз на конкретній висоті (за певних умов середовища). Якщо число Маха більше одиниці, очевидно, ми маємо справу із надзвуковою швидкістю. Тому найчастіше ви зустрічатимете пояснення для якої висоти вказано конкретне число Маха.

Наприклад, для Боїнга 777 крейсерською швидкістю вважається 0,84 М (це дозвуковий літальний апарат). Тобто на висоті 10 000 метрів за стандартних умов, приймаючи швидкість звуку за 1076 км/год, множимо її на 0,84 і отримуємо — 904 км/год. За документацією крейсерська швидкість Boeing 777 становить 905 км/год.

Що стосується надзвукових літальних апаратів, то, за визначенням, їх швидкості повинні бути більшими за швидкість звуку, тобто більше 1 М. Наприклад у Су-27 це 2,35 М, що приблизно 2 528 км/год на висоті 10 км (швидкість звуку 295 м/с, а це 1062 км/год).

Швидкість М деяких надзвукових літаків:

• SR-71 — 3,3 М (3529 км/год)
• Міг-31 — 2,82 М
• Су-27 — 2,35 М
• F-15 — 2,5 М
• F-22 — 2,25 М
• Су-30 — 2,0 М
• Eurofighter — 2,0 М
• F-16 — 2,0 М

А ось гіперзвукові літальні апарати:

• Експерементальний гіперзвуковий X-43A — 7,5 М (12 144 км/год)
• Експерементальна гіперзвукова крилата ракета X-51 — 9,8М (12 144 км/год)

SR-71 – найшвидший серійний літак

Ще одне зауваження, число Маха в авіації, це якісна величина, а не кількісна. Тобто це не швидкість у чистому вигляді, а критерій, який показує наскільки швидкість об’єкта вища за швидкість звуку. Навіщо? Тому, що дозвукові, трансзвукові, надзвукові або гіперзвукові швидкості дуже сильно відрізняються по суті.

Пілоту (і інженеру також) важливо знати який у нього зараз режим обтікання літака (дозвуковий, трансзвуковий або надзвуковий). Наприклад, у багатьох покажчиках швидкості є окремий циферблат, що показує значення числа Маха на додаток до приладової швидкості.

На картинці на початку цієї розповіді зображено трансзвуковий режим. Це означає, що сам літак ще не перевищив швидкість звуку, а на деяких його ділянках (на фото це дуже добре видно по білих “клинах”) швидкість обтікання вже досягла швидкості звуку.

Тому і утворилися стрибки ущільнення, які добре видно завдяки утворенню конденсату позаду них. Ось чому, число Маха таке важливе.