Звуковий бар’єр
Цей термін зустрічається дуже часто. Але ніхто насправді не знає, що таке звуковий бар’єр. Якщо, звичайно, не брати до уваги фахівців з аеродинаміки, більшість людей розуміють його неправильно. Саме через таку назву. До звуку воно має відношення, а до перешкод не має.
Що таке звуковий бар’єр
Перше, що потрібно знати про так званий “звуковий бар’єр”, це те, що ніякого бар’єру фізично не існує.
Через назви може здатися, що існує перешкода, яка заважає розігнати літак до швидкості звуку, яку дійсно потрібно долати або пробивати. Але це не так. Жодного конкретного бар’єру немає.
Звуковий бар’єр — це просто набір складнощів з якими стикається літак, коли його швидкість наближається до швидкості звуку
- Немає жодного значення швидкості, яка характеризує звуковий бар’єр. Для кожного літака (і не тільки літака) буде своє значення швидкості, коли виявляються пов’язані із надзвуком проблеми
- Проблеми літального апарату можуть виникнути ще до того, як він досягне швидкості звуку
- Завдання “подолання звукового бар’єру” вирішується по-різному. Суть цього завдання — знизити негативні наслідки від надзвукової швидкості та не надто погіршити характеристики дозвукового польоту.
Так що насправді заважає літаку подолати звуковий бар’єр? Справа в тому, що при досягненні швидкості звуку характер обтікання повітрям літака різко змінюється. Літак ніби потрапляє в інше середовище, де діють інші закони.
Тут важливо ще раз обмовитися, саме ніби. Насправді середовище те саме, це навколишнє повітря, тільки поведінка його вже змінилася.
Звуковий бар’єр та швидкість
На якій швидкості літак проходить звуковий бар’єр? Можливо, це швидкість звуку? Ні, не зовсім.
Справа в тому, що повітря обтікає літак в різних місцях з різною швидкістю. І на одних ділянках, це буде дозвукова швидкість, на інших трансзвукова (перехід від дозвукової швидкості до надзвуку), а десь ще надзвукова.
При цьому сам літак ще не подолав швидкість звуку, а на деяких ділянках вона вже надзвукова і всі шкідливі ефекти з цим пов’язані вже позначаються.
Швидкість колись десь на літаку виникає надзвукове обтікання називається “критичним числом Маха”
З такими проблемами стикалися ще гвинтові літаки часів Другої світової війни намагаючись розігнатися до максимально-можливої швидкості в пікіруванні. У період із 1942 по 1945 роки літаки розганялися до швидкостей 0,85 – 0,9 Маха.
Максимальна швидкість британського Spitfire складала 717 км/година. Це набагато менше швидкості звуку, але в пікіруванні літак розганявся до 975 км/год.
Швидкість звуку вимірюється в числах Маха. 1 Мах – це одна швидкість звуку. На різній висоті швидкість звуку в кілометрах на годину різна, а в Махах завжди та сама. Власне Мах це ставлення швидкості літака до швидкості звуку на певній висоті. Швидкості вище 5 М називаються гіперзвуковими.
Чим вище, тим менша щільність повітря і тим простіше розігнати літак. Швидкість звуку з висотою теж зменшується, тому що звук це коливання які залежать від щільності.
- У 1942 американський винищувач P-51 “Mustang” зуміли розігнати до швидкості 0,85 М, це приблизно 942 км/год на висоті 9000 метрів
- У 1944 році Англійці розігналися на своєму на розвідувальному “Spitfire” Mark XI до швидкості 0,9 М, тобто 975 км/год
- У 1945 році на німецькому реактивному Me 262 була досягнута швидкість в 1100 км/год. Для висоти 6 кілометрів, де проходив політ, швидкість звуку становить — 1394 км/год. При цьому, після випробувань було заборонено перевищувати швидкість 900 км/год через побоювання, що пілот не впорається з керуванням.
Мессершмідт Me-262. Реактивний, зі стрілоподібним крилом
Наближення до швидкості звуку дуже погано позначалося на керованості та стабільності літака. Виникали сильні вібрації, літак погано слухався управління і починав поводитися незвично для пілота. При цьому всі ці літаки не досягли швидкості звуку, а тільки наблизилися до неї.
Проблеми виникали через те, що потік повітря в деяких місцях вже починав рухатися з надзвуковою швидкістю.
Тоді ще не було ні теорії ні тим більше практики надзвукових польотів авіації, хоча кулі і снаряди вже давно літали з надзвуковою швидкістю. Але на кулю вимірювальні прилади не приставиш. Тому знань було мало, а небезпек швидкість звуку таїла багато.
Яку ж швидкість можна вважати швидкістю звукового бар’єру? Від 1024 до 1078 км/год, то швидкість між 0,95 і 1 махом на висоті 10 кілометрів. Якщо опуститися нижче, швидкість звуку буде вищою (оскільки щільність повітря більша) і це буде вже 1150 до 1210 кілометрів на годину.
Але літати з надзвуковою швидкістю на низьких висотах складно, занадто високий опір повітря.
Проблеми надзвуку
Спочатку в авіації зіткнулися з практичними ефектами, а вже пізніше змогли розібратися з суттю явища. Негативні ефекти надзвукової швидкості такі:
- Різке підвищення опору*
- Збільшення навантаження на конструкцію
- Зміна характеру обтікання, що може спричинити тряску і втрату контролю пілотом
- Зміна аеродинамічного фокусування. Тобто порушення керованості та стабільності
- Сильний нагрів поверхні
*На дозвуковій швидкості опір є сумою лобового опору та індуктивного опору. А ось з наближенням до швидкості звуку виникає третя складова хвильовий опір. Причому опір зростає дуже сильно, стрибкоподібно у 2 або навіть 3 рази. А ось після досягнення швидкості звуку опір починає падати, хоча і не опускається до дозвукових значень.
Пілоти випробувачі намагалися розігнати свої машини все більше і більше в якийсь момент виявляли, що літак починає трясти і він перестає слухатися керування, норовити опустити ніс і увійти в штопор.
Загалом, навіть якщо не розвалитися від нерозрахункових навантажень стає некерованим. Ну і швидкість літака чомусь перестає зростати. Начебто там є якийсь бар’єр.
Подолання звукового бар’єру
Історія про те, як “подолали” звуковий бар’єр допоможе краще зрозуміти, що це таке.
Вперше звуковий бар’єр був подоланий в 1947 році на експериментальному літаку з ракетним двигуном Bell X-1. Швидкість звуку була в горизонтальному польоті, а не в пікіруванні. На висоті 13,7 кілометра, це 1062 кілометри на годину. Літак подолав звуковий бар’єр, розігнавшись до 1066 км/год доїсти до 1,04 Маха.
Важливо відзначити, що Bell X-1 не злітав самостійно, а піднімався в небо за допомогою бомбардувальника, а також що крило його було прямим але з відносною товщиною 8%.
Тобто крило було значно тонше ніж у дозвукових літаків з їх середніми показником 12-15%, але все ще не стрілоподібним. У надзвукових літаків крило має бути тонким, щоб створювати менше опору на надзвуковому режимі польоту.
Тобто перший літак, спеціально створений щоб літати швидше за звук мав тільки одну характеристику, яка цьому сприяла — тонке крило. А яким взагалі має бути літак, щоб літати швидше за звук?
Надзвуковий літак
Таким чином з наближенням до швидкості звуку змінюється характеристика обтікання потоком насамперед крила літака. Що ж відбувається насправді?
Погляньте на фото нижче. Ні тут літак не долає звукового бар’єру, він навіть близько не наблизився до швидкості звуку. Просто це дає зрозуміти що відбувається з повітряним потоком на різних частинах літака.
Це ще не надзвук. При надзвуковій швидкості стрибки ущільнення буде набагато більше
Ці білі клини утворилися тому, що швидкість руху повітря стала саме в цих місцях більше ніж в інших і утворився стрибок ущільнення.
Біла область — це зона розрядження відразу за цим стрибком, там повітря розряджене тому утворилася пара і ми бачимо білий клин.
Стрибок ущільнення та ударна хвиля
Як утворюється ударна хвиля при надзвуковому польоті. Все просто. Літак створює навколо себе обурення, простими словами розсуває повітря, коли летить, як і камінь кинутий у воду розсовує воду перед собою.
Так виникає ударна хвиля
Ці обурення поширюються на всі боки у вигляді хвилі. Швидкість цієї хвилі – це швидкість звуку. Адже звук це просто коливання повітря, і вони поширюються… зі швидкістю звуку.
Коли швидкість польоту менша за швидкість звуку, хвиля створена його рухом рухається швидше самого літака. А от коли літак наближається до швидкості звуку, хвиля вже не встигає “втекти”.
Ці хвилі накладаються одна на одну і створюють цей стрибок ущільнення, тобто ударну хвилю.
Ударні хвилі кулі 9 мм калібру. Так як ніс у кулі тупий, попереду її рухається “від’єднаний стрибок ущільнення” він створює найбільший опір
Виходить що літак тягне за собою кілька ударних хвиль позаду яких створюється розрідження і збільшує опір при надзвуковому польоті. Звичайно, це дуже спрощене пояснення фізики процесу. Просто щоб зрозуміти у чому суть ударної хвилі.
Хвильова криза
Ще один термін, що стосується подолання швидкості звуку. Хвильова криза, це етап переходу від дозвукової до надзвукової швидкості.
Той момент коли виникають ударні хвилі, аеродинамічний фокус через це зміщується назад (літак починає затягувати в пікірування, так як аеродинамічний фокус це сила тягне вгору, а сила тяжіння тягне вниз і момент цих сил змушує…
Але коли літак таки долає швидкість звуку, обтікання нормалізується (хоча ударні хвилі нікуди не зникають) і поведінка літака стає більш передбачуваною.
Так виглядають ударні хвилі винищувача F-15 при надзвуковому польоті
Саме з хвильовою кризою стикалися пілоти Другої світової намагаючись розігнатися більше. Аеродинаміка їх літаків була оптимізована для дозвукового польоту, тому хвилева криза наступала набагато раніше, ніж досягалася швидкість звуку.
Тобто проблема подолання звукового бар’єру не в тому, що швидкість звуку, це перешкода, а в тому, що при наближенні до швидкості звуку виникає небезпечне явище – хвильова криза. І завдання конструктора в тому:
- Зменшити вплив хвильової кризи на літак
- Оптимізувати аеродинаміку для надзвукового польоту
- Зберегти можливість нормально літати на дозвуковій швидкості
Потрібен компроміс, адже літак злітає і сідає, і все це на дозвуковій швидкості.
Так яким повинен бути літак, щоб подолати звуковий бар’єр і мати можливість летіти на надзвуковій швидкості?
Є кілька вимог до конструкції:
- Коротке, тонке стрілоподібне крило
- гострі кромки крила, гострий ніс
- Використання правила площ**
- Повітрозабірники двигунів спеціальної конструкції
**Правило площ означає, що щоб знизити опір площа перерізу літака повинна бути однаковою. Наприклад, там де є крило, фюзеляж роблять тонше, щоб сумарна площа не змінювалася.
Це SR-71 він розганявся до швидкості в 3 Маха і це була його нормальна крейсерська швидкість.
Погляньте на фото вище, SR-71 міг літати зі швидкістю в 3 рази вище за швидкість звуку весь його вигляд говорить про те, що це дуже швидкий літак.
Всі сучасні винищувачі можуть літати швидше за швидкість звуку, але тільки деякі можуть робити це без використання форсажу. Можливість крейсерського надзвуку є однією з вимог до літаків п’ятого покоління. Адже на форсажі витрачається багато палива, користуватися ним можна буквально кілька хвилин. Запас гасу не нескінченний.
За поглядом на літак легко можна сказати, чи створювався він у розрахунку на надзвукову швидкість.
Всі сучасні пасажирські літаки дозвукові а Конкорд і Ту-144 від них відрізняються дуже сильно. У них коротке та тонке крило надкритичного профілю, гострі носи та вузький фюзеляж. Все для того, щоб мати можливість постійно підтримувати надзвукову швидкість.
Подолання звукового бар’єру та бавовна
Є думка, що в момент, коли літак долає звуковий бар’єр лунає бавовна або вибух. Але немає. Звук, звичайно, є, але це не звук подолання звукового бар’єру.
Насправді це ударна хвиля, яка дісталася спостерігача на землі. Дісталася і покотилася далі. Літак “тягне” за собою цю ударну хвилю весь час польоту на надзвуковій швидкості. Навіть після того, як “подолав” або “перевищив” звуковий бар’єр.
Надзвуковим пасажирським літакам Ту-144 і Конкорд заборонялося розвивати швидкість звуку над населеними областями, людям дуже некомфортно чути ударну хвилю. Тому надзвукову швидкість вони розвивали над морем, де нема кому скаржитися на шум.
Чи можна перевищити швидкість звуку без утворення ударної хвилі? Ні, але можна знизити її інтенсивність і зробити літак тихішим.
М Максимально тихий надзвуковий літак. Тому такий вузький та тонкий
Над цим працює компанія Локхід Мартін у проекті X-59 QueSST. Це буде малошумний надзвуковий пасажирський літак. Саме тому його зробили таким довгим та вузьким, щоб зменшити ударні хвилі на надзвуковому режимі польоту.
Його творці хочуть досягти такого низького шуму, щоб цьому літальному апарату дозволили літати над містами.
Що таке звуковий бар’єр
Це просто яскравий образ для опису складних аеродинамічних процесів. Насправді ніякого бар’єру немає, є набір завдань, які має вирішити конструктор літака і серед них немає такого, як “подолати звуковий бар’єр”.
Інженер просто підганяє конструкцію так, щоб літак по можливості однаково добре поводився і на дозвуковій і на надзвуковій швидкості.
А бар’єр, він як би є, адже опір все-таки різко зростає, і хвильова криза настає і… але все ж таки ніякого бар’єру не існує, просто красива абстракція.
