Was ist eine Schallmauer. Durchbrechen der Schallmauer. Wer hat als Erster die Schallmauer durchbrochen? Schallschrankengeschwindigkeit

Der erste Pilot, der die Schallmauer durchbrach, war Charles Yeager, der im Herbst 1947 eine Bell X-1 flog. In der Sowjetunion wurde diese Leistung von den Piloten Fedorov und Sokolovsky wiederholt, die einen LA-176-Jäger in einer Höhe von mehr als 15.000 Metern steuerten. Die Überschallgeschwindigkeit des Schiffes betrug 1104 km / h, mit der es ohne Auftanken etwa tausend Kilometer zurücklegen konnte. Die Machzahl ist das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit, mit der das Flugzeug fliegt. Benannt nach dem berühmten österreichischen Physiker Ernst Maievsky, der die Ursachen von Stoßwellen und aerodynamischen Prozessen bei der Überschallbewegung von Körpern untersuchte.

Was ist eine Schallmauer?

Die Schallmauer in der Aerodynamik bezieht sich auf eine Reihe von Phänomenen, die die Bewegung eines Flugzeugs mit Schallgeschwindigkeit (340 m / s) oder höher begleiten. Ein Überschallknall entsteht durch Druckstöße und wird von einem „Knall“ begleitet, der vom Betrachter als Explosionsgeräusch wahrgenommen wird. Durch die Wellenkrise ändert sich die Art der Umströmung des Flugzeugs, es treten Schwingungen auf, Aufzug und der frontale Widerstand wächst.

Die Notwendigkeit, die Schallmauer zu überwinden, entstand während des Zweiten Weltkriegs, als viele Piloten bemerkten, dass eine Erhöhung der Geschwindigkeit eines Jägers seine Steuerbarkeit und eine Reihe anderer wichtiger Eigenschaften wie die Einstellung von Querrudern und Luftrudern verschlechterte. Piloten von Kolbenflugzeugen, die versuchten, Höchstgeschwindigkeiten zu entwickeln, waren unweigerlich mit einer Wellenkrise konfrontiert, aus der es nicht möglich war, ohne einen Tauchgang auszusteigen.

Eine wesentliche Rolle bei der Problematik der Erklärung und Überwindung der Schallmauer spielten wissenschaftliche Arbeit widmet sich der Erforschung der Überschall-Gasbewegung.

Während sich das Flugzeug mit niedriger Geschwindigkeit (bis zu 420 km / h) in einer Höhe von bis zu 3 Tausend Metern bewegt, ist es recht einfach, die genauen Flugparameter zu berechnen. Beim Überwinden der Schallmauer durch ein Flugzeug sinkt jedoch nicht nur die Temperatur über Bord, sondern auch die Dichte der Luftumgebung. Wenn die Instrumente in einer Höhe von 2.000 Metern und 10.000 Metern äquivalente Geschwindigkeitsmesswerte anzeigen, ist die tatsächliche Geschwindigkeit in dünner Luft höher.

Der Wert der Überschallfluggeschwindigkeit

Bei Schallgeschwindigkeit ist der Luftraum nicht mehr homogen und behindert die Bewegung von langsamen Flugzeugen stark. Es entsteht eine Umgebung, in der Stoßwellen und Veränderungen in der Art der Umströmung des Flugzeugs auftreten, was die Voraussetzungen für eine Wellenkrise schafft. Eine Stoßwelle erhöht die Entropie des Gases, die beim Passieren der Schallmauer abnimmt.

Merkmale des Überschallfluges

Der Übergang zur Überschallgeschwindigkeit wird von einer Stoßwelle begleitet, die sich aus der Druckdifferenz ergibt. Wenn es länger als eine Sekunde dauert, kann der Rumpf des Schiffes solchen Belastungen nicht standhalten, was zum Wrack führt. Schaut man sich im Video das Flugzeug an, das die Schallmauer überwindet, wird man feststellen, dass fast das gesamte Glas von auf der Erdoberfläche befindlichen Wohngebäuden durch die Stoßwelle zerstört wird.

Nachdem es dem amerikanischen Piloten Charles Yeager zum ersten Mal gelungen war, die Schallmauer zu überwinden, war er von der „göttlichen Stille“ beeindruckt, die im Cockpit herrschte. In dem Moment, in dem der Pfeil des Makhmeters die Marke 1.0 passiert, nimmt der Schalldruck im Inneren des Schiffes merklich ab. Allerdings steigt die Gefahr einer Verformung des Rumpfes und anderer Teile des Flugzeugs.

Die Energieindikatoren (Intensität) des Schocks werden durch die Umgebungsbedingungen beeinflusst, Design-Merkmale das Flugzeug und die Geschwindigkeit seiner Bewegung. Die Piloten der Hyperschall-Passagierflugzeuge Concorde und TU-144 durften die Schallmauer ausschließlich über der Meeresoberfläche in einem Luftraum überwinden, der mehrere tausend Meter höher ist als die Bewegungshöhe von Standard-Zivilflugzeugen.

Haben Sie schon einmal das Knallen eines Flugzeugs gehört, das eine Überschallbarriere überquert?

JawohlNein

Was passiert mit dem Flugzeug, wenn es die Schallmauer überquert?

Was passiert mit dem Flugzeug, wenn es die Schallgeschwindigkeit erreicht? Es beginnt die Bildung von Stoßwellen, die im Heckbereich des Flugzeugs, in den Hinter- und Vorderkanten sowie an der Rumpfspitze auftreten. Die Stoßwelle hat eine sehr geringe Dicke und die Stoßfront ist durch dramatische Änderungen der Fließeigenschaften gekennzeichnet. Seine Geschwindigkeitsindikatoren nehmen im Verhältnis zum Körper ab und die Geschwindigkeit nimmt Unterschalleigenschaften an. Kinetische Energie wird teilweise in gasförmige (innere) Energie umgewandelt.

Das Klappern eines Überschallflugzeugs ist ein „Überschallknall“, der aufgrund von Luftdruckstößen auftritt. Das Klatschen entsteht durch den Durchgang der Hauptwelle und wird vom Hörer jedes Mal wahrgenommen, wenn das Flugzeug über seinen Kopf fliegt.

Das Ausmaß solcher Änderungen ist direkt proportional zur Geschwindigkeit der Hyperschallströmung. Die Mach-Zahl überschreitet in diesem Fall 5, und die Temperaturindikatoren nehmen stark zu, was eine Reihe von Problemen für Flugzeuge verursacht, die sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegen. Schäden an den Hitzeschilden lösten 2003 den Absturz der wiederverwendbaren Raumfähre Columbia der NASA aus. Das Shuttle trat zur Landung in die Erdatmosphäre ein und wurde durch eine Stoßwelle mit hoher Kraft beschädigt.

Russisches Überschall-Passagierflugzeug

Das erste Passagierflugzeug, das die Schallmauer durchbrach, war die Tu-144, die von Ingenieuren des Tupolev-Designbüros entwickelt wurde. Um die Schallmauer zu überwinden, wurde der Liner in Form eines schwanzlosen Tiefdeckers ausgeführt, der mit zusätzlichen Kraftwerke... Der TU-144 wurden die für Flugzeuge der vorherigen Generation üblichen Klappen und Vorflügel beraubt, und der Übergang in den Hyperschallmodus erfolgte dank eines komplexen Verfahrens zur Umverteilung des Kraftstoffs auf die hinteren Zentriertanks.

Walküre Überschall-Höhenbomber

Der Höhenbomber Valkyrie XB-70, der eine Geschwindigkeit von über drei Machs (3673 km / h) entwickelt und auf eine Höhe von über 20.000 Metern aufsteigt, überwindet problemlos die Schallmauer. Um mit Überschallgeschwindigkeit zu reisen, waren die Konstrukteure gezwungen, das Abfluggewicht zu reduzieren und das Flugzeug auch auf ein Pentaboran (Borwasserstoff-Kraftstoffgemisch) mit erhöhter Verbrennungsenergie umzustellen. Der Bomber ist ein schwanzloser Bomber aus hochfestem Werkzeugstahl.

Warum fliegt das Flugzeug mit einem explosiven Knall über die Schallmauer? Und was ist eine "Schallmauer"?

Es gibt ein Missverständnis mit „klatschen“, verursacht durch ein Missverständnis des Begriffs „Schallmauer“. Dieses "Klatschen" wird korrekterweise "Überschallknall" genannt. Ein Flugzeug, das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, erzeugt Stoßwellen in der umgebenden Luft, Sprünge im Luftdruck. Vereinfacht kann man sich diese Wellen in Form eines den Flug des Flugzeugs begleitenden Kegels vorstellen, wobei die Spitze sozusagen an der Nase des Rumpfes befestigt ist und sich gegen die Bewegung des Flugzeugs gerichtete Generatoren ziemlich weit ausbreiten, zum Beispiel auf die Erdoberfläche.

Wenn die Grenze dieses imaginären Kegels, die die Vorderseite der Hauptschallwelle markiert, das menschliche Ohr erreicht, wird ein starker Drucksprung als Klatschen wahrgenommen. Ein Überschallknall begleitet, wie ein gefesselter, den gesamten Flug des Flugzeugs, vorausgesetzt, das Flugzeug bewegt sich schnell genug, wenn auch mit konstanter Geschwindigkeit. Ein Klatschen hingegen scheint der Durchgang der Hauptwelle eines Schallknalls über einen festen Punkt auf der Erdoberfläche zu sein, wo sich beispielsweise der Hörer befindet.

Mit anderen Worten, wenn ein Überschallflugzeug mit konstanter, aber Überschallgeschwindigkeit anfing, über den Hörer hin und her zu fliegen, würde das Knallen jedes Mal gehört werden, einige Zeit nachdem das Flugzeug den Hörer in relativ geringer Entfernung überflogen hatte.

Eine "Schallmauer" in der Aerodynamik ist ein starker Sprung des Luftwiderstands, der auftritt, wenn das Flugzeug eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit erreicht. Wenn diese Geschwindigkeit erreicht ist, ändert sich die Art der Luftströmung um das Flugzeug dramatisch, was es zu einer Zeit sehr schwierig machte, Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen. Ein gewöhnliches Unterschallflugzeug ist nicht in der Lage, konstant schneller als der Schall zu fliegen, egal wie beschleunigt es ist - es verliert einfach die Kontrolle und fällt auseinander.

Um die Schallmauer zu überwinden, mussten die Wissenschaftler einen Flügel mit einem speziellen aerodynamischen Profil entwickeln und sich andere Tricks einfallen lassen. Interessant ist, dass der Pilot eines modernen Überschallflugzeugs die „Überwindung“ der Schallmauer durch sein Flugzeug wohlfühlt: Beim Umschalten auf Überschallströmung sind ein „aerodynamischer Aufprall“ und charakteristische „Sprünge“ in der Steuerbarkeit zu spüren. Aber diese Prozesse stehen nicht in direktem Zusammenhang mit den „Pops“ vor Ort.

Bevor das Flugzeug die Schallmauer durchbricht, kann sich eine ungewöhnliche Wolke bilden, deren Ursprung noch unklar ist. Nach der gängigsten Hypothese tritt in der Nähe der Ebene ein Druckabfall auf und ein sogenannter Prandtl-Glauert-Singularität gefolgt von der Kondensation von Wassertröpfchen aus feuchter Luft. Tatsächlich sehen Sie das Kondenswasser in den Bildern unten ...

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Eine Schallmauer ist ein Phänomen, das während des Fluges eines Flugzeugs oder einer Rakete im Moment des Übergangs von Unterschall- auf Überschallfluggeschwindigkeit in der Atmosphäre auftritt. Wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs der Schallgeschwindigkeit (1200 km / h) in der Luft nähert, erscheint davor ein dünner Bereich, in dem ein starker Anstieg des Drucks und der Dichte des Luftmediums auftritt. Diese Verdichtung der Luft vor einem fliegenden Flugzeug wird als Stoßwelle bezeichnet. Am Boden wird der Durchgang einer Stoßwelle als Knall wahrgenommen, ähnlich dem Geräusch eines Schusses. Nach Überschreiten der Schallgeschwindigkeit durchquert das Flugzeug diesen Bereich erhöhter Luftdichte, als würde es ihn durchbohren - es überwindet die Schallmauer. Die Überwindung der Schallmauer schien lange Zeit ein ernsthaftes Problem in der Entwicklung der Luftfahrt zu sein. Um es zu lösen, war es notwendig, das Profil und die Form des Flugzeugflügels zu ändern (er wurde dünner und geschwungener), den vorderen Teil des Rumpfes spitzer zu machen und das Flugzeug mit Strahltriebwerken zu versorgen. Zum ersten Mal wurde die Schallgeschwindigkeit 1947 von C. Yeager an einem Bell X-1 (USA) Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk überschritten, das von einem Boeing B-29-Flugzeug gestartet wurde. In Russland überwand 1948 der Pilot O. V. Sokolovsky als erster die Schallmauer auf einem experimentellen La-176-Flugzeug mit einem Turbojet-Triebwerk.

Video.

Schallgeschwindigkeit.

Ausbreitungsgeschwindigkeit (bezogen auf das Medium) kleiner Druckstörungen. In einem perfekten Gas (zum Beispiel in Luft bei mäßigen Temperaturen und Drücken) C. h. hängt nicht von der Natur der sich ausbreitenden kleinen Störung ab und ist sowohl für monochromatische Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen () als auch für schwache Stoßwellen gleich. In einem perfekten Gas an dem betrachteten Punkt im Raum ist C. z. hängt aber nur von der Zusammensetzung des Gases und seiner absoluten Temperatur T ab:
a = (dp / d (()) 1/2 = ((() p / (()) 1/2 = ((() RT / (()) 1/2,
Dabei ist dp / d (() die Ableitung des Drucks nach der Dichte für den isentropen Prozess, (-) der adiabatische Exponent, R die universelle Gaskonstante, (-) das Molekulargewicht (in Luft a 20.1T1 / 2 m / s bei 0 (°) C a = 332 m / s).
In einem Gas mit physikalisch-chemischen Umwandlungen, beispielsweise in einem dissoziierenden Gas, C. z. wird davon abhängen, wie - im Gleichgewicht oder Nicht-Gleichgewicht - diese Prozesse in der Störungswelle ablaufen. Im thermodynamischen Gleichgewicht S. z. hängt nur von der Zusammensetzung des Gases, seiner Temperatur und seinem Druck ab. Bei einem ungleichgewichtigen Verlauf physikalischer und chemischer Prozesse findet eine Schallausbreitung statt, also S. z. hängt nicht nur vom Zustand des Mediums ab, sondern auch von der Schwingungsfrequenz (). Hochfrequente Schwingungen ((tm), ()) - Relaxationszeit) breiten sich aus dem gefrorenen S aus. z. aj, niederfrequent ((,) 0) - mit Gleichgewicht S. z. ae und aj> ae. Der Unterschied zwischen aj und ai ist normalerweise gering (in Luft bei T = 6000 (°) C und p = 105 Pa beträgt er etwa 15%). Bei S.'s Flüssigkeiten z. viel höher als in Gas (in Wasser a 1500 m / s)