Mis on helitõke. Helitõkke murdmine. Kes murdis esimesena helibarjääri? Helitõkke kiirus

Esimene piloot, kes ületas helibarjääri, oli Charles Yeager, kes lendas Bell X-1-ga 1947. aasta sügisel. Nõukogude Liidus kordasid seda saavutust piloodid Fedorov ja Sokolovski, juhtides hävitajat LA-176 enam kui 15 tuhande meetri kõrgusel. Aluse ülehelikiirus oli 1104 km / h, millega suudeti ilma tankimata läbida umbes tuhat kilomeetrit. Machi arv on helikiiruse ja õhusõiduki liikumiskiiruse suhe. Nime saanud kuulsa Austria füüsiku Ernst Maievsky järgi, kes uuris lööklainete põhjuseid ja aerodünaamilisi protsesse kehade ülehelikiirusel.

Mis on helitõke?

Helitõke aerodünaamikas viitab mitmetele nähtustele, mis kaasnevad õhusõiduki liikumisega helikiirusel (340 m / s) või kõrgemal. Helirõhk tekib rõhutõusude tõttu ja sellega kaasneb pauk, mida vaatleja tajub plahvatusena. Lainekriisi tagajärjel muutub lennuki voolu olemus, ilmuvad vibratsioonid, tõsta ja eesmine vastupanu kasvab.

Vajadus ületada helibarjäär tekkis Teise maailmasõja ajal, kui paljud piloodid märkasid, et hävitaja kiiruse suurenemine halvendab selle juhitavust ja mitmeid muid olulisi omadusi, nagu näiteks eleroonide ja õhutüüride reguleerimine. Maksimaalseid kiirusi püüdvad kolb-tüüpi lennukite piloodid seisid paratamatult silmitsi lainekriisiga, millest polnud võimalik ilma sukeldumiseta välja tulla.

Olulist rolli mängis helibarjääri selgitamise ja ületamise probleem teaduslikku tööd pühendatud ülehelikiirusega gaasi liikumise uurimisele.

Kuigi lennuk liigub väikese kiirusega (kuni 420 km / h) kuni 3 tuhande meetri kõrgusel, on täpsete lennuparameetrite arvutamine üsna lihtne. Lennukiga müratõkke ületamise korral ei lange aga mitte ainult temperatuur üle parda, vaid ka õhukeskkonna tihedus. Kui instrumendid näitavad samaväärseid kiiruse näiteid 2000 meetri ja 10 000 meetri kõrgusel, on tegelik kiirus õhuruumis suurem.

Ülehelikiirusega lennukiiruse väärtus

Helikiirusel lakkab õhuruum olemast homogeenne ja takistab suuresti madala kiirusega lennukite liikumist. Luuakse keskkond, kus tekivad lööklained ja õhusõiduki ümber voolu olemuse muutus, mis loob eeldused lainekriisiks. Lööklaine suurendab gaasi entroopiat, mis helibarjääri möödudes väheneb.

Ülehelikiirusega lennu omadused

Üleminekuga ülehelikiirusele kaasneb rõhulangusest tulenev lööklaine. Kui see kestab kauem kui sekund, ei pruugi laeva kere sellistele koormustele vastu pidada, mis toob kaasa selle vraki. Kui vaatate videol helitõket ületavat lennukit, siis märkate, et lööklaine hävitab peaaegu kogu maapinnal asuvate elamute klaasi.

Pärast seda, kui ameeriklasest piloodil Charles Yeageril õnnestus esmakordselt helibarjäärist üle saada, tabas teda kokpitis valitsenud "jumalik vaikus". Hetkel, kui makhmeteri nool suudab märgi 1,0 ületada, väheneb helirõhk anuma sees märgatavalt. Siiski suureneb õhusõiduki kere ja muude osade deformeerumise oht.

Löögi energiaindikaatoreid (intensiivsust) mõjutavad keskkonnatingimused, disainifunktsioonid lennuk ja selle liikumiskiirus. Ülishelikiirusega reisilennukite Concorde ja TU-144 pilootidel lubati ületada helibarjäär eranditult üle ookeani pinna õhuruumis, mis on mitu tuhat meetrit kõrgem kui tavalised tsiviillennukid.

Kas olete kunagi kuulnud ülehelikiirust ületava lennuki poppi?

JahEi

Mis juhtub lennukiga, kui see ületab helibarjääri?

Mis juhtub lennukiga helikiiruse saavutamisel? Algab lööklainete moodustumine, mis ilmuvad lennuki sabas, taga- ja esiservades, samuti kere otsas. Lööklaine on väga väikese paksusega ja löögifronti iseloomustavad vooluomaduste dramaatilised muutused. Selle kiiruseindikaatorid vähenevad keha suhtes ja kiirus omandab alahelikiiruse. Kineetiline energia muundatakse osaliselt gaasi (sise) energiaks.

Ülehelikiirusega õhusõiduki plaksutamine on „helipoom”, mis tekib õhurõhu tõusu tõttu. Plaks ilmub pealaine läbimise tagajärjel ja kuulaja tajub seda iga kord, kui lennuk üle tema pea lendab.

Selliste muutuste skaala on otseselt proportsionaalne hüpersoonilise voolu kiirusega. Machi arv ületab sel juhul 5 ja temperatuurinäitajad tõusevad tõsiselt, mis põhjustab ülehelikiirusel liikuva õhusõiduki jaoks mitmeid probleeme. Termokilpide kahjustused põhjustasid 2003. aastal NASA korduvkasutatava kosmosesüstiku Columbia avarii. Süstik sisenes Maa atmosfääri, et maanduda ja sai tugeva lööklaine kahjustada.

Vene ülehelikiirusega reisilennukid

Esimene reisilennuk, mis murdis helibarjääri, oli Tu-144, mille on loonud Tupolevi disainibüroo insenerid. Helitõkke ületamiseks valmistati vooder sabata madala tiivaga lennuki kujul, mis oli varustatud täiendavaga Elektrijaamad... TU-144 jäeti ilma eelmise põlvkonna õhusõidukitele tavapärastest klapidest ja liistudest ning üleminek hüpersoonilisele režiimile viidi läbi tänu keerulisele protseduurile kütuse ümberjaotamiseks tagumistesse tsentreerimispaakidesse.

Valküüria ülehelikiirusel kõrgpommitaja

Kõrgpommitaja Valkyrie XB-70, mis arendab kiirust üle kolme Machi (3673 km / h) ja tõuseb üle 20 tuhande meetri kõrgusele, saab helitõkke kergesti üle. Hüperhelikiirusel sõitmiseks olid disainerid sunnitud vähendama stardimassi ning viima lennuki üle ka pentaboraanile (boorvesiniku kütusesegu), mis on suurendanud põlemisenergiat. Pommitaja on sabata pommitaja, mis on valmistatud ülitugevast tööriistaterasest.

Miks kaasneb sellega plahvatuslik pauk, kui lennuk ületab helibarjääri? Ja mis on "helitõke"?

“Plaksutamisega” on seotud arusaamatus, mis on tingitud mõistest “helitõke”. Seda "plaksutamist" nimetatakse õigesti "helipoomiks". Ülehelikiirusel liikuv lennuk tekitab ümbritsevas õhus lööklaineid, hüppab õhurõhku. Lihtsustatult võib neid laineid ette kujutada õhusõiduki lendu saatva koonuse kujul, mille ülaosa oleks justkui kere kere nina külge kinnitatud ja generaatorid, mis on suunatud lennuki liikumise vastu ja levivad üsna kaugele, näiteks maapinnale.

Kui selle kujuteldava koonuse piir, mis tähistab peamise helilaine esiosa, jõuab inimese kõrva, siis tajub kõrv järsku rõhu hüpet plaksuna. Heli -buum, nagu lõastatud, saadab kogu õhusõiduki lendu, tingimusel et lennuk liigub piisavalt kiiresti, ehkki püsiva kiirusega. Plaks seevastu näib olevat helibuumi pealaine läbimine üle maapinna kindla punkti, kus on näiteks kuulaja.

Teisisõnu, kui pideva, kuid ülehelikiirusega ülehelikiirusega lennuk hakkaks kuulaja kohal edasi -tagasi lendama, kostuks popp iga kord, mõni aeg pärast seda, kui lennuk oli üsna lähedalt vahemaa tagant üle kuulaja lennanud.

"Helitõke" aerodünaamikas on õhutakistuse järsk hüpe, mis tekib siis, kui õhusõiduk saavutab teatud piirkiiruse helikiiruse lähedal. Selle kiiruse saavutamisel muutub õhusõiduki ümber õhuvoolu olemus dramaatiliselt, mis tegi omal ajal väga raskeks ülehelikiiruse saavutamise. Tavaline, alahelikiirusega lennuk ei suuda püsivalt lennata helist kiiremini, olenemata sellest, kuidas seda kiirendatakse - see lihtsalt kaotab kontrolli ja laguneb.

Helitõkke ületamiseks pidid teadlased välja töötama spetsiaalse aerodünaamilise profiiliga tiiva ja välja pakkuma muid nippe. Huvitaval kombel tunneb kaasaegse ülehelikiirusega lennuki piloot oma lennuki poolt helibarjääri "ületamist" hästi: ülehelikiirusele üleminekul on tunda "aerodünaamilist lööki" ja juhitavuse iseloomulikke "hüppeid". Kuid need protsessid ei ole otseselt seotud kohapealsete "hüppetega".

Enne lennuki helibarjääri purustamist võib tekkida ebatavaline pilv, mille päritolu pole siiani selge. Kõige populaarsema hüpoteesi kohaselt tekib rõhu langus tasapinna lähedal ja nn Prandtl-Glauerti singulaarsus millele järgneb veepiiskade kondenseerumine niiskest õhust. Tegelikult näete kondenseerumist allolevatel piltidel ...

Pildi suurendamiseks klõpsake sellel.

Helitõke on nähtus, mis ilmneb lennuki või raketi lennu ajal üleminekul atmosfääris ülehelikiirusel ülehelikiirusele. Kui õhusõiduki kiirus läheneb õhus helikiirusele (1200 km / h), ilmub selle ette õhuke ala, milles ilmneb õhukandja rõhu ja tiheduse järsk tõus. Sellist õhu tihendamist lennuki ees lennu ajal nimetatakse lööklaineks. Maapinnal tajutakse lööklaine läbimist popina, sarnaselt lasuheliga. Olles ületanud helikiiruse, läbib lennuk selle suurenenud õhutihedusega ala, justkui torkaks selle läbi - see ületab helitõkke. Helitõkke ületamine tundus pikka aega lennunduse arengus tõsine probleem. Selle lahendamiseks oli vaja muuta lennuki tiiva profiili ja kuju (see muutus õhemaks ja pühkis), muuta kere esiosa teravamaks ja varustada lennukit reaktiivmootoritega. Esimest korda ületas helikiirust 1947. aastal C. Yeager lennukiga Boell B-29 käivitatud vedelkütuse rakettmootoriga Bell X-1 (USA). Venemaal ületas helitõkke 1948. aastal esimene piloot O. V. Sokolovski katselise lennukiga La-176 turboreaktiivmootoriga.

Video.

Heli kiirus.

Väikeste rõhuhäirete levimiskiirus (keskmise suhtes). Täiuslikus gaasis (näiteks mõõduka temperatuuri ja rõhuga õhus) C. h. ei sõltu leviva väikese häirimise olemusest ja on sama nii erineva sagedusega monokromaatiliste võnkumiste () kui ka nõrkade lööklainete puhul. Täiuslikus gaasis vaadeldavas ruumi punktis C. z. kuid sõltub ainult gaasi koostisest ja selle absoluutsest temperatuurist T:
a = (dp / d (()) 1/2 = ((() p / (()) 1/2 = ((() RT / (()) 1/2,
kus dp / d (() on isentroopse protsessi rõhu tuletis tiheduse suhtes, (-) on adiabaatiline eksponent, R on universaalne gaasikonstant, (-) on molekulmass (õhus a 20,1T1 / 2 m / s temperatuuril 0 (°) C a = 332 m / s).
Füüsikalis -keemiliste muundustega gaasis, näiteks dissotsieeruvas gaasis, C. z. oleneb sellest, kuidas - tasakaalus või mittetasakaalus - need protsessid häirelaines kulgevad. Termodünaamilises tasakaalus S. z. sõltub ainult gaasi koostisest, selle temperatuurist ja rõhust. Füüsikaliste ja keemiliste protsesside tasakaalustamata kulgemise korral toimub heli hajumine, st S. z. sõltub mitte ainult keskkonna olekust, vaid ka vibratsiooni sagedusest (). Kõrgsageduslikud võnkumised ((mt), ()) - lõõgastumisaeg) levivad külmunud S. z. aj, madalsageduslik ((,) 0) - tasakaaluga S. z. ae ja aj> ae. Erinevus aj ja ai vahel on tavaliselt väike (õhus temperatuuril T = 6000 (°) C ja p = 105 Pa, see on umbes 15%). S. vedelikes z. palju suurem kui gaasis (vees 1500 m / s)