Що таке звуковий бар'єр. Подолання звукового бар'єру. Хто першим подолав звуковий бар'єр? Звуковий бар'єр швидкість

Перший пілот, який зумів подолати звуковий бар'єр - Чарльз Йегер, що зробив політ на літаку Bell X-1 восени 1947 року. У Радянському Союзі цей подвиг повторили льотчики Федоров і Соколовський, пілотували винищувач ЛА-176 на висоті понад 15 тисяч метрів. Надзвукова швидкість судна становила 1104 км / год, на якій він міг пройти порядком тисячі кілометрів без дозаправок. Число маха - це відношення швидкості звуку до швидкості, з якою пересувається літальний апарат. Названо на честь відомого австрійського фізика Ернста Маіевскій, який вивчав причини виникнення ударних хвиль і аеродинамічні процеси при надзвуковому пересуванні тел.

Що таке звуковий бар'єр?

Звуковим бар'єром в аеродинаміці називають цілий ряд явищ, якими супроводжується пересування літального засобу на швидкості звуку (340 м / с) або вище. Звуковий удар виникає через стрибки тиску і супроводжується «бавовною», більш прийнятною спостерігачем як звук вибуху. В результаті хвильового кризи змінюється характер обтікання літака, з'являються вібрації, знижується підйомна силаі зростає лобовий опір.

Потреба в подоланні звукового бар'єру виникла в роки Другої світової війни, коли багато льотчиків помічали, що при збільшенні швидкості винищувача погіршується його керованість і ряд інших важливих характеристик, таких як коригування елеронів і повітряних рулів. Пілоти літаків поршневого типу, робилися спроби розвинути граничні швидкості, неминуче стикалися з хвильовим кризою, вибратися з якого без пікірування не представлялося можливим.

Значиму роль в завданні пояснення і подолання звукового бар'єру зіграли наукові роботи, Присвячені дослідженням надзвукового руху газу.

Поки літак пересувається з невеликою швидкістю (до 420 км / год) на висоті до 3 тисяч метрів, обчислити точні параметри польоту досить просто. Однак в разі подолання звукового бар'єру літаком падає не тільки температура за бортом, а й щільність повітряного середовища. Коли прилади демонструють еквівалентні показання швидкості на висоті 2 тисячі метрів і 10 тисяч метрів, в умовах розрідженого повітря реальна швидкість буде більше.

Величина надзвукової швидкості польоту

На швидкості звуку повітряний простір перестає бути однорідним і сильно ускладнює пересування низькошвидкісних літальних апаратів. Створюється середовище, в якій виникають перегони ущільнення і зміна характеру обтікання літака, що створює передумови для хвильового кризи. Стрибок ущільнення збільшує ентропію газу, яка зменшується в процесі проходження звукового бар'єру.

Особливості надзвукового польоту

Перехід на надзвукову швидкість супроводжується ударною хвилею, що виникає через різницю тиску. У разі, якщо вона буде тривати більше секунди, фюзеляж судна може не витримати подібних навантажень, що призведе до його краху. Якщо подивитися на подолання літаком звукового бар'єру на відео, то можна помітити, що ударною хвилею руйнуються практично всі стекла житлових будинків, розташованих на поверхні землі.

Після того як американський льотчик Чарльз Йегер зумів вперше подолати звуковий бар'єр, він був вражений що запанувала в кабіні літака «божественної тишею». У момент, коли стрілкою махметра вдається перевалити за позначку 1.0, звуковий тиск всередині судна помітно зменшується. Однак підвищується ризик деформації фюзеляжу і інших частин літального апарату.

На показники енергетики (інтенсивності) стрибка ущільнення впливають умови навколишнього середовища, конструктивні особливостілітака і швидкість його пересування. Пілотам гіперзвукових пасажирських лайнерів «Concorde» і «ТУ-144» було дозволено долати звуковий бар'єр виключно над поверхнею океану в повітряному просторі, що перевищує на кілька тисяч метрів висоту пересування стандартних літальних апаратів цивільної авіації.

Ви коли-небудь чули хлопок від літака, що переходить надзвуковий бар'єр?

Такнемає

Що відбувається з літаком під час подолання звукового бар'єру?

Що відбувається з літальним апаратом при досягненні швидкості звуку? Починається освіту ударних хвиль, які з'являються в хвостовій частині літака, в задній і передній кромці, а також на вістрі фюзеляжу. Стрибок ущільнення має дуже малою товщиною, а фронт ударної хвилі відрізняється кардинальними змінами, що відбуваються з властивостями потоку. Його швидкісні показники знижуються по відношенню до тіла, і швидкість набуває властивостей дозвуковій. Кінетична енергія частково перетворюється в газову (внутрішню).

Бавовна надзвукового літака являє собою «звуковий удар», який виникає через стрибки тиску повітря. Бавовна з'являється в результаті проходження основної хвилі і сприймається слухачем кожен раз, коли літак пролітає над його головою.

Масштаб подібних змін прямо пропорційний швидкості гіперзвукового потоку. Число маха в даному випадку перевищує 5, а температурні показники серйозно підвищуються, що виступає причиною ряду проблем для літальних апаратів, що пересуваються на надзвукових швидкостях. Пошкодження термозащітних оболонок спровокувало крах багаторазового космічного транспортного корабля NASA під назвою «Columbia» в 2003 році. Шаттл входив в земну атмосферу для здійснення посадки та був пошкоджений ударною хвилею високої сили.

Російський пасажирський надзвуковий літак

Перший пасажирський літак, який подолав звуковий бар'єр, - ТУ-144, створений інженерами з конструкторського бюро Туполєва. Для подолання звукового бар'єру лайнер був виконаний у формі бесхвостового нізкоплана, оснащеного додатковими силовими установками. ТУ-144 був позбавлений звичних для літальних засобів попереднього покоління закрилків і предкрилков, а перехід на гіперзвукової режим здійснювався завдяки складній процедурі перерозподілу палива в задні центрувальні баки.

Надзвуковий висотний бомбардувальник Валькірія

Без труднощів долає звуковий бар'єр висотний бомбардувальник «Валькірія» XB-70, що розвиває швидкість понад три махів (3673 км / год) і піднімається на висоту понад 20 тисяч метрів. Для пересування на гіперзвукової швидкості конструктори були змушені знизити злітну масу, а також перевести літак на пентаборан (бороводородную паливну суміш), що володіє підвищеною енергією згоряння. Бомбардувальник є «бесхвостка», виконану з високоміцної інструментальної сталі.

Чому подолання літаком звукового бар'єру супроводжується вибухоподібним бавовною? І що таке «звуковий бар'єр»?

З «бавовною» відбувається непорозуміння, викликане неправильним розумінням терміна «звуковий бар'єр». Цей «хлопок» правильно називати «звуковим ударом». Літак, що рухається з надзвуковою швидкістю, створює в навколишньому повітрі ударні хвилі, стрибки повітряного тиску. Спрощено ці хвилі можна уявити собі у вигляді супроводжуючого політ літака конуса, з вершиною, як би прив'язаною до носової частини фюзеляжу, а утворюють, спрямованими проти руху літака і поширюються досить далеко, наприклад до поверхні землі.

Коли межа цього уявного конуса, що позначає фронт основною звукової хвилі, досягає вуха людини, то різкий стрибок тиску сприймається на слух як бавовна. Звуковий удар, як прив'язаний, супроводжує весь політ літака, за умови що літак рухається досить швидко, нехай і з постійною швидкістю. Бавовною ж здається прохід основної хвилі звукового удару над фіксованою точкою поверхні землі, де, наприклад, знаходиться слухач.

Іншими словами, якби надзвуковий літак з постійною, але надзвуковою швидкістю почав літати над слухачем туди-сюди, то бавовна чутний їхній щораз, через деякий час після прольоту літака над слухачем на досить близькій відстані.

А «звуковим бар'єром» в аеродинаміці називають різкий стрибок повітряного опору, що виникає при досягненні літаком деякої прикордонної швидкості, близької до швидкості звуку. При досягненні цієї швидкості характер обтікання літака повітряним потоком змінюється кардинальним чином, що свого часу сильно ускладнювало досягнення надзвукових швидкостей. Звичайний, дозвуковій, літак не здатний стійко летіти швидше звуку, як би його не розганяли, - він просто втратить управління і розвалиться.

Для подолання звукового бар'єру вченим довелося розробити крило зі спеціальним аеродинамічним профілем і придумати інші хитрощі. Цікаво, що пілот сучасного надзвукового літака добре відчуває «подолання» своїм літальним апаратом звукового бар'єру: при переході на надзвукове обтікання відчувається «аеродинамічний удар» і характерні «стрибки» в керованості. Ось тільки з «ударами» на землі ці процеси безпосередньо не пов'язані.

Перед тим, як літак подолає звуковий бар'єр, може утворитися незвичайну хмару, походження якого досі не ясно. Згідно найбільш популярної гіпотези, поруч з літаком відбувається падіння тиску і виникає так звана сингулярність Прандтля-Глауертз подальшою конденсацією крапельок води з вологого повітря. Власне, конденсат ви і бачите на фотках внизу ...

Натисніть на малюнок, щоб збільшити його.

Звуковий бар'єр - це явище, яке виникає в польоті літака або ракети в момент переходу від дозвуковій до надзвукової швидкості польоту в атмосфері. При наближенні швидкості літака до швидкості звуку (1200 км / ч) в повітрі перед ним виникає тонка область, в якій відбувається різке збільшення тиску і щільності повітряного середовища. Це ущільнення повітря перед летять літаком називається ударною хвилею. На землі проходження ударної хвилі сприймається як звук, схожий на звук пострілу. Перевищивши швидкість звуку, літак проходить крізь цю область підвищеної щільності повітря, як би проколює її - долає звуковий бар'єр. Довгий час подолання звукового бар'єру уявлялося серйозною проблемою в розвитку авіації. Для її вирішення потрібно змінити профіль і форму крила літака (воно стало більш тонким і стрілоподібним), зробити передню частину фюзеляжу більш загостреною і забезпечити літаки реактивними двигунами. Вперше швидкість звуку була перевищена в 1947 р Ч. Йігер на літаку Белл Х-1 (США) з рідинним ракетним двигуном, запущеному з літака Боїнг В-29. У Росії звуковий бар'єр першим подолав в 1948 р льотчик О. В. Соколовський на експериментальному літаку Ла-176 з турбореактивним двигуном.

Відео.

Швидкість звуку.

Швидкість поширення (щодо середовища) малих збурень тиску. У скоєному газі (наприклад, в повітрі при помірних температурах і тиску) С. з. не залежить від характеру поширюється малого обурення і однакова як для монохроматичних коливань різної частоти (), так і для слабких ударних хвиль. У скоєному газі в розглянутій точці простору С. з. а залежить тільки від складу газу і його абсолютної температури Т:
a = (dp / d (()) 1/2 = ((() p / (()) 1/2 = ((() RT / (()) 1/2,
де dp / d (() - похідна тиску по щільності для ізоентропіческого процесу, (-) - показник адіабати, R - універсальна газова постійна, (-) - молекулярна маса (в повітрі a 20,1T1 / 2 м / с. при 0 (°) C a = 332 м / с).
У газі з фізико-хімічними перетвореннями, наприклад, в диссоциирующих газі, С. з. буде залежати від того, як - равновесно або нерівноважної - протікають ці процеси в хвилі обурення. При термодинамічній рівновазі С. з. залежить тільки від складу газу, його температури і тиску. При нерівноважному протіканні фізико-хімічних процесів має місце дисперсія звуку, тобто С. з. залежить не тільки від стану середовища, а й від частоти коливань (). Високочастотні коливання ((тт), ()) - час релаксації) поширюються із замороженою С. з. aj, низькочастотні ((,) 0) - з рівноважної С. з. ae, причому aj> ae. Відмінність aj від ai як правило, невелика (в повітрі при Т = 6000 (°) С і p = 105 Па воно становить близько 15%). У рідинах С. з. значно вище, ніж в газі (в воді a 1500 м / с)