Какая скорость нужна для преодоления звукового барьера и что такое звуковой барьер. Преодолейте звуковой барьер

Наследие

Звук в разных газовых средах передвигается, возмущая их молекулы — это всего лишь импульс давления, который перемещается сквозь воздух.
Быстрота перемещения этой волны давления определяется свойствами воздуха и зависит от его температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воздуха. Кроме того, она зависит от массы молекул воздуха, а воздух, как известно, — это, в первую очередь, смесь азота и кислорода. И еще реакция воздуха на сжатие может быть обусловлена так называемым «адиабатическим индексом».

В разумном приближении, скорость звуковой волны зависит, главным образом, от среднего движения молекул воздуха при определенной температуре.

Следовательно, скорость звука — совсем не предел. Это просто быстрота перемещения, с которой волна давления проходит через воздух, и нет никаких причин, почему бы какому-либо объекту не удалось бы ее превысить. Это было известно задолго до того, как были изобретены самолеты, но это знание не удовлетворяло тех, кто хотел помочь человеку двигаться быстрее звука. В ходе второй мировой войны было предпринято множество попыток производства сверхзвуковых самолетов, но преодоление скорости звука не было вплоть до 14 октября 1947 года, когда американский лётчик-испытатель Чак Йегер стал первым человеком, пилотировавшим сверхзвуковой самолет. На самолете Bell-XSl   Йегер стартовал из бомбового отсека модифицированного бомбардировщика В29 и в горизонтальном полете преодолел звуковой барьер, с чем и вошел в историю авиации. Год позже советский пилот Иван Федоров повторил достижение Йегера  в 1948 году. Советские самолеты Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950) уже позднее смогли преодолеть скорость звука.

Преодоление скорости звука сопровождается красивыми визуальными и звуковыми эффектами.

Первый серийный околозвуковой истребитель-бомбардировщик Хоукер «Хантер» уже мог преодолевать скорость звука.  Это легендарный британский истребитель послевоенной эпохи, созданный в 1950-х годах. Этот самолет не должен летать на сверхзвуковых скоростях в горизонтальном полете, но в умелых руках пилота он смог превысить  1200 км  в час, преодолевая звуковой барьер.

Именно относительно быстрое движение материальной точки относительно выбранной системы ввело ещё одно понятие как число Маха  по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916). Это внесистемная единица измерения показывающая отношение скорости полета относительно звука.

Сейчас рекорд скорости для пилотируемых аппаратов на реактивных двигателях принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3955 км в час или 3,2 Маха

Следовательно, звуковой барьер — это вовсе не препятствие, а всего лишь ограничение перемещения самого звука, определяемое физикой движения молекул воздуха.

В настоящее время скорость ракеты в космосе достигла величины 40 тыс. км/ч и пока имеет технологическое ограничение.

А что же световой барьер — то же самое?

Почему достаточно мощный самолет или космический корабль не может летать быстрее, чем волны в электрическом и магнитном полях? Ответ заключается в том, что «световой барьер» имеет совершенно иную природу и в принципе не может быть преодолен. Причиной этого является то, что распространение света в пространстве имеет  более важную роль во Вселенной, чем просто перемещение чего-либо.

Загадка самого шумного города

Не зря жители маленьких городов испытывают шок, увидев столицу в первый раз. Обилие транспорта, сотни ресторанов и развлекательных центров сбивают с толку и выбивают из привычной колеи. Начало весны в столице обычно датируется апрелем, а не мятежным вьюжным мартом. В апреле здесь чистое небо, бегут ручьи и распускаются почки. Люди, уставшие от долгой зимы, широко распахивают окна навстречу солнцу, и в дома врывается уличный шум. На улице оглушительно щебечут птицы, поют артисты, декламируют стихи весёлые студенты, не говоря уже о шуме в пробках и метро. Сотрудники отделов гигиены отмечают, что долго находиться в шумном городе вредно для здоровья. Звуковой фон столицы состоит из транспортных, авиационных, промышленных и бытовых шумов. Наиболее вредным является как раз автомобильный шум, так как самолёты летают достаточно высоко, а шум от предприятий растворяется в их зданиях. Постоянный же гул автомобилей на особо оживлённых магистралях превышает все допустимые нормы в два раза. Как в столице преодолевается звуковой барьер? Москва опасна обилием звуков, поэтому жители столицы устанавливают стеклопакеты, чтобы приглушить шум.

Как осуществляется штурм звукового барьера?

До 1947 года не было фактических данных о самочувствии человека в кабине самолёта, который летит быстрее звука. Как оказалось, преодоление звукового барьера требует определённых сил и отваги. В процессе полёта становится ясно, что нет никаких гарантий выжить. Даже профессиональный пилот не может точно сказать, выдержит ли конструкция самолёта атаку стихии. В считанные минуты самолёт может просто развалиться на части. Чем же это объясняется? Следует отметить, что движение с дозвуковой скоростью создаёт акустические волны, разбегающиеся как круги от упавшего камня. Сверхзвуковая скорость возбуждает ударные волны, а стоящий на земле человек слышит звук, похожий на взрыв. Без мощных вычислительных машин сложно было решить сложные дифференциальные уравнения, и приходилось опираться на продувание моделей в аэродинамических трубах. Иногда при недостаточном ускорении самолёта ударная волна достигает такой силы, что вылетают окна из домов, над которыми пролетает самолёт. Преодолеть звуковой барьер сможет далеко не каждый, ведь в этот момент трясёт всю конструкцию, значительные повреждения могут получить крепления аппарата. Поэтому для пилотов так важно крепкое здоровье и эмоциональная стабильность. Если полёт идёт мягко, а звуковой барьер преодолён максимально быстро, то ни пилот, ни возможные пассажиры не почувствуют особо неприятных ощущений. Специально для покорения звукового барьера был сооружён исследовательский летательный аппарат в январе 1946 года. Создание машины было инициировано заказом министерства обороны, но взамен оружия её напичкали научной аппаратурой, которая отслеживала режим работы механизмов и приборов. Этот самолёт походил на современную крылатую ракету со встроенным ракетным двигателем. Преодоление самолётом звукового барьера происходило при максимальной скорости 2736 км/ч.

Преобразование ударной волны

Фронт ударной волны, который иногда называют скачком уплотнения, имеет довольно малую толщину, позволяющую тем не менее отследить скачкообразные изменения свойств потока, снижение его скорости относительно тела и соответствующее возрастание давления и температуры газа в потоке. При этом кинетическая энергия частично преобразуется во внутреннюю энергию газа. Количество этих изменений напрямую зависит от скорости сверхзвукового потока. По мере того как ударная волна удаляется от аппарата, уменьшаются перепады давления, и ударная волна преобразуется в звуковую. Она может достичь стороннего наблюдателя, который услышит характерный звук, напоминающий взрыв. Существует мнение, что это свидетельствует о достижении аппаратом скорости звука, когда звуковой барьер самолёт оставляет позади.

История в управлении самолётами

Первый человек, который достиг сверхзвуковой скорости полёта на экспериментальном самолёте, — это американский лётчик Чак Йегер. Его достижение отмечено в истории 14 октября 1947 года. На территории СССР звуковой барьер был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским и Фёдоровым, которые управляли опытным истребителем.

Из гражданских самолётов первым преодолел звуковой барьер пассажирский лайнер Douglas DC-8, который 21 августа 1961 года достиг скорости 1.012 М, или 1262 км/ч. Полёт имел целью сбор данных для проектирования крыла. Среди летательных аппаратов мировой рекорд поставила гиперзвуковая аэробаллистическая ракета «воздух-земля», которая находится на вооружении российской армии. На высоте в 31,2 километра ракета развила скорость 6389 км/час.

Через 50 лет после преодоления звукового барьера в воздухе англичанин Энди Грин совершил аналогичное достижение на автомобиле. В свободном падении пробовал побить рекорд американец Джо Киттингер, который покорил высоту в 31,5 километра. В наши дни, 14 октября 2012 года, Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, без помощи транспорта, в свободном падении с высоты 39 километров, преодолев звуковой барьер. Скорость его при этом достигла 1342,8 километра в час.

Скорость звука и число Маха

Когда заходит речь о сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях, вместо привычных большинству людей километров (или миль) в час начинают фигурировать какие-то странные «Махи». Например — «скорость самолета превысила 5,2 Маха». Что же это за единица измерения и как ее воспринимать?

Так называемое «число Маха» названо в честь Эрнста Маха, австрийского физика. Будучи одним из основоположников газовой механики и окончив жизнь в эпоху первых летающих «этажерок», «небесных тихоходов», он и подумать не мог, что уже в конце 1940-х гг. реактивные истребители вплотную приблизятся к звуковому барьеру, и единица скорости, названная его именем, войдет в повседневный обиход авиаторов.

Запредельно упрощенно (и весьма некорректно!) можно сказать, что единица числа Маха — это скорость звука. Иными словами, 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Соответственно, 2 Маха — условно 680 метров в секунду или 2448 км/ч, и далее соответственно. Однако любой преподаватель газодинамики за такое объяснение отвесит вам полновесного «леща» учебником Абрамовича. Ибо число Маха — это не скорость в классическом понимании — в виде расстояния, пройденного за отрезок времени. Эта безразмерная единица, хотя и плотно привязана к скорости звука в воздухе, учитывает тот факт, что скорость звука — вовсе не постоянная величина!

Большинство считает, что скорость звука в воздухе равна 340 метрам в секунду. Но свойства-то воздуха могут быть разными. А значит, различна и скорость распространения звука в нем! В приземном слое она действительно равна тем самым 340 метрам в секунду, но, к примеру, на высотах около десяти километров, скорость из-за разреженности воздуха и низких температур — иная, и составляет уже около 300 метров в секунду.

Чтобы преодолеть звуковой барьер непосредственно над землей, самолету нужно достичь скорости 1224 км/ч, а на высоте десяти тысяч метров для этого достаточно скорости 1076 км/ч — на 148 км/ч меньше. Разница около 13–14 процентов — это весьма немало и имеет существенное значение как для инженеров, проектирующих самолет, так и для пилотов, им управляющих. Иными словами, 1 Мах — это скорость звука при конкретных параметрах высоты и температуры, в которых летит самолет, «здесь и сейчас».

Звуковой барьер

FA-18 Летит на скорости, близкой к скорости звука. Видно облако конденсата, образовавшегося вследствие локального изменения давления (Эффект Прандтля — Глоерта).

Волновой кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр.

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки — скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем.  — звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад и нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса — попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй Мировой с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109, волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700—750 км/ч. В то же время реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, почему на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные, как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности — треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем.

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полетов сводятся к следующему:

• на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта);
• переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.

Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

От дозвука до гиперзвука

Скорость звука в воздухе давно принята за некую эталонную точку отсчета для самых разных научных и практических измерений. Впервые об этой величине как о достаточно стабильной упоминал еще Аристотель. Он использовал ее для сравнения и характеристики движения тел. Первым же человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер, стал в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на экспериментальном самолете Bell Х-1. Первый советский пилот, капитан Олег Соколовский, разогнался до скорости звука годом позже — на Ла-176, также экспериментальном.

Правда, сверхзвуковые полеты середины ХХ века были весьма условными по нынешним понятиям. Ла-176 достигал скорости звука лишь в пологом пикировании, а Bell Х-1 для этого и вовсе поднимался в небо не собственными силами, а с помощью самолета-носителя, дабы не потратить все топливо на взлете.

Сверхзвуковым принято называть диапазон от 1 до 5 скоростей звука, ну а 5 «звуковых» скоростей и далее — это тот самый «гиперзвук», о котором сегодня так много говорят. Правда, пока он упоминается чаще всего применительно к ракетному оружию, ибо пилотируемые и беспилотные самолеты, перемещающиеся на таких скоростях, в массе своей представляет штучные тестовые модели.

• Эффект Прандтля — Глоерта
• Тепловой барьер (проблемы разработки гиперзвуковых летательных аппаратов)

Некоторые распространенные кнуты, такие как кнут или кнут, могут двигаться быстрее звука: кончик кнута превышает эту скорость и вызывает резкий треск — буквально звуковой удар. Огнестрельное оружие, изготовленное после XIX века, обычно имеет сверхзвуковую начальную скорость.

Звуковой барьер, возможно, впервые был преодолен живыми существами примерно 150 миллионами человек. много лет назад. Некоторые палеобиологи сообщают, что на основе компьютерных моделей их биомеханических возможностей, некоторые длиннохвостые динозавры, такие как бронтозавр, Апатозавр и Диплодок, возможно, могли взмахивать своим хвостом на сверхзвуковой скорости, создавая треск. Этот вывод является теоретическим и оспаривается другими специалистами в этой области. Метеоры, входящие в атмосферу Земли, обычно, если не всегда, спускаются быстрее звука.

Ранние проблемы

Наконечник пропеллера на многих ранних самолетах может достигать сверхзвуковой скорости. производит заметный гул, который отличает такой самолет. Это нежелательно, так как трансзвуковое движение воздуха создает разрушительные ударные волны и турбулентность. Известно, что именно из-за этих эффектов характеристики пропеллеров резко ухудшаются по мере приближения к скорости звука. Легко продемонстрировать, что мощность, необходимая для улучшения характеристик, настолько велика, что вес необходимого двигателя растет быстрее, чем может компенсировать выходная мощность гребного винта. Эта проблема привела к ранним исследованиям реактивных двигателей, в частности, Фрэнком Уиттлом в Англии и Хансом фон Охайном в Германии, которые привели к своим исследованиям. специально для того, чтобы избежать этих проблем при высокоскоростном полете.

Тем не менее, винтовые самолеты смогли приблизиться к критическому числу Маха в пикировании. К сожалению, это привело к многочисленным сбоям по разным причинам. Наиболее печально известно, что в Mitsubishi Zero пилоты на полной мощности летели по местности, потому что быстро возрастающие силы, действующие на поверхности управления их самолетов, пересиливали их. В этом случае несколько попыток исправить это только усугубили проблему. Точно так же изгиб, вызванный низкой жесткостью на кручение крыльев Supermarine Spitfire, заставил их, в свою очередь, противодействовать входным сигналам управления элеронами, что привело к состоянию, известному как реверс управления. Это было решено в более поздних моделях с изменениями крыла. Что еще хуже, особенно опасное взаимодействие воздушного потока между крыльями и хвостовыми поверхностями при пикировании Lockheed P-38 Lightnings затрудняло «выход» из пикирования; однако позже проблема была решена добавлением «заслонки для ныряния», которая нарушала воздушный поток в этих условиях. Флаттер из-за образования ударных волн на изогнутых поверхностях был еще одной серьезной проблемой, которая, как известно, привела к распаду de Havilland Swallow и гибели его пилот Джеффри де Хэвилленд-младший 27 сентября 1946 года. Считается, что аналогичная проблема стала причиной крушения в 1943 году ракетного самолета БИ-1 в Советском Союзе.

Все эти эффекты, хотя в большинстве случаев не связаны друг с другом, привели к концепции «барьера», затрудняющего самолету превышение скорости звука. Ошибочные сообщения в новостях заставили большинство людей представить звуковой барьер как физическую «стену», которую сверхзвуковому самолету нужно было «сломать» острой иглой на передней части фюзеляжа. Продукция экспертов по ракетной технике и артиллерии обычно превышала 1 Маха, но авиаконструкторы и инженеры-аэродинамики во время и после Второй мировой войны обсуждали 0,7 Маха как предел, который опасно превышать.

Ранние заявления

Во время Второй мировой войны и сразу после этого был сделан ряд заявлений о том, что звуковой барьер был преодолен во время погружения. Большинство этих предполагаемых событий можно отклонить как инструментальные ошибки. Типичный индикатор воздушной скорости (ASI) использует разницу давлений воздуха между двумя или более точками на самолете, обычно около носа и сбоку фюзеляжа, для получения значения скорости. На высокой скорости различные эффекты сжатия, которые приводят к возникновению звукового барьера, также приводят к тому, что ASI становится нелинейным и дает неточные высокие или низкие показания, в зависимости от специфики установки. Этот эффект получил название «скачок Маха». До появления Махометров точные измерения сверхзвуковых скоростей могли производиться только извне, обычно с использованием наземных инструментов. Многие заявления о сверхзвуковых скоростях оказались намного ниже этой скорости при таком измерении.

В 1942 году Republic Aviation выпустила пресс-релиз, в котором говорилось, что лейтенант. Гарольд Э. Комсток и Роджер Дьяр превысили скорость звука во время тестовых погружений на P-47 Thunderbolt. Широко признано, что это произошло из-за неточных показаний ASI. В аналогичных испытаниях Североамериканский P-51 Mustang, самолет с более высокими характеристиками, продемонстрировал ограничения на скорости 0,85 Маха, причем каждый полет над M0,84 приводил к повреждению самолета вибрацией.

A Spitfire PR Mk XI (PL965 ) типа, который использовался в испытаниях пикирования RAE в Фарнборо 1944 года, в ходе которых было получено максимальное число Маха 0,92

Одно из самых высоких зарегистрированных приборных чисел Маха, достигнутых для винтового самолета. — 0,891 Маха для Spitfire PR XI, совершенного во время испытаний в пикировании на Royal Aircraft Establishment, Фарнборо в апреле 1944 года. Spitfire, фоторазведчик вариант, Mark XI, оснащенный расширенным «типом граблей» с множеством системой Пито, был доведен командиром эскадрильи Тобином до этой скорости, соответствующей скорректированной истинной воздушной скорости. (TAS) 606 миль / ч. В последующем полете командир эскадрильи Энтони Мартиндейл достиг скорости 0,92 Маха, но он закончился вынужденной посадкой после того, как из-за чрезмерных оборотов был поврежден двигатель.

Ханс Гвидо Мутке утверждал, что 9 апреля 1945 года преодолел звуковой барьер Messerschmitt Me 262 Реактивный самолет. Он заявляет, что его ASI разогнался до 1100 километров в час (680 миль в час). Мутке сообщил не только о трансзвуковом бафтинге, но и о возобновлении нормального управления после превышения определенной скорости, а затем о возобновлении сильного бафтинга после того, как Me 262 снова замедлился. Он также сообщил о возгорании двигателя.

Это утверждение широко оспаривается даже пилотами его подразделения. Известно, что все эффекты, о которых он сообщил, происходят на Me 262 на гораздо более низких скоростях, а показания ASI просто ненадежны в околозвуковом режиме. Кроме того, серия испытаний, проведенных Карлом Дойчем по приказу Вилли Мессершмитта, показала, что самолет стал неуправляемым при скорости выше 0,86 Маха, а при скорости 0,9 Маха он перешел в пикирование, из которого невозможно было выйти. Послевоенные испытания, проведенные ВВС Великобритании, подтвердили эти результаты, с небольшими изменениями: максимальная скорость с использованием новых инструментов оказалась 0,84 Маха, а не 0,86 Маха.

В 1999 году Мутке заручился помощью профессора Отто. Вагнера из Мюнхенского технического университета для проведения вычислительных тестов, чтобы определить, сможет ли самолет преодолеть звуковой барьер. Эти тесты не исключают такой возможности, но в них отсутствуют точные данные о коэффициенте лобового сопротивления, которые потребуются для точного моделирования. Вагнер заявил: «Я не хочу исключать такую ​​возможность, но я могу представить, что он также мог быть чуть ниже скорости звука и ощущал удары, но не превышал Маха-1».

Одно свидетельство, представленное Мутке, находится на странице 13 «Руководства пилота Me 262 A-1», выпущенного Командованием авиационной техники штаба, Райт Филд, Дейтон, Огайо в качестве отчета № F-SU-1111-ND от 10 января 1946 г.:

Сообщается, что скорость 950 км / ч (590 миль / ч) была достигнута при мелком пикировании на 20–30 ° от горизонтали. Вертикальных погружений не производилось. На скорости от 950 до 1000 км / ч (от 590 до 620 миль в час) воздушный поток вокруг самолета достигает скорости звука, и сообщается, что поверхности управления больше не влияют на направление полета. Результаты различаются для разных самолетов: некоторые летают и ныряют, а другие постепенно. Сообщается также, что как только скорость звука превышена, это состояние исчезает и нормальный контроль восстанавливается.

В своей книге 1990 года Me-163, бывший Messerschmitt Me 163 «Komet» Пилот Мано Зиглер утверждает, что его друг, летчик-испытатель Хейни Диттмар, преодолел звуковой барьер, ныряя на ракетоплане, и что несколько человек на земле слышали звуковые удары. Он утверждает, что 6 июля 1944 года Диттмар, летевший на Me 163B V18 с буквенным кодом Stammkennzeichen VA + SP, двигался со скоростью 1130 км / ч (702 мили в час). Однако никаких свидетельств такого полета нет ни в одном из материалов того периода, которые были захвачены войсками союзников и тщательно изучены. 2 октября 1941 года на прототипе Me 163A V4 Диттмар был официально зарегистрирован на скорости 1 004,5 ​​км / ч (623,8 миль / ч) в горизонтальном полете. Он достиг этой скорости не на полном газу, так как его беспокоили трансзвуковые удары. Сам Диттмар не утверждает, что он преодолел звуковой барьер в этом полете, и отмечает, что скорость была зафиксирована только на AIS. Тем не менее, он считает, что был первым пилотом, который «пробил звуковой барьер».

Летчик-испытатель Люфтваффе Лотар Зибер (7 апреля 1922 — 1 марта 1945) мог иметь непреднамеренно стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер 1 марта 1945 года. Это произошло, когда он пилотировал Bachem Ba 349 «Наттер» для первого в истории пилотируемого вертикального взлета ракеты. За 55 секунд он проехал в общей сложности 14 км (8,7 мили). Самолет разбился, и он жестоко погиб при этом.

Есть несколько беспилотных аппаратов, которые летели на сверхзвуковой скорости в течение этого периода, но обычно они не соответствуют определению. В 1933 году советские конструкторы, работавшие над концепцией прямоточного воздушно-реактивного двигателя, запускали фосфорные двигатели из артиллерийских орудий, чтобы довести их до рабочей скорости. Возможно, это обеспечило сверхзвуковые характеристики до 2 Маха, но это было связано не только с самим двигателем. Напротив, немецкая баллистическая ракета V-2 обычно преодолевала звуковой барьер в полете, впервые 3 октября 1942 года. К сентябрю 1944 года Фау-2 обычно достигал 4 Маха. (1200 м / с или 3044 миль / ч) во время конечного снижения.

Преодоление звукового барьера

Прототип Miles M.52 самолет с турбореактивным двигателем, предназначенный для достижения сверхзвукового горизонтального полета

В 1942 году Соединенное Королевство Министерство авиации начало сверхсекретный проект с Miles Aircraft по разработке первого в мире самолета, способного преодолеть звуковой барьер. Результатом проекта стала разработка прототипа самолета с турбореактивным двигателем Miles M.52, который был разработан, чтобы развивать скорость 1000 миль в час (417 м / с; 1600 км / ч) (что вдвое превышает существующий рекорд скорости). в горизонтальном полете и набрать высоту 36 000 футов (11 км) за 1 минуту 30 секунд.

В получившуюся конструкцию M.52 было включено огромное количество дополнительных функций, многие из которых намекают на детальное знание сверхзвуковой аэродинамики. В частности, конструкция отличалась конической носовой частью и острыми передними кромками крыла, поскольку было известно, что снаряды с круглым носом не могут быть стабилизированы на сверхзвуковых скоростях. В конструкции использованы очень тонкие крылья двояковыпуклого сечения, предложенные Якобом Аккеретом для низкого сопротивления. Законцовки крыла были «обрезаны», чтобы не допустить попадания на них конической ударной волны, создаваемой носовой частью самолета. Фюзеляж имел минимально допустимое поперечное сечение вокруг центробежного двигателя с топливными баками в седле сверху.

Одна из моделей Vickers, проходящая испытания в сверхзвуковой аэродинамической трубе в Royal Aircraft Establishment (RAE) около 1946 г.

Другим важным дополнением стало использование стабилизатора с механическим приводом, также известный как цельнодвижущийся хвост или летающий хвост, ключ к сверхзвуковому управлению полетом, который контрастирует с традиционными шарнирными хвостовыми оперениями (горизонтальными стабилизаторами), механически соединенными с пилотами контрольный столбец. Обычные рули стали неэффективными на высоких дозвуковых скоростях, которые тогда были достигнуты истребителями в пикировании, из-за аэродинамических сил, вызванных образованием ударных волн на шарнире и обратным движением центра давления , которые вместе мог подавлять управляющие силы, которые мог быть применен пилотом механически, затрудняя восстановление после пикирования. Основным препятствием для раннего трансзвукового полета было изменение направления управления, явление, которое заставляло входящие в полет (джойстик, руль направления) переключать направление на высокой скорости; это было причиной многих несчастных случаев и почти несчастных случаев. «летающий хвост» считается минимальным условием, позволяющим самолету безопасно преодолевать трансзвуковой барьер без потери управления пилотом. Miles M.52 был первым примером этого решения, которое с тех пор применяется повсеместно.

Первоначально самолет должен был использовать последний двигатель Фрэнка Уиттла, Power Jets W.2 / 700, который мог достигать сверхзвуковой скорости только на мелководье. нырять. Для разработки полностью сверхзвуковой версии самолета была внедрена инновация — реактивная труба с подогревом, также известная как дожигатель. Избыточное топливо должно было сжигаться в выхлопной трубе, чтобы избежать перегрева лопаток турбины, используя неиспользованный кислород в выхлопе. Наконец, в конструкцию был включен еще один важный элемент — использование в носовой части ударного конуса для замедления набегающего воздуха до дозвуковых скоростей, необходимых для двигателя.

Хотя проект в конечном итоге был отменен, исследования были использованы для создания беспилотной ракеты, которая развила скорость Маха 1,38 при успешном управляемом трансзвуковом и горизонтальный испытательный полет на сверхзвуке ; Это было уникальное достижение того времени, подтвердившее аэродинамику M.52.

Между тем летчики-испытатели достигли высоких скоростей на бесхвостом, развернутом крыле de Havilland DH 108. Одним из них был Джеффри де Хэвилленд-младший, который был убит 27 сентября 1946 года, когда его DH 108 разорвался на скорости около 0,9 Маха. Джон Дерри был назван «первым британским сверхзвуком». пилот «из-за пикирования, которое он совершил на DH 108 6 сентября 1948 года.

Первый« официальный »самолет, преодолевший звуковой барьер

Британское Министерство авиации подписали соглашение с Соединенными Штатами об обмене всеми своими высокоскоростными исследованиями, данными и проектами, а компании Bell Aircraft был предоставлен доступ к чертежам и исследованиям M.52, но США нарушили соглашение, и никаких данных не поступало. В сверхзвуковой конструкции Bell все еще использовалось обычное хвостовое оперение, и они боролись с проблемой контроля.

Чак Йегер перед Bell X-1, первым самолетом, преодолевшим звуковой барьер в горизонтальном полете

Они использовали информацию для начала работы над Bell X-1. Окончательная версия Bell X-1 была очень похожа по конструкции на исходную версию Miles M.52. XS-1 также имел цельноповоротный хвост и позже стал известен как X-1. Именно в X-1 Чаку Йегеру приписывают то, что он первым преодолел звуковой барьер в горизонтальном полете 14 октября 1947 года, пролетев на высоте 45 000 футов (13,7 км). Джордж Велч сделал правдоподобное, но официально неподтвержденное заявление о преодолении звукового барьера 1 октября 1947 года во время полета на XP-86 Sabre. Он также утверждал, что повторил свой сверхзвуковой полет 14 октября 1947 года, за 30 минут до того, как Йегер преодолел звуковой барьер в Bell X-1. Хотя свидетельства и показания приборов явно указывают на то, что Уэлч достиг сверхзвуковой скорости, полеты не контролировались должным образом и официально не признавались. Официально XP-86 достиг сверхзвуковой скорости 26 апреля 1948 года.

14 октября 1947 года, менее чем через месяц после того, как ВВС США были созданы в качестве отдельной службы, испытания завершились созданием первого пилотируемого сверхзвукового самолета. Полет, пилотируемый капитаном ВВС Чарльзом «Чаком» Йегером на самолете № 46-062, который он назвал Гламурным Гленнис. Самолет с ракетным двигателем стартовал из бомбового отсека специально модифицированного В-29 и планировал приземлиться на взлетно-посадочной полосе. Номер полета 50 XS-1 является первым, где X-1 зафиксировал сверхзвуковой полет на максимальной скорости 1,06 Маха (361 м / с, 1299 км / ч, 807,2 миль / ч); однако Йегер и многие другие сотрудники полагают, что рейс № 49 (также с пилотом Йегера), который достиг максимальной зарегистрированной скорости 0,997 Маха (339 м / с, 1221 км / ч), на самом деле мог превысить 1 Маха. (Измерения не соответствовали трем значащим цифрам, и для этого полета не было зарегистрировано звукового удара.)

В результате первоначального сверхзвукового полета X-1 Национальная ассоциация аэронавтики проголосовала за приз Collier Trophy 1948 года. разделены между тремя основными участниками программы. Президент Гарри С. Трумэн был удостоен чести в Белом доме — Ларри Белл из Bell Aircraft, капитан Йегер за пилотирование полетов и Джон Стэк за вклад в NACA.

Джеки Кокран была первой женщиной, преодолевшей звуковой барьер 18 мая 1953 года на самолете Canadair Sabre с Йегером в качестве ее ведомого.

21 августа 1961 года Douglas DC-8-43 (регистрационный N9604Z) неофициально превысил 1 Маха в управляемом пикировании во время испытательного полета на базе ВВС Эдвардс, что было замечено и сообщено летным экипажем; в состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер-испытатель). Это был первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера, и единственный, кроме полетов Concorde и Ту-144.

Звуковой барьер понятен

Play mediaЧак Йегер преодолел звуковой барьер 14 октября 1947 года на Bell X-1, как показано в этой кинохронике.

По мере того, как наука о высокоскоростном полете стала более широко понимаемой, ряд изменения привели к окончательному пониманию того, что «звуковой барьер» легко преодолеть при правильных условиях. Среди этих изменений — введение тонких стреловидных крыльев, правила площади и двигателей с постоянно увеличивающимися характеристиками. К 1950-м годам многие боевые самолеты могли регулярно преодолевать звуковой барьер в горизонтальном полете, хотя при этом у них часто возникали проблемы с управлением, такие как складывание Маха. Современные самолеты могут преодолевать «барьер» без проблем с управлением.

К концу 1950-х годов этот вопрос был настолько хорошо понят, что многие компании начали вкладывать средства в разработку сверхзвуковых авиалайнеров, или SST, полагая, что это будет следующий «естественный» шаг в эволюции авиалайнеров. Однако этого пока не произошло. Хотя Конкорд и Туполев Ту-144 поступили на вооружение в 1970-х годах, оба позже были списаны без замены на аналогичные конструкции. Последний полет Concorde состоялся в 2003 году.

Хотя Concorde и Ту-144 были первыми самолетами, которые перевозили коммерческих пассажиров на сверхзвуковых скоростях, они не были первыми или единственными коммерческими авиалайнерами, нарушившими звук. барьер. 21 августа 1961 года Douglas DC-8 преодолел звуковой барьер на скорости 1,012 Маха, или 1240 км / ч (776,2 миль / ч), во время управляемого погружения на 41088 футов (12510 м). Целью полета был сбор данных о новой конструкции передней кромки крыла. Боинг 747 China Airlines мог преодолеть звуковой барьер при незапланированном спуске с высоты 41 000 футов (12500 м) до 9 500 футов (2900 м) после сбоя в полете 19 февраля 1985 г. Он также превысил 5g..

Преодоление звукового барьера в наземном транспортном средстве

12 января 1948 года беспилотные ракетные сани Northrop стали первым наземным транспортным средством, преодолевшим звуковой барьер. На военном полигоне на авиабазе Мурок (ныне авиабаза Эдвардс ), Калифорния, он достиг максимальной скорости 1019 миль в час (1640 км / ч). перед прыжком с рельсов.

15 октября 1997 года в автомобиле, спроектированном и построенном командой под руководством Ричарда Нобла, пилота Королевских ВВС Энди Грин стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер в наземном транспортном средстве в соответствии с правилами Международной автомобильной федерации. Машина, получившая название ThrustSSC («Super Sonic Car»), запечатлела рекорд через 50 лет и один день после первого сверхзвукового полета Йегера .

Прерывание звука барьер как человеческий снаряд

В октябре 2012 года Феликс Баумгартнер вместе с командой ученых и спонсором Red Bull совершил самый высокий прыжок с парашютом в истории. В рамках проекта Баумгартнер попытается спрыгнуть с гелиевого шара на высоту 120000 футов (36 580 м) и станет первым парашютистом, преодолевшим звуковой барьер. Запуск был запланирован на 9 октября 2012 года, но был прерван из-за неблагоприятных погодных условий; впоследствии капсула была запущена вместо этого 14 октября. Подвиг Баумгартнера также ознаменовал 65-ю годовщину успешной попытки американского летчика-испытателя Чака Йегера преодолеть звуковой барьер в самолете.

Баумгартнер приземлился в восточной части Нью-Мексико после прыжка с мирового рекорда. 128 100 футов (39 045 м), или 24,26 мили, и преодолел звуковой барьер, двигаясь со скоростью до 833,9 миль в час (1342 км / ч, или 1,26 Маха). На пресс-конференции после прыжка было объявлено, что он находился в свободном падении 4 минуты 18 секунд, что является вторым по продолжительности свободным падением после прыжка Джозефа Киттингера в 1960 году в течение 4 минут 36 секунд.

Алан Юстас

В октябре 2014 года Алан Юстас, старший вице-президент Google, побил рекорд Баумгартнера по высочайшему прыжку с парашютом, а также преодолел звуковой барьер в процесс. Однако, поскольку прыжок Юстаса включал тормозной парашют, а прыжок Баумгартнера — нет, их рекорды вертикальной скорости и дистанции свободного падения остаются в разных категориях.

Что происходит на самом деле?

Так называемый момент преодоления звукового барьера на практике представляет собой прохождение ударной волны с нарастающим гулом двигателей самолёта. Теперь аппарат опережает сопровождающий его звук, поэтому гул двигателя будет слышен после него. Приближение скорости летательных аппаратов к скорости звука стало возможным ещё в ходе Второй мировой войны, но при этом пилоты отмечали тревожные сигналы в работе самолётов.

После окончания войны немало авиаконструкторов и лётчиков стремились достичь скорости звука и преодолеть звуковой барьер, но многие из этих попыток заканчивались трагически. Пессимистически настроенные учёные утверждали, что этот предел превзойти невозможно. Отнюдь не экспериментальным, но научным путём получилось объяснить природу понятия «звуковой барьер» и найти способы его преодоления.

Для чего нужно измерение скорости в Махах?

Слово «MACH» или буква «М» значатся на особых индикаторах скорости в пилотских кабинах — этими приборами часто дополняют измерители приборной скорости и на летном жаргоне их именуют «махометрами». Лимб «махометра» размечен в условных единицах — условно говоря, если его стрелка встанет на цифру 1, то самолет летит со скоростью звука в данный момент времени и на данной высоте. Если полет, предположим, проходит низко над землей, то фактическая скорость при 1 Махе будет равняться 1224 км/ч, если на высоте десяти тысяч метров — 1076 км/ч.

Но возникает естественный вопрос — для чего пилоту необходимы данные скорости с «махометра»? Дело в том, что момент перехода через звуковой барьер связан с резкими изменениями аэродинамического баланса самолета и требует повышенного внимания в управлении. И этот момент как раз точно индицирует «махометр».

В дальнейшем, после «перехода через единицу» этот прибор также необходим для оценки реальной ситуации, что называется, «онлайн», ибо за звуковым пределом машина ведет себя совсем не так, как до него. Ну, и наконец, индикация реальной скорости в Махах нужна для отслеживания числа М, обозначенного создателями самолета, как конструктивный предел его прочности.

Впрочем, «махометр» имеется не в каждом самолете. Собственно, принято считать, что для летающих машин, не превышающих скоростей около 400 км/ч и высот около 2–3 тысяч километров конвертация скорости в число М неактуальна — самолет в своем штатном дозвуковом диапазоне рабочих скоростей ведет себя достаточно линейно и предсказуемо.

Эта таинственная наука – аэродинамика

В науке аэродинамике, призванной разъяснить явления, сопровождающие движение летательного аппарата, существует понятие «звуковой барьер». Это ряд явлений, возникающих при движении сверхзвуковых самолётов или ракет, которые передвигаются на скоростях, приближенных к скорости звука или больших.

Исторические факты

• Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
• В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
• Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
• 15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
• 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.

Вербальные и материальные памятники покорению скорости звука

Достижения в преодолении звукового барьера высоко ценятся и сегодня. Так, самолёт, на котором Чак Йегер впервые его преодолел, сейчас выставлен в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики, который находится в Вашингтоне. Но технические параметры этого человеческого изобретения мало бы стоили без достоинств самого пилота. Чак Йегер прошёл лётное училище и воевал в Европе, после чего вернулся в Англию. Несправедливое отстранение от полётов не сломило дух Йегера, и он добился приёма у главнокомандующего войсками Европы. За годы, оставшиеся до конца войны, Йегер участвовал в 64 боевых вылетах, во время которых сбил 13 самолётов. На родину Чак Йегер вернулся со званием капитана. В его характеристике указана феноменальная интуиция, невероятное хладнокровие и выдержка в критических ситуациях. Не один раз Йегер устанавливал рекорды на своём самолёте. Его дальнейшая карьера шла в подразделениях ВВС, где он осуществлял тренинг пилотов. В последний раз Чак Йегер преодолел звуковой барьер в 74 года, что пришлось на пятидесятую годовщину его истории полётов и на 1997 год.

Комплексные задачи создателей летательных аппаратов

Известные на весь мир самолеты МиГ-15 стали создавать в тот момент, когда разработчики поняли, что невозможно базироваться только на преодолении звукового барьера, а следует решать комплексные технические задачи. В результате была создана машина настолько удачная, что её модификации встали на вооружение разных стран. Несколько различных конструкторских бюро включились в своеобразную конкурентную борьбу, призом в которой был патент на самый успешный и функциональный летательный аппарат. Разрабатывались самолёты со стреловидными крыльями, что было революцией в их конструкции. Идеальный аппарат должен был быть мощным, быстрым и невероятно устойчивым к любым повреждениям извне. Стреловидные крылья у самолётов стали элементом, который помогал им втрое повышать скорость звука. Далее скорость самолётов продолжала нарастать, что объяснялось увеличением мощности двигателей, применением инновационных материалов и оптимизацией аэродинамических параметров. Преодоление звукового барьера стало возможным и реальным даже для непрофессионала, но менее опасным оно от этого не становится, поэтому любой экстремал должен здраво оценивать свои силы, прежде чем решиться на такой эксперимент.

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом. Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса связан с числом Маха соотношением:

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте — самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.