С какой скоростью самолет преодолевает звуковой барьер и звук Конкорда при преодолении звукового барьера (видео)

Что мы представляем себе, когда слышим выражение «звуковой барьер»? Некий предел и преграду, преодоление которой может серьёзно повлиять на слух и самочувствие. Обычно звуковой барьер соотносят с покорением воздушного пространства и профессией лётчика.

Преодоление этой преграды способно спровоцировать развитие застарелых болезней, болевых синдромов и аллергических реакций. Правильны ли эти представления или они представляют собой установившиеся стереотипы? Имеют ли они под собой фактическую основу? Что такое звуковой барьер? Как и почему он возникает? Всё это и некоторые дополнительные нюансы, а также исторические факты, связанные с этим понятием, мы попробуем выяснить в данной статье.

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.

Что такое ударная волна?

В процессе обтекания аппарата сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе возникает ударная волна. Её следы могут быть заметны даже невооружённым глазом. На земле они выражены жёлтой линией. Вне конуса ударной волны, перед жёлтой линией, на земле самолёт даже не слышно. При скорости, превышающей звуковую, тела подвергаются обтеканию звуковым потоком, что влечёт за собой ударную волну. Она может быть не одна, что зависит от формы тела.

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.

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.

Выведенные рекомендации для безопасных полётов

Безопасные полёты на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях возможны при избегании волнового кризиса, возникновение которого зависит от аэродинамических параметров самолёта и высоты производимого полёта. Переходы с одного уровня скорости на другой должны выполняться максимально оперативно с применением форсажа, что поможет избежать долгого полёта в зоне волнового кризиса. Волновой кризис как понятие пришёл из водного транспорта. Возникал он в момент движения судов со скоростью, близкой к скорости волн на поверхности воды. Попадание в волновой кризис влечёт за собой затруднение роста скорости, и если максимально просто преодолеть волновой кризис, то можно выйти на режим глиссирования или скольжения по водной глади.

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.

Самое необычное преодоление звукового барьера

Странно подумать, но первым в мире изобретением, преодолевшим этот предел, стал обычный хлыст, который придумали древние китайцы почти 7 тысяч лет назад. Практически до изобретения моментальной фотографии в 1927 году никто и не подозревал, что щелчок хлыста – это миниатюрный звуковой удар. Резкий взмах формирует петлю, а скорость резко возрастает, что и подтверждает щелчок. Звуковой барьер преодолевается на скорости порядка 1200 км/час.

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.

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.

Воспользуйтесь нашими услугами

Вот как-то так. При этом первое понятие употребляется значительно реже, чем второе. Это, видимо, оттого, что слово сверхзвуковой звучит более экзотично и привлекательно. А в сверхзвуковом полете экзотика безусловно присутствует и, естественно, привлекает многих. Однако далеко не все люди, смакующие слова «сверхзвуковой барьер» понимают на самом деле, что же такое. Не раз уже в этом убеждался, заглядывая на форумы, читая статьи даже смотря телевизор.

Вопрос этот на самом деле с точки зрения физики достаточно сложен. Но мы в сложности, конечно, не полезем. Просто постараемся, как обычно, прояснить ситуацию используя принцип «объяснения аэродинамики на пальцах».

Звуковые волны (камертон).

Это чередование областей сжатия и разрежения, распространяющихся в разные стороны от источника звука. Примерно как круги на воде, которые тоже как раз волнами и являются (только не звуковыми). Именно такие области, воздействуя на барабанную перепонку уха, позволяют нам слышать все звуки этого мира, от человеческого шепота до грохота реактивных двигателей.

Пример звуковых волн.

Точками распространения звуковых волн могут быть различные узлы самолета. Например двигатель (его звук известен любому), или детали корпуса (например, носовая часть), которые, уплотняя перед собой воздух при движении, создают определенного вида волны давления (сжатия), бегущие вперед.

Все эти звуковые волны распространяются в воздушной среде с уже известной нам скоростью звука. То есть если самолет дозвуковой, да еще и летит на малой скорости, то они от него как бы убегают. В итоге при приближении такого самолета мы слышим сначала его звук, а потом уже пролетает он сам.

Оговорюсь, правда, что это справедливо, если самолет летит не очень высоко. Ведь скорость звука – это не скорость света. Величина ее не столь велика и звуковым волнам нужно время, чтобы дойти до слушателя. Поэтому очередность появления звука для слушателя и самолета, если тот летит на большой высоте может измениться.

А раз звук не так уж и быстр, то с увеличением собственной скорости самолет начинает догонять волны им испускаемые. То есть, если бы он был неподвижен, то волны расходились бы от него в виде концентрических окружностей, как круги на воде от брошенного камня. А так как самолет движется, то в секторе этих кругов, соответствующем направлению полета, границы волн (их фронты) начинают сближаться.

Дозвуковое движение тела.

Соответственно, промежуток между самолетом (его носовой частью) и фронтом самой первой (головной) волны ( то есть это та область, где происходит постепенное, в известной степени, торможение набегающего потока при встрече с носовой частью самолета (крыла, хвостового оперения) и, как следствие, увеличение давления и температуры) начинает сокращаться и тем быстрее, чем больше скорость полета.

Наступает такой момент, когда этот промежуток практически исчезает (или становится минимальным), превращаясь в особого рода область , которую называют скачком уплотнения. Это происходит тогда, когда скорость полета достигает скорости звука, то есть самолет движется с той же скоростью, что и волны им испускаемые. Число Маха при этом равно единице (М=1).

Звуковое движение тела (М=1).

Скачок уплотнения, представляет собой очень узкую область среды (порядка 10-4 мм), при прохождении через которую происходит уже не постепенное, а резкое (скачкообразное) изменение параметров этой среды — скорости, давления, температуры, плотности. В нашем случае скорость падает, давление, температура и плотность растут. Отсюда такое название — скачок уплотнения.

Несколько упрощенно обо всем этом я бы еще сказал так. Сверхзвуковой поток резко затормозить невозможно, но ему это делать приходится, ведь уже нет возможности постепенного торможения до скорости потока перед самым носом самолета, как на умеренных дозвуковых скоростях. Он как бы натыкается на участок дозвука перед носом самолета (или носком крыла) и сминается в узкий скачок, передавая ему большую энергию движения, которой обладает.

Можно, кстати, сказать и наоборот, что самолет передает часть своей энергии на образование скачков уплотнения, чтобы затормозить сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковое движение тела.

Есть для скачка уплотнения и другое название. Перемещаясь вместе с самолетом в пространстве, он представляет собой по сути дела фронт резкого изменения вышеуказанных параметров среды (то есть воздушного потока). А это есть суть ударная волна.

Скачок уплотнения и ударная волна, вобщем-то, равноправные определения, но в аэродинамике более употребимо первое.

Режимы движения тела. ! – дозвук, 2 – М=1, сверхзвук, 4 – ударная волна (скачок уплотнения).

Форма этого конуса (его так сказать «стройность») как раз и зависит от числа М и связана с ним соотношением: М= 1/sin α,  где α – это угол между осью конуса и его образующей. А коническая поверхность касается фронтов всех звуковых волн, источником которых стал самолет, и которые он «обогнал», выйдя на сверхзвуковую скорость.

Кроме того скачки уплотнения могут быть также присоединенными, когда они примыкают к поверхности тела, двигающегося со сверхзвуковой скоростью или же отошедшими, если они с телом не соприкасаются.

Виды скачков уплотнения при сверхзвуковом обтекании тел различной формы.

Обычно скачки становятся присоединенными, если сверхзвуковой поток обтекает какие-либо остроконечные поверхности. Для самолета это, например, может быть заостренная носовая часть, ПВД, острый край воздухозаборника. При этом говорят «скачок садится», например, на нос.

А отошедший скачок может получиться при обтекании закругленных поверхностей, например, передней закругленной кромки толстого аэродинамического профиля крыла.

Различные узлы корпуса летательного аппарата создают в полете довольно сложную систему скачков уплотнения. Однако, наиболее интенсивные из них – два. Один головной на носовой части и второй – хвостовой на элементах хвостового оперения. На некотором расстоянии от летательного аппарата промежуточные скачки либо догоняют головной и сливаются с ним, либо их догоняет хвостовой.

Скачки уплотнения на модели самолета при продувке в аэродинамической трубе (М=2).

В итоге остаются два скачка, которые, вобщем-то, воспринимаются земным наблюдателем как один из-за небольших размеров самолета по сравнению с высотой полета и, соответственно,т небольшим промежутком времени между ними.

Интенсивность ( другими словами энергетика) ударной волны (скачка уплотнения) зависит от различных параметров (скорости движения летательного аппарата, его конструктивных особенностей, условий среды и др.) и определяется перепадом давления на ее фронте.

По мере удаления от вершины конуса Маха, то есть от самолета, как источника возмущений ударная волна ослабевает, постепенно переходит в обычную звуковую волну и в конечном итоге совсем исчезает.

А от того, какой степени интенсивностью будет обладать скачок уплотнения (или ударная волна), достигший земли зависит эффект, который он может там произвести. Ведь не секрет, что всем известный «Конкорд» летал на сверхзвуке только над Атлантикой, а военные сверхзвуковые самолеты выходят на сверхзвук на больших высотах или в районах, где отсутствуют населенные пункты (по крайней мере вроде как должны это делать.

Однако в большинстве своем то, что остается от скачков уплотнения при достижении ими земли уже неопасно. Просто сторонний наблюдатель на земле может при этом услышать звук, схожий с грохотом или взрывом. Именно с этим фактом связаны одно расхожее и довольно стойкое заблуждение.

Люди, не слишком искушенные в авиационной науке, услышав такой звук, говорят, что это самолет преодолел звуковой барьер (сверхзвуковой барьер). На самом деле это не так. Это утверждение не имеет ничего общего с действительностью по крайней мере по двум причинам.

Во-первых, если человек, находящийся на земле, слышит высоко в небе гулкий грохот, то это означает, всего лишь, (повторяюсь :-)) что его ушей достиг фронт ударной волны (или скачок уплотнения) от летящего где-то самолета. Этот самолет уже летит на сверхзвуковой скорости, а не только что перешел на нее.

И если этот же человек смог бы вдруг оказаться в нескольких километрах впереди по следованию самолета, то он опять бы услышал тот же звук от того же самолета, потому что попал бы под действие той же ударной волны, движущейся вместе с самолетом.

Она перемещается со сверхзвуковой скоростью, и по сему приближается бесшумно. А уже после того, как она окажет свое не всегда приятное воздействие на барабанные перепонки (хорошо, когда только на них :-)) и благополучно пройдет дальше, становится слышен гул работающих двигателей.

Примерная схема полета самолета при различных значениях числа М на примере истребителя Saab 35 “Draken”. Язык, к сожалению, немецкий, но схема вобщем понятна.

Более того сам переход на сверхзвук не сопровождается никакими единовременными «бумами», хлопками, взрывами и т.п. На современном сверхзвуковом самолете летчик о таком переходе чаще всего узнает только по показанию приборов. При этом происходит, однако, некий процесс, но он при соблюдении определенных правил пилотирования ему практически не заметен.

Но и это еще не все. Скажу больше. Звуковой барьер в виде именно какого-то ощутимого, тяжелого, труднопересекаемого препятствия, в который самолет упирается и который нужно «прокалывать» (слышал я и такие суждения :-)) не существует.

Строго говоря, вообще никакого барьера нет. Когда-то на заре освоения больших скоростей в авиации это понятие сформировалось скорее как психологическое убеждение о трудности перехода на сверхзвуковую скорость и полете на ней. Появились даже высказывания о том, что это вообще невозможно, тем более, что предпосылки к такого рода убеждениям и высказываниям были вполне конкретные.

В аэродинамике существует другой термин, который достаточно точно описывает процесс взаимодействия с воздушным потоком тела, движущегося в этом потоке и стремящегося перейти на сверхзвук. Это волновой кризис. Именно он как раз и делает некоторые нехорошие вещи, которые традиционно ассоциируют с понятием звуковой барьер.

Итак кое-что о кризисе. Любой летательный аппарат состоит из частей, обтекание которых воздушным потоком в полете может быть не одинаково. Возьмем, к примеру, крыло, точнее обыкновенный классический дозвуковой профиль.

Из основ знаний о том, как образуется подъемная сила нам хорошо известно, что скорость потока в прилежащем слое верхней криволинейной поверхности профиля разная. Там где профиль более выпуклый она больше общей скорости потока, далее, когда профиль уплощается она снижается.

Когда крыло движется в потоке на скоростях, близких к скорости звука, может наступить момент, когда в такой вот, к примеру, выпуклой области скорость слоя воздуха, которая уже итак больше общей скорости потока, становится звуковой и даже сверхзвуковой.

Местный скачок уплотнения, возникающий на трансзвуке при волновом кризисе.

Дальше по профилю эта скорость снижается и в какой-то момент опять становится дозвуковой. Но, как мы уже говорили выше, быстро затормозиться сверзвуковое течение не может, поэтому неизбежно возникновение скачка уплотнения.

Такие скачки появляются на разных участках обтекаемых поверхностей, и первоначально они достаточно слабы, но количество их может быть велико, и с ростом общей скорости потока увеличиваются зоны сверхзвука, скачки «крепнут» и сдвигаются к задней кромке профиля. Позже такие же скачки уплотнения появляются на нижней поверхности профиля.

Далее с ростом скорости размер сверхзвуковых зон все увеличиваются и в конечном итоге весь профиль полностью попадает в зону сверхзвукового обтекания. Самолет переходит на сверхзвук.

Полное сверхзвуковое обтекание профиля крыла.

Чем все это чревато? А вот чем. Первое – это значительный рост аэродинамического сопротивления в диапазоне трансзвуковых скоростей (около М=1, более или менее). Это сопротивление растет за счет резкого увеличения одной из его составляющих – волнового сопротивления. Того самого, которое мы ранее при рассмотрении полетов на дозвуковых скоростях во внимание не принимали.

Для образования многочисленных скачков уплотнения (или ударных волн) при торможении сверхзвукового потока, как я уже говорил выше, тратится энергия, и берется она из кинетической энергии движения летательного аппарата. То есть самолет элементарно тормозится (и очень ощутимо!). Это и есть волновое сопротивление.

Более того, скачки уплотнения из-за резкого торможения потока в них, способствуют отрыву пограничного слоя после себя и превращения его из ламинарного в турбулентный. Это еще более увеличивает аэродинамическое сопротивление.

Отекание профиля при различных числах М. Скачки уплотнения, местные зоны сверхзвука, турбулентные зоны.

Второе. Из-за появления местных сверхзвуковых зон на профиле крыла и дальнейшем их сдвиге к хвостовой части профиля с увеличением скорости потока и, тем самым, изменения картины распределения давления на профиле, точка приложения аэродинамических сил (центр давления) тоже смещается к задней кромке. В результате появляется пикирующий момент относительно центра масс самолета, заставляющий его опустить нос.

Резкое возрастание аэродинамического сопротивления на трансзвуке (волновой кризис) за счет роста волнового сопротивления. Сd – коэффициент сопротивления.

Далее. Из-за возникновения пикирующего момента появляются сложности в управлении по тангажу. Кроме того из-за неупорядоченности и неравномерности процессов, связанных с возникновением местных сверхзвуковых зон со скачками уплотнения тоже затрудняется управление. Например по крену, из-за разных процессов на левой и правой плоскостях.

Да еще плюс возникновение вибраций, часто довольно сильных из-за местной турбулизации.

Вобщем, полный набор удовольствий, который носит название волновой кризис. Но, правда, все они имеют место (имели,конкретное :-)) при использовании типичных дозвуковых самолетов (с толстым профилем прямого крыла) с целью достижения сверхзвуковых скоростей.

Первоначально, когда еще не было достаточно знаний, и не были всесторонне исследованы процессы выхода на сверхзвук, этот самый набор считался чуть ли не фатально непреодолимым и получил название звуковой барьер (или сверхзвуковой барьер, если хотите :-)).

При попытках преодоления скорости звука на обычных поршневых самолетах было немало трагических случаев. Сильная вибрация порой приводила к разрушениям конструкции. Самолетам не хватало мощности для требуемого разгона. В горизонтальном полете он был невозможен из-за эффекта запирания воздушного винта, имеющего ту же природу, что и волновой кризис.

Поэтому для разгона применяли пикирование. Но оно вполне могло стать фатальным. Появляющийся при волновом кризисе пикирующий момент делал пике затяжным, и из него, иной раз, не было выхода. Ведь для восстановления управления и ликвидации волнового кризиса необходимо было погасить скорость. Но сделать это в пикировании крайне трудно (если вообще возможно).

Затягивание в пикирование из горизонтального полета считается одной из главных причин катастрофы в СССР 27 мая 1943 года известного экспериментального истребителя БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем. Проводились испытания на максимальную скорость полета, и по оценкам конструкторов достигнутая скорость была больше 800 км/ч. После чего произошло затягивание в пике, из которого самолет не вышел.

В наше время волновой кризис уже достаточно хорошо изучен и преодоление звукового барьера (если это требуется :-)) особого труда не составляет. На самолетах, которые предназначены для полетов с достаточно большими скоростями применены определенные конструктивные решения и ограничения, облегчающие их летную эксплуатацию.

Как известно, волновой кризис начинается при числах М, близких к единице. Поэтому практически все реактивные дозвуковые лайнеры (пассажирские, в частности) имеют полетное ограничение по числу М. Обычно оно находится в районе 0,8-0,9М. Летчику предписывается следить за этим. Кроме того на многих самолетах при достижении уровня ограничения срабатывает сигнализация, после чего скорость полета должна быть снижена.

Практически все самолеты, летающие на скоростях как минимум 800 км/ч и выше имеют стреловидное крыло (по крайней мере по передней кромке :-)). Оно позволяет отодвинуть начало наступления волнового кризиса до скоростей, соответствующих М=0,85-0,95.

Стреловидное крыло. Принципиальное действие.

Причину такого эффекта можно объяснить достаточно просто. На прямое крыло воздушный поток со скоростью V набегает практически под прямым углом, а на стреловидное (угол стреловидности χ) под некоторым углом скольжения β. Скорость V можно в векторном отношении разложить на два потока: Vτ и Vn.

Поток Vτ не влияет на распределение давления на крыле, зато это делает поток Vn, как раз и определяющий несущие свойства крыла. А он заведомо меньше по величине общего потока V. Поэтому на стреловидном крыле наступление волнового кризиса и рост волнового сопротивления происходит ощутимо позже, чем на прямом крыле при той же скорости набегающего потока.

Экспериментальный истребитель Е-2А (предшественник МИГ-21). Типичное стреловидное крыло.

Одной из модификаций стреловидного крыла стало крыло со сверхкритическим профилем (упоминал о нем здесь). Оно тоже позволяет сдвинуть начало волнового кризиса на большие скорости, кроме того позволяет повысить экономичность, что немаловажно для пассажирских лайнеров.

SuperJet 100. Стреловидное крыло со сверхкритическим профилем.

Если же самолет предназначен для перехода звукового барьера (проходя и волновой кризис тоже  и полета на сверхзвуке, то он обычно всегда отличается определенными конструктивными особенностями. В частности, обычно имеет тонкий профиль крыла и оперения с острыми кромками (в том числе ромбовидный или треугольный) и определенную форму крыла в плане (например, треугольную или трапециевидную с наплывом и т.д.).

МИГ-25. Пример типичного самолета, созданного для полета на сверхзвуке. Тонкие профили крыла и оперения, острые кромки. Трапециевидное крыло. профиль

Прохождение пресловутого звукового барьера, то есть переход на сверхзвуковую скорость такие самолеты осуществляют на форсажном режиме работы двигателя в связи с ростом аэродинамического сопротивления, ну и, конечно, для того, чтобы быстрее проскочить зону волнового кризиса. И сам момент этого перехода чаще всего никак не ощущается (повторяюсь :-)) ни летчиком (у него разве что может снизиться уровень звукового давления в кабине), ни сторонним наблюдателем, если бы, конечно, он мог за этим наблюдать :-).

Однако, здесь стоит сказать еще об одном заблуждении, со сторонними наблюдателями связанным. Наверняка многие видели такого рода фотографии, подписи под которыми гласят, что это есть момент преодоления самолетом звукового барьера, так сказать, визуально.

Эффект Прандтля-Глоэрта. Не связан с прохождением звукового барьера.

Во-первых, мы уже знаем, что звукового барьера, как такового-то и нет, и сам переход на сверхзвук ничем таким сверхординарным (в том числе и хлопком или взрывом ) не сопровождается.

Во-вторых. То, что мы видели на фото – это так называемый эффект Прандтля-Глоэрта. Я о нем уже писал здесь. Он никак напрямую не связан с переходом на сверхзвук. Просто на больших скоростях (дозвуковых, кстати :-)) самолет, двигая перед собой определенную массу воздуха создает сзади некоторую область разрежения. Сразу после пролета эта область начинает заполняться воздухом из близлежащего пространства с естественным увеличением объема и резким падением температуры.

Если влажность воздуха достаточна и температура падает ниже точки росы окружающего воздуха, то происходит конденсация влаги из водяных паров в виде тумана, который мы и видим. Как только условия восстанавливаются до исходных, этот туман сразу исчезает. Весь этот процесс достаточно скоротечен.

Такому процессу на больших околозвуковых скоростях могут способствовать местные скачки уплотнения, иногда помогая формировать вокруг самолета нечто похожее на пологий конус.

Большие скорости благоприятствуют этому явлению, однако, если влажность воздуха окажется достаточной, то оно может возникнуть (и возникает) на довольно малых скоростях. Например, над поверхностью водоемов. Большинство, кстати, красивых фото такого характера сделаны с борта авианосца, то есть в достаточно влажном воздухе.

https://youtube.com/watch?v=fhSsL1rEGuQ%3Frel%3D0

А на сегодня все. Спасибо, что дочитали статью до конца

Вот как «Конкорд» переходил звуковой барьер

«Конкорд», он же «Concorde» в оригинальном написании – единственный оставшийся в начале XXI сверхзвуковой пассажирский реактивный самолет. Да, он, как и разнообразные реактивные штурмовики, истребители-перехватчики и бомбардировщики по типу ТУ-22М3, мог развивать скорость превышающую скорость звука.

Именно эта особенность, в итоге и привела к завершению истории сверхпрестижной серии самолетов, а не авария над Парижем в 2000 году, как считают многие. Он был слишком прожорлив, вмещал слишком небольшое количество пассажиров, а маршруты, по которым были проложены полетные трассы были чрезвычайно ограничены. И знаете почему? Из-за очень мощного хлопка при переходе через звуковой барьер.

Используя свои четыре форсажных реактивных двигателя (да, там применялся точно такой же форсаж как на военных истребителе или бомбардировщике), он мог комфортно летать на скоростях более Мах 2 (свыше 2.100 км/ч), на высоте порядка 18 км над уровнем моря.

Да, такой экстремально быстрый метод передвижения был просто великолепен для пассажиров, летящих из Нью-Йорка в Лондон или обратно. 3 часа и Атлантика преодолена! В обычном самолете этот путь занимает в два раза дольше – порядка 6-7 часов. Но помимо всех других вышеназванных неприятных явлений, сверхзвуковой лайнер имел еще один нюанс – чрезвычайно громкое преодоление звукового барьера – многочисленные ударные волны, генерируемые позади него, в момент перехода звукового барьера.

То, как «Конкорд» переходил этот барьер мало кто слышал, учитывая, что международные правила полетов самолетов такого класса обязывали прокладывать маршрут исключительно над водами Атлантики и других океанов, смотря по какому маршруту следовали лайнеры, чтобы момент перехода на сверхзвук не был слышен никому на земле.

Единственный шанс запечатлеть хлопок на видео – оказаться в лодке посреди Атлантического океана. Например, как эти люди (приглушите звук в наушниках или колонках, прежде чем посмотреть видеоролик, самолет был действительно громким):

Очень интересный БА-БАХ!

А вот как барьер преодолевают другие самолеты:

Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва. В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.

Величина сверхзвуковой скорости полета

Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.

Величина сверхзвуковой скорости полета

На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.

Особенности сверхзвукового полета

Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.

После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.

На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.

Вы когда-нибудь слышали хлопок от самолета, переходящего сверхзвуковой барьер?

Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?

Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).

Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.

Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.

Российский пассажирский сверхзвуковой самолет

Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.

Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия

Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.

Первым выдающимся достижением в развитии сверхбыстрых скоростей считается тестовый полет летчика-испытателя компании «Messerschmitt» Л. Гофмана, сумевшего разогнать реактивный сверхзвуковой самолет ME-262 до 981 км/час на высоте более 7 км. Однако после этого рекорда показатели максимальной скорости еще долго оставались на прежнем уровне. Гиперзвуковой полет отличается от обычного иной аэродинамической картиной, позволяющей летательному аппарату передвигаться в условиях разреженного воздуха.

Что происходит с самолетом?

Переходя в область сверхзвуковой скорости, самолеты сталкиваются с сильной тряской, волновым сопротивлением, ударными волнами, скачками уплотнения и необходимостью преодолеть гиперзвуковой барьер. Еще одним малоприятным моментом является флаттер — дрожание, проявляющее себя в момент достижения определенных показателей скорости движения. В результате возникающего резонанса повышается риск деформации отдельных частей самолета, который может привести к его крушению.

Полет на сверхзвуковой скорости

Для коренных преобразований в сфере авиации инженерам потребовалось учесть возникающие явления и эффекты, присущие высоким скоростям, а также внести ряд качественных изменений в конструкции существующих лайнеров. Для этого гиперзвуковые самолеты были оснащены треугольными или стреловидными крыльями, оборудованными специальными наплывами для образования спирального искусственного вихря. Изменению подверглись стабилизаторы, получившие цельно-поворотную конструкцию и другие элементы.

С чего все началось?

Первый сверхзвуковой самолет в мире был запущен в серийное производство в 1958 году американской корпорацией «McDonellDouglas». Процесс создания прототипа реактивного судна занял несколько лет, и был инициирован по заказу ВВС США. Проектирование планера Douglas C-8 было нацелено на создание универсального самолета, соответствующего актуальным коммерческим стандартам безопасности и надежности. Особое внимание инженеры уделяли конструктивным особенностям крыльев, обладающих стреловидной формой и заметным сужением.

А Вы знали, что сверхзвуковой самолет должен обладать крылом особой формы?

Первым сверхзвуковым самолетом, поступившим в серийное производство в Советском Союзе, стал МИГ-19, применявшийся для нужд противовоздушной обороны СССР. Истребитель был разработан на базе опытного самолета СМ-1 в 1952 году. На испытаниях в 1954 году МИГ-19 сумел развить скорость свыше 1649 км/час. После применения ракетного ускорителя показатели максимальной скорости увеличились до 1929 км/час.

Первый сверхзвуковой самолет в СССР

Первый гиперзвуковой советский пассажирский лайнер был выпущен в конструкторском бюро Туполева в 60-х годах и назывался ТУ-144. Перед создателями модели стояла задача разработать самолет, предназначенный для перевозки пассажиров и способный развивать скорость выше звуковой. Первый ТУ-144 сошел с конвейера почти на 3 месяца раньше выхода британско-французского сверхзвукового лайнера «Concorde». Преодолеть звуковой барьер ему удалось на испытаниях летом 1969 года на высоте 11 км. Число маха во время следующего тестирования в 1970 году составило 2, что эквивалентно скорости 2151 км/час.

Развитие гражданской авиации

На развитие гражданской авиации серьезное влияние оказали технические достижения, полученные в результате военных разработок 60-х годов. Инженеры разных стран сумели искоренить главные проблемы, мешавшие преодолеть звуковой барьер, и спроектировали первые сверхзвуковые самолеты для нужд гражданского населения. Первый пассажирский авиалайнер, предназначенный для транспортировки пассажиров — упомянутый выше Douglas C-8, развивший скорость свыше 1261 км/час на испытаниях, проходивших на высоте 15800 метров.

Первый вылет «Конкорда» состоялся весной 1969 года. В отличие от пассажирского лайнера ТУ-144, до двухтысячного года данная модель ни единого раза не фигурировала в сводках прессы, посвященных авиакатастрофам. Летом 2000 года произошла первая авария с участием «Конкорда», который рухнул на крышу отеля сразу после вылета из главного аэровокзала Франции «Шарль Де Голль». ТУ-144 принадлежат не только лавры пионера в задаче покорения скорости звука, но и печальная слава, закрепившаяся за лайнером после катастрофы на знаменитой выставке «LeBourje», а также возгорания в 1978 году на одном из аэродромов Московской области.

Проверка установила, что возгорание произошло по причине ряда недоработок топливной системы обновленных двигателей. Пилоты ТУ-144 смогли посадить загоревшееся судно, однако дальнейшие рейсы коммерческого плана на нем были окончательно завершены. «Concorde» служил задачам пассажирской авиации намного дольше, но после катастрофы, произошедшей в двухтысячном году, пассажиропоток стал настолько мизерным, что спустя 3 года этот гиперзвуковой лайнер был убран из коммерческой эксплуатации.

Достижения зарубежом

Эра сверхзвуковых «Конкордов» завершилась в 2003 году, когда лайнеры французско-британского производства были окончательно выведены из коммерческой эксплуатации. Бурное развитие зарубежной авиации началось в 60-х годах, когда конструкторские бюро разных стран работали над созданием продвинутых бомбардировщиков, истребителей и самолетов, предназначенных для разведывательных задач.

Со скоростью звука и даже выше способен передвигаться легендарный истребитель пятого поколения F-22 «Raptor», использующий продвинутые технологии «stealth» (понижения заметности) и изготовленный из композитных полимерных и радиопоглощающих материалов. F-22 оснащается парой турбореактивных двухконтурных двигателей, обладающих высокой бесфорсажной тягой, которая позволяет истребителю передвигаться на гиперзвуковой скорости без задействования форсажа.

«Raptor» использует интегрированные системы связи, распознающие «своих» и «чужих» посредством радиолокационных датчиков. Самолеты вооружены 20-миллиметровыми пушками, корректируемыми снарядами, а также ракетами класса «воздух-воздух». Недостатком F-22 считается низкий объем топливных баков, делающий его зависимым от дозаправки в условиях воздушного пространства.

Сверхзвуковая авиация на данный момент

На текущий момент авиация не располагает полноценными аналогами «Конкордов» и ТУ-144, поскольку эти самолеты не соответствуют высоким требованиям безопасности и требуют слишком больших материальных затрат на заправку топливной смесью и содержание. Самой перспективной разработкой считается «Baby Boom XB-1», способный развивать скорость до 2,5 маха (2336 км/час). Лайнер отличается скромными габаритами: размах его крыльев составляет 5 метров, длина — 20 метров. XB-1 выполнен из легких композитных материалов и оснащается широкими задними кромками.

Инженеры-конструкторы из России по специальному указу президента разработали гиперзвуковой бомбардировщик ТУ-160, оснащенный цельноповоротным килем и стабилизаторами, флаперонами, интерцепторами, а также стреловидным или треугольным крылом в зависимости от модификации. Самолет экипирован четырьмя двухконтурными трехвальными двигателями и топливной системой из 13 резервуаров, заполняющихся азотированным авиационным топливом. ТУ-160 был задуман в качестве ракетоносца, предназначенного для транспортировки аэробаллистических гиперзвуковых ракет.

Крыло оживальной формы позволяет снизить аэродинамический нагрев центральных элементов космических кораблей и баллистических ракет, а также уменьшить сопротивление воздуха и повысить показатели дальности полета ракет, пуль и снарядов.

Технические характеристики

Скорость полета гиперзвукового судна превышает отметку в 1192 км/час, а сам лайнер должен обладать хорошими летными данными и малым сопротивлением, позволяющим ему передвигаться в воздушном пространстве. Если средняя скорость современного пассажирского самолета составляет порядка 820 км/час, то аналогичные показатели гиперзвукового летательного аппарата превышают 2110 км/час.

На какой высоте летают гиперзвуковые лайнеры? Самолеты подобного класса способны передвигаться в воздушном пространстве на высоте более 15 тысяч метров. К примеру, пассажирский лайнер «Конкорд» при перелетах поднимался на высоту 18 тысяч метров над землей, максимальная высота полета сверхзвукового самолета превышает 20 тысяч километров. NASA не так давно анонсировала запуск в серийное производство военных истребителей X-59 «Quesst», разработкой которых занимаются инженеры корпорации «Lockheed». На базе данного прототипа будут созданы и пассажирские лайнеры, способные передвигаться на высоте до 17 тысяч метров со скоростью свыше 1500 км/час.

Будущее сверхзвуковых полетов

Генеральный директор корпорации Boeing сказал, что в ближайшее десятилетие гиперзвуковые самолеты выйдут на новый виток своего развития, однако вопрос об экономичности скоростных рейсов на текущий момент до конца не решен. Совсем недавно компания «Боинг» представила проект пассажирского самолета, способного превышать скорость звука в несколько раз. Сотрудники американской «Boom Technology» обещают в ближайшие годы выпустить в серийное производство лайнер, который сократит продолжительность любого трансконтинентального рейса в 2,5 раза.

«Aerion Supersonic» из США анонсирует появление джетов бизнес-класса AS-2, оснащенных тремя двигателями и предназначенных для перевозки состоятельных пассажиров.