Звуковая волна от самолета

Что такое скорость звука?

Скорость звука – это скорость, с которой распространяются упругие волны в определенной среде. Данный показатель меняется в зависимости от среды. Например, скорость звука в воздухе – 331 м/с или 1191,6 км/ч.

Наверняка многим приходилось слышать о таинственном звуковом барьере, который преодолевают истребители и бомбардировщики, а также сверхзвуковые ракеты. Что это за барьер, можно ли его увидеть визуально и что является причиной громкого взрывоподобного звука?

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 27 января 2023 года; проверки требуют 4 правки.

Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда технических трудностей, вызванных явлениями, сопровождающими движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

Что такое звуковой барьер?

Звуковой барьер в области аэродинамики – это технические трудности, которые возникают в результате явлений, связанных с передвижением летательного аппарата на скорости равной либо превышающей скорость звука.

Нужно понимать, что это не реальное препятствие, которое должен преодолеть самолет, будто какую-то невидимую стену, а больше абстрактное понятие. Оно возникло в то время, когда в авиации лишь задумывались о летательных аппаратах, которые могут перемещаться на высокой скорости – сверхзвуковой. Многие даже настаивали на недостижимости подобных результатов.

Наверняка все в своей жизни неоднократно слышали характерный мощный хлопок, раздающийся от пролетающего в небе самолета. В таких случаях говорят, что “самолет преодолел звуковой барьер”, или “перешел на сверхзвук”. Но задумывались ли вы когда-нибудь, почему возникает это мощный звук и почему самолеты преодолевают звуковой барьер именно над вашей головой? Думаете это просто совпадение? Как бы не так! Дело в том, что этот “взрыв” на самом деле вовсе не связан с преодолением звукового барьера. Более того, сколько раз над вашей головой будет пролетать сверхзвуковой самолет, столько вы и будете слышать этот хлопок, даже если он будет лететь с постоянной скоростью. Разумеется, некая пограничная скорость, или звуковой барьер тоже существует, вот только с хлопками напрямую он никак не связан.

Хлопок от пролетающего самолета на самом деле не связан с преодолением сверхзвукового барьера

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.

Почему слышен хлопок при переходе на сверхзвук

Хлопок от самолета, который мы слышим, правильнее называть “звуковым ударом”, и он, как мы сказали выше, не связан с преодолением какой-либо пограничной скорости. Но почему же он возникает? Когда самолет летить с любой скоростью, перед его фюзеляжем, то есть носовой частью, возникает область повышенного давления, так как самолет буквально врезается в воздух.

На относительно небольших скоростях высокое давление перед самолетом образует лишь звуковые волны, то есть характерный шум, но не хлопки. Когда же скорость самолета высокая, то есть превышает скорость звука, звуковые волны не успевают удаляться. Резкий рост давления перед фюзеляжем образует слой сильно сжатого воздуха, что порождает ударную волну, которая расходится от самолета конусом и достигает поверхности земли.

Хлопок от самолета связан с ударной волной, достигающей органов слуха человека

Этот конус ударной волны всегда движется вместе с самолетом. Что самое интересное, ударные волны распространяются и достигают земли беззвучно. Хлопок же мы слышим только в тот момент, когда ударная волна, то есть граница воображаемого конуса, проходит сквозь человека. В этот момент давление воздуха вокруг человека скачкообразно повышается, что воспринимается ушами как хлопок. То есть этот звук существует только для слушателя в момент прохождения через него ударной волны, и с ускорением самолета никак не связан.

Насколько опасна ударная волна, распространяющаяся от сверхзвукового самолета? Так как расстояние от него до земли достаточно большое, она не способна вызвать какие-либо разрушения. Однако возле самолета ударная волна достаточно мощная. Поэтому, если он будет пролетать низко над многоэтажным домом, то выше 30 этажа ударная волна вполне может выбить стекла.

Преодоление самолетом звукового барьера — что это такое

Итак, если хлопок не связан с преодолением звукового барьера, то что вообще означает этот термин? В аэродинамике им принято называть резкий скачок сопротивления воздуха, который возникает при достижении самолетом определенной скорости, близкой к скорости звука.

Сверхзвуковой самолет имеет особую конструкцию, которая обеспечивает управляемость при полете с высокой скоростью

На такой скорости воздушные потоки начинают обтекать самолет иначе, то есть совсем не так, как это происходит на меньших скоростях. Это в свое время осложняло инженерам создание сверхзвукового самолета. К слову, даже сейчас создание сверхзвукового авиалайнера является большой проблемой для инженеров.

Скорость звука составляет 1234,8 км/ч. В настоящее время максимальная скорость самолета составляет 8200,8 км/ч, то есть более чем в шесть раз превышает скорость звука.

Разогнать обычный самолет до сверхзвуковой скорости особых проблем нет, но если он преодолеет сверхзвуковой барьер, потеряет управляемость и не сможет летать устойчиво. То есть, даже если он разгонится до такой скорости, то при ее достижении потерпит крушение.

Преодоление сверхзвукового барьера не сопровождается хлопком

Чтобы самолеты смогли преодолевать звуковой барьер, были созданы специальные крылья с особым аэродинамическим профилем. Кроме того, инженерам пришлось пойти на ряд других ухищрений, что в итоге обеспечило управляемость машин. Тем не менее пилот хорошо ощущает преодоление этой пограничной скорости, которое принято называть “аэродинамическим ударом”. Как отмечают сами пилоты, в этот момент происходят некие “скачки” управляемости. Но никаких звуковых явлений при этом не возникает.

Переходите по ссылке на наш ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ. Мы подготовили для вас множество интересных, захватывающих материалов посвященных науке.

Однако не стоит путать переход на сверхзвуковую скорость с турбулентностью, так как это совершенно разные явления. Подробнее о том, что такое турбулентность, почему она возникает и насколько опасна, мы рассказывали ранее.

Что это, преодоление звукового барьера? Ответ неверный

О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель BBC Future рассказывает об истинной причине феномена.

По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет — внутри компактного облака.

Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами — визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.

На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта — физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.

По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.

Так что же это за таинственные облака конденсата?

Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфере

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

Конец истории Подкаст

По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.

Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.

Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть — только при помощи специального оборудования.

Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.

При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсат

Фотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.

В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.

Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.

Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео.

«Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха», — говорит Ирвин.

На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США — и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.

Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.

Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазом

На таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.

Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы — ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.

Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично — на дозвуковой.

«Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения», — говорит Ирвин.

По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно — теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.

Все, что вам остается сделать, — попросить об услуге профессионального фотографа, и — вуаля! — ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.

Что бы я хотел, чтобы Вы, мой читатель, знали. А если не знаете, то поверили мне на слово.Первое. Существует закон сохранения энергии и, нравится это кому-то или нет, но его никто не отменял.Второе. Скорость звука в воздухе при «нормальных условиях» постоянна. Чтобы не давать определения «нормальным условиям», скажу так: скорость звука в «чистом поле» постоянна и равна 330 м/сек.И третье. Скорость — величина векторная и её можно разложить на составляющие. Например, Вы в школе решали задачу на движение тела, брошенного под углом к горизонту, и там раскладывали скорость на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Мы воспользуемся этим свойством скорости, но будем раскладывать её на несколько другие направления.Первые два положения будут необходимы нам для понимания, что же такое «звуковой удар».Третье — для описания «звукового удара» при сверхзвуковых скоростях.

И ещё, буквально несколько слов о звуке. Звук — это просто поток энергии, который регистрирует наша барабанная перепонка. И чем больше энергии приходит в единицу времени — тем громче звук. Всё просто! Обращаю Ваше внимание, что нам сейчас не важно, что является источником звука: корпус самолёта или истекающая газовая струя из двигателя. Нашей барабанной перепонке это, как говорится, по барабану! Просто сам самолёт является источником звука. И ещё, пожалуй, следует заметить, что шум от сверхзвукового самолёта существенно выше шума от дозвукового. Ну, да это и ёжику ясно.

Вот мы вышли в чистое поле и давайте договоримся о следующем:1. Мы оба стоим и смотрим в одну сторону.2. Самолёт будет пролетать над нами слева направо.3. Слева от нас, оттуда, откуда появляется самолёт, расположены три деревни: Ближнее Муракино, Среднее Муракино и, — самая дальняя, — Дальнее Муракино. (Мне, честно говоря, неохота было далеко ходить и я Вас вывел в поле у деревни Муракино, что рядом с моей дачей.)4. Кроме положения самолёта над каждой из деревень выделим на небе ещё две точки: точку «зенита» и точку «начала звучания сверхзвукового самолёта». Последняя точка как раз и отображена на рисунке Венедюхина.5. и последнее. Договоримся, что звук, пришедший с левой стороны слышит наше левое ухо, а с правой — правое. Это упрощение ровным счётом ничего не меняет: наши уши, по правде сказать, так и работают, когда определяют с какого направления пришёл звук. Просто при таком подходе всё становится наиболее наглядным.

А теперь «послушаем» два самолёта: один, летящий с существенно дозвуковой скоростью, и другой, например, со скоростью в два раза превышающий скорость звука.

Подведём итог этих двух пролётов.При дозвуковом полёте самолёта наше левое ухо воспринимает увеличивающийся по интенсивности поток звуковой энергии как ПРИБЛИЖЕНИЕ самолёта с левой стороны.При сверхзвуковом полёте самолёта имеем противоположную картину: наше левое ухо воспринимает уменьшающийся по интенсивности поток звуковой энергии как УДАЛЕНИЕ самолёта в левую сторону.А что мы имеем, когда самолёт летит со звуковой скоростью? Догадались? Правильно, вся энергия, которую самолёт, как источник звука (а это — ой, как немало!), испускал от Дальнего Муракино до точки зенита приходит РАЗОМ в левое ухо и мы имеем «звуковой удар».

Я думаю, теперь Вам понятно, почему возникает «звуковой удар».

Но это, так сказать, только первое приближение. Потому что мы, по правде говоря, рассмотрели самолёт, пронёсшийся в нескольких сантиметрах у нас над головами, и скорость которого относительно нас с Вами на всём продолжении полёта от Дальнего Муракина до точки наблюдения была постоянна.

А реальность несколько другая.Рассмотрим сверхзвуковой самолёт, летящий с двойной скоростью звука (как говорят — два Маха) и на высоте где-то 200 метров.Самолёт показался где-то над Дальним Муракино. Это ещё маленькая точка чуть выше горизонта.Разложим скорость самолёта на две составляющие: одна направлена строго на нас с Вами (а мы всё ещё в поле), и она указывает на то, что самолёт приближается к нам, другая, перпендикулярная ей — направлена вверх и соответствует постепенному «поднятию» самолёта к точке зенита.Понятно, что если Дальнее Муракино далеко (а оно далеко), то почти все два Маха направлены на нас, а к зениту направлена совсем маленькая составляющая скорости.Другое дело — точка зенита. В этом случае уже скорость прохождения точки зенита равна двум Махам, а составляющая, направленная на нас с Вами, равна нулю.Таким образом, составляющая скорости самолёта направленная на нас с Вами проходит значение от двух скоростей звука (от двух Махов) до ноля. Понятно, что где-то на отрезке от Дальнего Муракино до точки зенита она достигает и значения скорости звука. Пусть, например, она достигает значения скорости звука над Ближнем Муракино. Обычно в таких случаях думают, что самолёт преодолел «звуковой барьер» над Ближним Муракино, и что если уж у нас так громыхнуло(!), то что в бедном Ближнем Муракине делается! Наверное, хозяйки перепуганную скотину по огородам ловят. Успокойтесь, никто никого не ловит. Это просто для НАШЕЙ точки наблюдения значение СОСТАВЛЯЮЩЕЙ скорости стало равно скорости звука. И произошло простое формирование «ударного звукового пакета», но только для нас, для НАШЕЙ ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ. А в Ближнем Муракине всё относительно спокойно: они просто думают, что по «настоящему» то громыхнуло в Среднем Муракине, а им самим повезло. Что думают жители Среднего Муракина про возможные разрушения в Дальнем Муракино, догадаться уже нетрудно.

Если Вы терпеливо дочитали до этого места, то я очень рад. Надеюсь, нас уже двое, тех кто знает, почему полёт сверхзвукового самолёта сопровождается рёвом и грохотом.

И, самое интересное, чтобы это узнать нам не потребовалось никаких аэродинамических труб, продырявленных конусов Маха и корабликов на воде.А понадобился только закон сохранения энергии, о котором каждому посетителю этого сайта предлагаю просто всегда помнить.

Классификация скоростей в атмосфере

Поражающий фактор ударной волны

Ударная волна(ассоциируется со взрывом) — этот фактор является наиболее поражающим, потому как производит разрушение всего, что попадается на пути. Источником энергии выступает сильное давление, которое образуется в центре взрыва. Газы, которые возникают вследствие реакции, стремительно расширяются и расходятся во все стороны от центра взрыва с огромной скоростью (около 2 км/с).

Важность значения числа Маха

важное значение числа Маха объясняется тем, что оно определяет, превышает ли скорость течения газовой среды (или движения в газе тела) скорость звука или нет.и режимы движения имеют принципиальные различия;

— для авиации это различие выражается в том, что при сверхзвуковых режимах возникают узкие слои быстрого значительного изменения параметров течения (), приводящие к росту сопротивления тел при движении,

Предельно упрощённое объяснение числа Маха:

— является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение и где: — скорость потока,— местная скорость звука.

Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?

С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер». Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом».

Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления.

Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими,

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт ударной звуковой волны, достигает уха человека(с точки А), то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок.

Так что, если влажность воздуха и температура подходят, то такой туман – вызванный интенсивной конденсацией атмосферной влаги – сопровождает весь полёт самолёта.

Собственно, конденсат вы видите и на фотках внизу:

Почему при преодолении звукового барьера слышится хлопок

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Фото №1 ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе (Аэродинамическая лаборатория NASA)

NASA удалось получить фото ударной волны при преодолении самолётом звукового барьера

— след ударной волны на земле.

Снаружи конуса ударной волны(Маха), а на земле — перед жёлтой зоной самолёт не слышен.Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом (источник). При обтекании сверхзвуковым воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела).

Виды скачков уплотнения при сверхзвуковом обтеканиител различной формы

Однако, наиболее интенсивные из них – два. Один головной на носовой части и второй – на элементах хвостового оперения.

На некотором расстоянии от летательного аппарата промежуточные скачки либо догоняют головной и сливаются с ним, либо их догоняет хвостовой.

Рис. 1а. Крыло в близком к звуковому потоке

Рис. 1б. Крыло в сверхзвуковом потоке

Чем все это чревато?

– 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.  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.

. 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.

Как осуществляется штурм звукового барьера?

Самолет ТУ-144 Сверхзвуковой Пассажирский

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 , и приходилось опираться на продувание моделей в аэродинамических трубах.

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полётов 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);

Конструкторские решения для преодоления «звукового барьера»

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону больших значений.

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 , 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.

Ту-160 с изменяемой геометриейкрыла в полёте

с цельно-поворотным стабилизатором

, особенно если самолет предназначен для полетов на больших сверхзвуковых скоростях (тем более длительных полетов), обычно тонкий с острыми кромками (характерный пример — ).

Управляющие поверхности хвостового оперения из-за ухудшения условий управляемости на сверхзвуке имеют достаточно большую площадь. Часто стабилизаторы бывают цельно-поворотными, а на некоторых сверхзвуковых самолетах цельноповоротными сделаны и кили.

Каковы же особенности D-SEND 2? Прежде всего – его носовая часть не осесимметричная. Киль смещён к ней, и при этом, горизонтальное хвостовое оперение установлено как цельноповоротное. Оно также расположено под отрицательным углом к продольной оси.

И при этом законцовки оперения располагаются ниже, чем точка крепления. Крыло, плавно сопряжённое с фюзеляжем, выполнено с нормальной стреловидностью, но ступенчатое.

Сверхзвуковые пассажирские самолёты – вчера, сегодня, завтра

, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель  на экспериментальном самолёте 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, в полётах со снижением на опытном истребителе . Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер . 21 августа 1961 года он достиг скорости 1,012 М (1262 км/ч) в ходе управляемого пике с высоты 12 496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.

, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле

14 октября 2012 года  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.

Конструкция реактивного двигателя значительно меняется между сверхзвуковыми и дозвуковыми самолетами. Реактивные двигатели, как класс, могут обеспечить повышенную топливную экономичность на сверхзвуковых скоростях, даже если их удельный расход топлива больше на более высоких скоростях. Поскольку их скорость над землёй больше, это снижение эффективности меньше, чем пропорционально скорости до тех пор, пока она не превысит 2 Маха, а потребление на единицу расстояния ниже.

Например, ранние Ту-144 были оснащены турбовентиляторным двигателем с низкой степенью двухконтурности, и были намного менее эффективны, чем турбореактивные двигатели Concorde в сверхзвуковом полете. Более поздние модели имели турбореактивные двигатели с сопоставимой эффективностью. Эти ограничения означали, что конструкции сверхзвуковых авиалайнеров не смогли воспользоваться преимуществами значительного улучшения экономии топлива, которое двигатели с высокой двухконтурностью принесли на рынок дозвуковых двигателей, но они уже были более эффективными, чем их дозвуковые турбовентиляторные аналоги.

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.

Что происходит во время преодоления звукового барьера самолетом

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.

Преодоление скорости звука

Как же происходит преодоление звукового барьера? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все сильнее. Его обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть и несколько – в зависимости от формы летательного аппарата.

Схема образования ударной волны

В данной области давление и плотность воздушной среды резко повышается. В момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и возникает звук громкого хлопка, который похож на выстрел. Пилот в кабине никаких звуков не слышит – о преодолении звукового барьера он узнает только по специальным датчикам. Также ощутимы изменения в плане управления самолетом.

Громкий взрывоподобный хлопок – это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда самолет летит на сверхзвуковой скорости неподалеку. Ударные волны, которые он образует, визуально можно представить в виде конуса, сопровождающего летательный аппарат. Вершина конуса располагается в носовой части. Волны распространяются от нее на большие расстояния.

Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы данного воображаемого конуса. Резкий скачок давления воспринимается как взрывообразный хлопок. С момента преодоления барьера звуковой удар постоянно сопровождает самолет. Однако хлопок будет слышно каждый раз, когда он пролетает над фиксированной точкой поверхности.

Так как самолет движется быстрее звука, сперва наблюдатель услышит хлопок и только после этого шум двигателя.

Звуковой удар достигает наблюдателя

Интересный факт: с преодолением звукового барьера часто связывают возникновение белого облака в хвостовой части самолета. Однако к звуковому барьеру оно отношения не имеет. Речь идет об эффекте Прандтля-Глоерта – конденсации влаги сразу за движущимся самолетом.

Можно ли с земли услышать взрывной хлопок от преодоления самолетом звукового барьера

Вопросом, можно ли услышать звуковой барьер, преодолеваемый самолетом, еще в 2007 году задался Александр Пушной – ведущий популярной научно-просветительской программы «Галилео». На него ответили летчики пилотажной группы «Стрижи».

Так, скорость звука в воздухе составляет около 1230 км/ч. Она может быть больше или меньше – зависит от плотности воздуха. Однако некоторые воздушные судна способны развивать скорость свыше 4 тысяч км/ч, что в три раза быстрее скорости звука.

Пока самолет движется на дозвуковой скорости, звук от него распространяется равномерно, но при разгоне звуковые волны уплотняются, создавая ударную волну. С увеличением скорости, волна принимает форму конуса, и чем больше скорость, тем этот «конус» острее.

Ударная волна постоянно сопровождает сверхзвуковой самолет. При определенных обстоятельствах, но это происходит крайне редко, этот «конус» можно даже увидеть.

Рев турбин воздушного суда можно услышать уже после взрывного хлопка от преодоления звукового барьера.

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 воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева 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 миллиметра), 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 (число Маха=5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов, 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 движется 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.

Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого — создаваемый им шум).

Интересное видео о преодолении звукового барьера

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Проблемы сверхзвукового полета

Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе. Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году. Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.

Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков: ударная волна; большой расход топлива; сложность эксплуатации; шум над аэродромом. Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.

Ссылки по теме:

Бывший проводник и «нахальная стюардесса» делится фотографиями бесящих пассажиров

Как самолеты могут измениться в ближайшие годы: топ-13 инноваций на борту

Американцы показали «уничтожение» российских ракетных комплексов «Тополь-М» и С-400

Авиакомпания Emirates — роскошь в полете

16 отвратительных попутчиков, с которыми точно не хочется оказаться в одном самолете

FA-18. Видно облако конденсата, образовавшегося вследствие локального изменения давления (Эффект Прандтля — Глоерта). Зачастую подобная картина ошибочно воспринимается, как «преодоление звукового барьера», о чём свидетельствует и название фотографии.

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.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

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, в результате чего 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 войны 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. 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, поэтому 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 полётов сводятся к следующему:

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).

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.

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?

Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144

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.

Какие самолеты считаются сверхзвуковыми

Сверхзвуковыми являются самолеты, способные совершать полет со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе.

Согласно данным открытых источников, минимальная скорость – 1250 км/ч, максимальная– 6125 км/ч.

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.

Сверхзвуковые скорости транспортных средств требуют более узких конструкций крыла и фюзеляжа и подвержены большим нагрузкам и температурам. Это приводит к проблемам аэроупругости, которые требуют более тяжелых конструкций для минимизации нежелательного изгиба. Сверхзвуковые авиалайнеры также требуют гораздо более прочной (и, следовательно, более тяжелой) конструкции, поскольку их фюзеляж должен быть герметизирован с большим перепадом давления, чем у дозвуковых самолетов, которые не работают на больших высотах, необходимых для сверхзвукового полета. Все эти факторы, вместе взятые, означали, что относительный вес одного пустого места в «Конкорде» более чем в три раза превышает аналогичный вес у «Боинга-747».

Однако и «Конкорд», и ТУ-144 были изготовлены из обычного алюминия и дюралюминия, в то время как более современные материалы, такие как углеродное волокно и кевлар намного прочнее при растяжении из-за их веса, а также являются более жесткими. Поскольку вес конструкции на одно сиденье в конструкции сверхзвукового авиалайнера намного выше, любые улучшения приведут к большему росту эффективности, чем те же изменения в дозвуковом самолете.