Что значит преодолеть звуковой барьер

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Необычную картину можно иногда наблюдать во время полета реактивных самолетов, которые словно выныривают из облака тумана. Это явление называется эффектом Прандтля-Глоерта и заключается в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха.

Причина возникновения этого необычного явления заключается в том, что летящий на высокой скорости самолёт создаёт область повышенного давления воздуха впереди себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область пониженного давления начинает заполняться окружающим воздухом. При этом в силу достаточно высокой инерции воздушных масс сначала вся область низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих к области низкого давления.

Этот процесс локально является адиабатическим процессом, где занимаемый воздухом объём увеличивается, а его температура понижается. Если влажность воздуха достаточно велика, то температура может понизиться до такого значения, что окажется ниже точки росы. Тогда содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется в виде мельчайших капелек, которые образуют небольшое облако.

По мере того, как давление воздуха нормализуется, температура в нём выравнивается и вновь становится выше точки росы, и облако быстро растворяется в воздухе. Обычно время его жизни не превышает долей секунды. Поэтому при полёте самолёта кажется, что облако следует за ним — вследствие того, что оно постоянно образуется сразу позади самолёта, а затем исчезает.

Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает звуковой барьер. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при больших скоростях, близких к скорости звука. В то же время при полётах на малой высоте и в условиях очень высокой влажности (например, над океаном) этот эффект можно наблюдать и при скоростях, значительно меньших скорости звука.

Кликабельно 2100 рх

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, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Клкиабельно 2500 рх

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

Источник

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, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.

Облако возникает не в момент преодоления барьера, а в момент вхождения самолета в зону повышенной относительной влажности. Подобные эффекты видны и на дозвуковых скоростях.

Никакой фокусировки звука на земле (прихода звуковых волн от разных точек траектории) при сверхзвуковом полете не происходит. Это очевидно хотя бы из тех соображений, что хлопок слышится последовательно во всех точках поверхности под летящим самолетом. А по вашему объяснению получалось бы, что некоторым точкам на земле звука «не хватило бы», (точнее соответствующих участков траектории, которые служат источником звука).

Я сомневаюсь, что самолеты, которые летали низко над вами, двигались со сверхзвуковой скоростью. Запаздывание звука при полете на небольшой высоте будет наблюдаться и при дозвуковой скорости. Причин ту две. Во-первых, диаграмма направленности звука реактивного самолета. Вперед по курсу излучается очень небольшое количество звука. Основная мощность уходит назад от реактивной струи. Поэтому, когда самолет проходит над вами, звук очень резко усиливается. Настолько резко, что слабый шум, издаваемый приближающимся самолетом, просто меркнет по сравнению с шумом удаляющегося.

Как-то раз мне довелось стоять в конце взлетно-посадочной полосы, по которой на меня разгонялся ИЛ-86. Так вот пока он приближался, я практически не слышал звука двигателей, работающих на форсаже. Но как только он прошел на головой, звук достиг такой силы, что я непроизвольно упал на полосу, зажав уши руками. Как вы понимаете, никаким сверхзвуком тут и не пахнет.

Ну, а раскатистость сверхзвукового хлопка связана с дисперсией звуковых волн. Ударная волна только вблизи самолета имеет совершенно четкую границу. Чем дальше, тем больше ее энергия размывается. В некоторый момент она фактически перестает быть ударной волной и становится просто громким звуком.

Уважаемый И! Во-первых, никакого абсурда в том, что звук может двигаться не от самолета, а вслед за ним. Знак «минус» в этом случае означает лишь то, что звук в тыловой стороне изменил направление движения. До этого момента он имел направление противоположное направлению движения самолета. Затем стал двигаться в НАПРАВЛЕНИИ движения самолета. Конечно, это сточки зрения стороннегт наблюдателя.

Во-вторых, физическая природа явления проста, и заключается в том, что поскольку ЗВУК ПОРОЖДАЕТСЯ ВИБРИРУЮЩЕЙ ОБОЛОЧКОЙ САМОЛЕТА, то при его разгоне каждая следующая волна звука просто обязана лететь быстрее на величину приращения скорости самолета. Но продолжаться это может только до того момента, когда скорость самолета достигнет, а затем превысит скорость, с которой звук может распространяться в воздухе, т.е. достигнет максимальной скорости, с которой молекулы и атомы воздуха могут колебаться, передавая звук.Эта скорость равна так называемой тепловой скорости молекул, т.е. порядка 465 м/с. А она, как видите, больше той, которую определили для непожвижного источника звука: 330 м/с.

Спасибо за внимание.

Уважаемый Андрей! Еще раз обращаю Ваше внимание на механизм образования звука. Согласитесь, что звук порождается колебанием оболочки звучащего тела, в данном случае самолета. Скорость распространения звука определяется максимальной линейной скоростью колеблющейся оболочки, которую получают окружающие звучащий корпус молекулы и атомы воздуха. Согласитесь также, что при разгоне корпус самолета кроме этой, назовем ее начальной скоростью, приобретает добавочную, определяемую ускорением самолета. Именно поэтому каждая следующая звуковая волна отлетает от самолета со скоростью, большей на величину приращения скорости самолета.

Что касается величины тепловой скорости молекул, см. справочник Детлаф, Яворский по физике. Не помню страницу, но это в разделе аэродинамики.

Как мне кажется, автор объяснил именно первый феномен. Движение на дозвуковой скорости: звук намного опережает самолет и возрастает по мере приближения пропорционально расстоянию, в момент прохождения над слушателем звук имеет максимальную амплитуду.
Движение на сверзвуке: перед самолетом звука нет, в момент проходжения конуса звука над слушателем, последнему кажется что звук от 0 мгновенно возрос до громкости работающей турбины. Отсюда эфект удара.

Что касается момента преодоления скорости звука, то у меня объяснений удару нет. Не то образование.

Это лишь мое мнение.

Здесь необходимо пояснить понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса воздуха.
С этой целью полезно окрыть второй том «Механики сплошной среды» академика АН СССР Леонида Ивановича Седова. Применительно к шару,на странице 187 этого тома читаем:

«Шар в жидкости будет двигаться под действием некоторых сил так же, как он двигался бы в пустоте, если бы его масса М изменилась на м. Величина м называется ПРИСОЕДИНЁННОЙ массой шара.»

На субатомном уровне понятие ПРИСОЕДИНЁННАЯ масса имеет более глубокое происхождение.

Открываем книгу «Современная физика» профессора физики Корнельского университета (США) Р.Спроула на стр.28 и читаем :

Упрощённое описание этого сложного термодинамического процесса предполагает и его более фундаментальное описание, вскрывающее многомерную(спектральную) структуру мирового пространства.
См.http://yvsevolod-26.narod.ru/index.html

Всеволод Сергеевич Ярош

Могу подытожить весь форум как человек профессионально связанный с авиацией. Сам учил в бурсе аэродинамику, и конусы Маха видел на экспериментальных установках своими глазами.

Вся аэродинамика условно делится на три диапазона скоростей:

-низкие дозвуковые скорости.Газ при обтекании тел ведет себя как несжимаемая жидкость.Обтекание ламинарное при низких числах Рейнольдса (число Рейнольдса (Re)- отношение сил инерции к силам вязкости) и турбулентное при Re,превышающем некоторую критическую величину.

-высокие дозвуковые скорости.Картина обтекания принципиально меняется.Газ нельзя рассматривать,как несжимаемую жидкость.Несмотря на движение тела сквозь газ с дозвуковой скоростью, возникают области со свехзвуковыми скоростями. Эпюра давлений существенно меняется,что приводит к появлению неприятных явлений: затягивание в пикирование,снижение эффективности или даже реверс органов управления,иногда возникновение «голландского шага» (раскачивание по рысканию и крену) и др.

Всё-таки, уважаемые, какая теория «хлопков» правильна?

«Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.»

Насколько я понимаю, здесь говориться о практически мгновенном повышении громкости звука _работающего двигателя_ пролетающего самолета, а не о разных звуковых эффектах, появляющихся при преодолении «звукового барьера», а также при движении с сверхзвуковой скоростью. К слову, об этих эффектах в статье фактически ничего не сказано.

Прочитал всё, что написано в постах по этой теме. От разнообразия теорий крыша едет. Если всем можно, то почему мне нельзя! Поэтому разрожусь и я своей теорией.
Каждый свою идею считает верной. Я в этом не исключение. Правда, я, по-видимому, считаю так пока один. Но если Вы, уважаемый читатель, доберётесь до конца этого моего довольно длинного сообщения, то, может быть (даже, скорее всего), нас будет уже двое!
Обещаю не злоупотреблять Вашим терпением и не грузить Вас всякими «самолётами, которые своим носом раздвигают молекулы воздуха» или «проколотыми конусами Маха». Не буду пугать и числами Рейнольдса, и аэродинамическими трубами. А просто приглашу Вас выйти со мной в чистое поле и там послушать, как летают самолёты.

А теперь, уважаемый читатель, выйдем в поле и послушаем, как летают самолёты. А своими наблюдениями поделимся с другими посетителями сайта, а заодно и с г.Венедюхиным. Итак, в поле!

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

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.

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.

А теперь можем и перейти к тактике сверхзвукового полёта и необходимым характеристикам самолёта для эффективного подавления пехоты противника.

Вы очень много нафантазировали, но истины не достигли. Во-первых, совершенно не учли эффект Доплера. Во-вторых, скачок уплотнения имеет структуру, очень похожую на структуру ударной волны при взрыве.

А всего-то нужно взять сверхзвуковую аэродинамическую трубу, и вместо выковыривания из носа новых идей, просто убедиться, что теоретические выкладки Жуковского и Чаплыгина до сих пор (уже больше ста лет) весьма точно выполняются. А они исходили из молекулярно-кинетической теории газов.

Поскольку для рассуждения я использовал рисунок, а он не прикрепляется к сообщению, то решил просто отправить на мыло в надежде, что его вставят в блок обсуждений.

Начальные условия. Самолёт летит со сверхзвуковой скоростью из точки А в точку В. Фронт распространения фронта звуковой волны ОВС. Посмотрим, что происходит, когда фронт звуковой волны придёт в точку О, где находится человек. Звук одновременно приходит в точку О из места, когда самолёт был в точке А и из точки В. Почему? Находясь в точке А самолёт успевает пролететь в точку В за то время, пока звук идёт из точки А в точку О. Учитывая, что 2 звуковые волны интерферируют, звуковое давление фронта будет значительно. В этом и состоит звуковой эффект в виде хлопка.

Источник

Звуковой барьер

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, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.

Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха. Собственно, конденсат вы и видите на фотках внизу.

Нажмите на рисунок, чтобы увеличить его.

Бесплатные почтовые рассылки по саморазвитию.
Уже подписалось более 17 тысяч человек.

Источник

Звуковой барьер.Часть1

Звуковой барьер в аэродинамике — название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её, а проще говоря «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей.
Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится в воздухе…

Для справки: Классификация скоростей в атмосфере

Читать подробнее источник:

Сверхзвуковая скорость — скорость частиц вещества выше скорости звука или распространения волны сжатия ( ударной волны ), для данного вещества, или скорость тела движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды…

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).

О Числе Маха (М) — в механике сплошных сред — один из критериев подобия в механике жидкости и газа . Представляет собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространени я звука в движущейся среде — назван по имени немецкого учёного Эрнста Маха (нем.E. Mach)...

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. Сверхзвуковые и дозвуковые режимы движения имеют принципиальные различия;

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

— концентрации тепловых потоков у их поверхности и возможности прогорания корпуса тел и тому подобное…

Предельно упрощённое объяснение числа Маха:

Число Маха(М) — является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение и определяется:
M=v /a, где: v — скорость потока, a — 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.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии. Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны…

Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако(туман), происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха, а именно возникновение облака (тумана) связано лишь с резким перепадом давления, сопровождающим полёт самолёта. В результате аэродинамических эффектов за элементами конструкции самолёта образуются не только области повышенного давления, но и области разрежения воздуха (возникают колебания давления). Именно в этих областях разрежения (протекающего, фактически, без теплообмена с окружающей средой, так как процесс “очень быстрый”) и конденсируется водяной пар. Причиной этому служит резкое падение “локальной температуры”, приводящее к резкому смещению так называемой “точки росы”…. Читать подробнее: Звуковой барьер и сверхзвуковой полёт — dxdt.ru

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

И не обязательно на сверхзвуковой скорости. Например, на фотографии, бомбардировщик B-2, а это дозвуковой самолёт, сопровождается характерной дымкой… Читать подробнее:

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

Жёлтая зона — 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).

На фото №1 слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели…

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.
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(вид а и в).
А отошедший скачок может получиться при обтекании закругленных поверхностей, например, передней закругленной кромки толстого аэродинамического профиля крыла(вид б).
Различные узлы корпуса летательного аппарата создают в полете довольно сложную систему скачков уплотнения…

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

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…

Волновой кризис

Физическая сущность

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)…

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…

Рис. 1а. Крыло в близком к звуковому потоке Рис. 1б. Крыло в сверхзвуковом потоке

Чем все это чревато?

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. 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.

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.

Во что все это выливается… Из-за довольно резкого роста аэродинамического сопротивления самолету требуется ощутимый запас мощности двигателя для преодоления зоны трансзвука и выхода на, так сказать, настоящий сверхзвук…

Как осуществляется штурм звукового барьера?

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);

— переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса…

Конструкторские решения для преодоления «звукового барьера»

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…

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 больших 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...

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.

Ту-160 с изменяемой геометрией
крыла в полёте

МиГ-25 с цельно-поворотным
стабилизатором

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.

Форма – тоже важно. Например, японские авиационные конструкторы, не так давно, в середине 2015, создали беспилотный планер модели D-SEND 2. Его форма спроектирована особым образом, позволяя существенно уменьшить интенсивность и количество ударных волн, возникающих, когда аппарат летит на сверхзвуковой скорости. После проведённых испытаний, японские авиаконструкторы смогли с уверенностью заявить – интенсивность ударных волн, при полёте их детища на скорости, превышающей быстроту распространения звука, — в два раза меньше, чем у «Конкорда»…

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.

По примерно такой же схеме сейчас, по состоянию на ноябрь 2018, проектируют пассажирский сверхзвуковой AS2. Работают над ним профессионалы из Lockheed Martin. Заказчиком выступает NASA…

Источник