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

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха(М) и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА  определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 Маха(М), где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю...

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 распространения 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:

• Для понимания числа Маха неспециалистами очень упрощённо можно сказать, что численное выражение числа Маха зависит, прежде всего, от высоты полёта (чем больше высота, тем ниже скорость звука и выше число Маха).
• Число Маха — это истинная скорость в потоке вещества (то есть скорость, с которой воздух обтекает, например, самолёт), делённая на скорость звука в этом веществе в этих условиях. У земли скорость, при которой число Маха будет равно 1, будет равна приблизительно 340 м/с (скорость, с использованием которой люди оценивают расстояние до приближающейся грозы, измеряя время от вспышки молнии до дошедших раскатов грома) или 1224 км/ч. На высоте 11 км из-за падения температуры скорость звука ниже — около 295 м/с или 1062 км/ч. – К примеру, скорость полёта, которая равна двум числам Маха, на высоте десять километров над землёй, в обычных условиях, будет равняться 2 157 км/ч. А на уровне моря – 2 383 км/ч…

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,

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

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.

Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии, что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель…

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:

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

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…

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.

В итоге остаются два скачка, которые, в общем-то, воспринимаются земным наблюдателем как один из-за небольших размеров самолета по сравнению с высотой полета и 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…

На фронте-конуса Маха 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…

Подробнее читать: Звуковой барьер. О нем и вещах, ему сопутствующих…

Волновой кризис

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. По теме> Подробнее:

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… 

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока. Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно — с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика — перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация. Это явление получило название волнового кризиса. Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой (M > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б)…

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.262и  Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются…

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?

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 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…

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.

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…

Сверхзвуковой самолет со «скоростным» крылом практически всегда имеет большую посадочную скорость, длину разбега и пробега, что влечет за собой множество неудобств и технических проблем, как для самого самолета, так и для аэродромного оборудования, вплоть до невозможности выполнения полета. Компромиссом в этом случае становятся самолеты с изменяемой геометрией крыла в полете. Это различные модели как истребителей, так и бомбардировщиков. Сверхзвуковой стратегический бомбардировщик с изменяемой в полете геометрией крыла ТУ-160. Максимальная скорость на высоте 2230 км/ч (1,87М)...

Один из вариантов стреловидного – это крыло оживальной формы, имеющее повышенный коэффициент подъемной силы. У него имеется специальный наплыв около фюзеляжа, предназначенный для образования искусственных спиральных вихрей. Интересно, что крыло такого типа, потом установленное на ТУ-144, испытывалось на летающей лаборатории на базе все того же МИГ-21 (МИГ–21И). Второй вариант – сверхкритическое крыло. Оно имеет уплощенный профиль с определенным образом изогнутой задней частью, что позволяет отодвинуть возникновение волнового кризиса на большие скорости и может быть выгодным в плане экономичности для скоростных дозвуковых самолетов. Такое крыло применено, в частности, на самолете SuperJet 100…

Читать по теме: Профиль крыла. Что это?…

Профиль крыла, особенно если самолет предназначен для полетов на больших сверхзвуковых скоростях (тем более длительных полетов), обычно тонкий с острыми кромками (характерный пример — МИГ-25).

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…

 

Сверхзвуковые пассажирские самолёты – вчера, сегодня, завтра

 

Исторические факты

Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М = 1,06. Это произошло 14 октября 1947 года. В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176. Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 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.

15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.

14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.