Aplaudă supersonică de ce. Care este bariera de sunet? Cum să asaltez bariera sonoră

Pe 14 octombrie 1947, omenirea a trecut de o altă piatră de hotar. Limita este destul de obiectivă, exprimată într-un specific mărime fizică viteza sunetului în aer, care în condițiile atmosferei terestre este, în funcție de temperatura și presiunea acestuia, în intervalul 11001200 km/h. Viteza supersonică a fost cucerită de pilotul american Chuck Yeager (Charles Elwood „Chuck” Yeager), un tânăr veteran al celui de-al Doilea Război Mondial, care avea un curaj extraordinar și o fotogenitate excelentă, datorită căruia a devenit imediat popular în țara natală, la fel ca la 14 ani. mai târziu Yuri Gagarin.

Și chiar a fost nevoie de curaj pentru a trece bariera sunetului. Pilotul sovietic Ivan Fedorov, care a repetat realizarea lui Yeager un an mai târziu, în 1948, și-a amintit sentimentele sale de la acea vreme: „Înainte de zborul pentru a sparge bariera sunetului, a devenit evident că nu exista nicio garanție a supraviețuirii după aceasta. Nimeni nu știa practic ce este și dacă designul aeronavei putea rezista la elemente. Dar am încercat să nu ne gândim la asta.”

Într-adevăr, nu a existat o claritate completă cu privire la modul în care mașina se va comporta la viteză supersonică. Proiectanții de avioane mai aveau amintiri proaspete despre nenorocirea bruscă a anilor 30, când, odată cu creșterea vitezei aeronavelor, au fost nevoiți să rezolve urgent problema flutterului - autooscilații care apar atât în ​​structurile rigide ale aeronavei, cât și în pielea, sfâșiind aeronava în câteva minute. Procesul s-a dezvoltat ca o avalanșă, rapid, piloții nu au avut timp să schimbe modul de zbor, iar mașinile s-au prăbușit în aer. De destul de mult timp matematicienii și designerii au participat diverse tari s-a chinuit să rezolve această problemă. În cele din urmă, teoria fenomenului a fost creată de tânărul matematician rus de atunci Mstislav Vsevolodovich Keldysh (1911–1978), mai târziu președinte al Academiei de Științe a URSS. Cu ajutorul acestei teorii, a fost posibil să găsim o modalitate de a scăpa pentru totdeauna de fenomenul neplăcut.

Este destul de clar că de la bariera sonoră se așteptau surprize la fel de neplăcute. Rezolvarea numerică a ecuațiilor diferențiale complexe ale aerodinamicii în absența calculatoarelor puternice era imposibilă și trebuia să se bazeze pe „suflare” modelelor în tunelurile de vânt. Dar din considerente calitative a fost clar că atunci când viteza sunetului a fost atinsă, în apropierea aeronavei a apărut o undă de șoc. Momentul cel mai crucial este ruperea barierei sunetului, când viteza aeronavei este comparată cu viteza sunetului. În acest moment, diferența de presiune pe diferite părți ale frontului de undă crește rapid și, dacă momentul durează mai mult de o clipă, avionul se poate destrăma mai rău decât din flutter. Uneori, la spargerea barierei sunetului cu o accelerație insuficientă, unda de șoc creată de aeronavă chiar doboară geamul de la ferestrele caselor de sub ea.

Raportul dintre viteza unei aeronave și viteza sunetului se numește numărul Mach (numit după faimosul mecanic și filozof german Ernst Mach). Când trece de bariera sunetului, pilotului i se pare că numărul M sare peste unul în salturi: Chuck Yeager a văzut cum acul vitezometrului a sărit de la 0,98 la 1,02, după care a fost liniște „divină” în cockpit, de fapt, aparent: doar un nivel Presiunea sonoră din cabina aeronavei scade de mai multe ori. Acest moment de „purificare de sunet” este foarte insidios; a costat viețile multor testeri. Dar exista puțin pericol ca aeronava lui X-1 să se destrame.

X-1, fabricat de Bell Aircraft în ianuarie 1946, a fost un avion pur de cercetare conceput pentru a sparge bariera sunetului și nimic mai mult. În ciuda faptului că vehiculul a fost comandat de Ministerul Apărării, în loc de arme a fost umplut cu echipamente științifice care monitorizează modurile de funcționare ale componentelor, instrumentelor și mecanismelor. X-1 arăta ca unul modern rachetă de croazieră. Avea un motor rachetă Reaction Motors cu o forță de 2722 kg. Greutatea maximă la decolare 6078 kg. Lungime 9,45 m, inaltime 3,3 m, anvergura aripilor 8,53 m Viteza maxima la o altitudine de 18290 m 2736 km/h. Vehiculul a fost lansat dintr-un bombardier strategic B-29 și a aterizat pe „schiuri” de oțel pe un lac sărat uscat.

Nu mai puțin impresionante sunt „tacticile parametrii tehnici„pilotul ei. Chuck Yeager s-a născut pe 13 februarie 1923. După școală am mers la școala de zbor, iar după absolvire am plecat să lupt în Europa. A doborât un Messerschmitt-109. El însuși a fost doborât pe cerul Franței, dar a fost salvat de partizani. De parcă nimic nu s-ar fi întâmplat, s-a întors la baza sa din Anglia. Cu toate acestea, serviciul de contrainformații vigilent, necrezând eliberarea miraculoasă din captivitate, l-a scos pe pilot din zbor și l-a trimis în spate. Ambițiosul Yeager a obținut o primire cu comandantul șef al forțelor aliate din Europa, generalul Eisenhower, care l-a crezut pe Yeager. Și nu s-a înșelat - în cele șase luni rămase înainte de sfârșitul războiului, a făcut 64 de misiuni de luptă, a doborât 13 avioane inamice, 4 într-o singură luptă. Și s-a întors în patria sa cu gradul de căpitan cu un dosar excelent, în care se afirma că avea o intuiție fenomenală de zbor, un calm incredibil și o rezistență uimitoare în orice situație critică. Datorită acestei caracteristici, a fost inclus în echipa de testatori supersonici, care au fost selectați și antrenați la fel de atent ca astronauții de mai târziu.

Redenumind X-1 „Glamorous Glennis” în onoarea soției sale, Yeager a stabilit recorduri cu el de mai multe ori. La sfârșitul lunii octombrie 1947, recordul de altitudine anterior de 21.372 m a scăzut în decembrie 1953 noua modificare mașina X-1A a dezvoltat o viteză de 2,35 M aproape 2800 km/h, iar șase luni mai târziu a crescut la o înălțime de 27.430 m. Și înainte de asta, au existat teste ale unui număr de luptători lansate în serie și o rulare a MiG-ului nostru -15, capturat și transportat în America în timpul Războiul Coreei. Ulterior, Yeager a comandat diverse unități de testare a Forțelor Aeriene atât în ​​Statele Unite, cât și la baze americane din Europa și Asia, a luat parte la operațiuni de luptă în Vietnam și a antrenat piloți. S-a retras în februarie 1975 cu gradul de general de brigadă, după ce a zburat 10 mii de ore în timpul serviciului său curajos, a testat 180 de modele supersonice diferite și a strâns o colecție unică de ordine și medalii. La mijlocul anilor 80, a fost realizat un film bazat pe biografia tipului curajos care a fost primul din lume care a cucerit bariera sunetului, iar după aceea Chuck Yeager nu a devenit nici măcar un erou, ci o relicvă națională. ÎN ultima dată a preluat comenzile unui F-16 pe 14 octombrie 1997, rupând bariera sunetului la aniversarea a cincizecea de la zborul său istoric. Yeager avea atunci 74 de ani. În general, după cum spunea poetul, acești oameni ar trebui transformați în cuie.

Există mulți astfel de oameni de cealaltă parte a oceanului. Designerii sovietici au început să încerce să cucerească bariera sunetului în același timp cu cei americani. Dar pentru ei acesta nu a fost un scop în sine, ci un act complet pragmatic. Dacă X-1 era o mașinărie pur de cercetare, atunci în țara noastră bariera sunetului a fost luată cu asalt pe prototipuri de luptă, care trebuia să fie lansate în serie pentru a echipa unitățile Forțelor Aeriene.

La concurs au participat mai multe birouri de proiectare: Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau și Yakovlev Design Bureau, care au dezvoltat simultan aeronave cu aripi înclinate, care era atunci o soluție de design revoluționară. Au ajuns la linia de sosire supersonică în această ordine: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Totuși, acolo problema a fost rezolvată într-un context destul de complex: mașină de război trebuie să aibă nu numai viteză mare, ci și multe alte calități: manevrabilitate, supraviețuire, timp minim de pregătire înainte de zbor, arme puternice, muniție impresionantă etc. etc. De asemenea, trebuie remarcat faptul că în vremurile sovietice Deciziile comisiilor de acceptare de stat au fost adesea influențate nu doar de factori obiectivi, ci și de aspecte subiective asociate cu manevrele politice ale dezvoltatorilor. Întregul set de circumstanțe a dus la lansarea avionului de luptă MiG-15, care a funcționat bine în arenele locale de operațiuni militare în anii 50. Această mașină, capturată în Coreea, așa cum s-a menționat mai sus, Chuck Yeager a „condus”.

La-176 folosea o întindere record a aripii la acel moment, egală cu 45 de grade. Motorul turboreactor VK-1 a furnizat o tracțiune de 2700 kg. Lungime 10,97 m, anvergura aripilor 8,59 m, suprafata aripii 18,26 mp. Greutate la decolare 4636 kg. Tavan 15.000 m Raza de zbor 1000 km. Armament un tun de 37 mm și două de 23 mm. Mașina a fost gata în toamna anului 1948, iar în decembrie au început testele de zbor în Crimeea pe un aerodrom militar din apropierea orașului Saki. Printre cei care au condus testele s-a numărat viitorul academician Vladimir Vasilyevich Struminsky (1914–1998), piloții aeronavei experimentale au fost căpitanul Oleg Sokolovsky și colonelul Ivan Fedorov, care a primit ulterior titlul de Erou; Uniunea Sovietică. Sokolovsky, printr-un accident absurd, a murit în timpul celui de-al patrulea zbor, uitând să închidă baldachinul cabinei.

Colonelul Ivan Fedorov a spart bariera sunetului pe 26 decembrie 1948. După ce s-a ridicat la o înălțime de 10 mii de metri, a întors stick-ul de control și a început să accelereze într-o scufundare. „Îmi accelerez 176 de la o înălțime mare”, și-a amintit pilotul. Se aude un fluier jos obositor. Creșterea vitezei, avionul se repezi spre sol. Pe scara vitezometrului, acul trece de la numere de trei cifre la numere de patru cifre. Avionul tremură ca de febră. Și brusc tăcere! Bariera de sunet a fost luată. Decodificarea ulterioară a oscilogramelor a arătat că numărul M a depășit unu.” Acest lucru s-a întâmplat la o altitudine de 7.000 de metri, unde s-a înregistrat o viteză de 1,02 M.

Ulterior, viteza aeronavelor cu pilot a continuat să crească constant datorită creșterii puterii motorului, utilizării de noi materiale și optimizării parametrilor aerodinamici. Cu toate acestea, acest proces nu este nelimitat. Pe de o parte, este inhibată de considerente de raționalitate, atunci când sunt luate în considerare consumul de combustibil, costurile de dezvoltare, siguranța zborului și alte considerente care nu sunt inactiv. Și chiar și în aviaţia militară, unde banii și siguranța pilotului nu sunt atât de semnificative, vitezele celor mai „rapide” mașini sunt în intervalul de la 1,5M la 3M. Se pare că nu este nevoie de mai mult. (Recordul de viteză pentru aeronavele cu pilot cu motoare cu reacție aparține aeronavei americane de recunoaștere SR-71 și este de 3,2 M.)

Pe de altă parte, există o barieră termică de netrecut: la o anumită viteză, încălzirea caroseriei mașinii prin frecare cu aerul are loc atât de repede încât este imposibil să se elimine căldura de pe suprafața sa. Calculele arată că atunci când presiune normală acest lucru ar trebui să se întâmple la o viteză de aproximativ 10M.

Cu toate acestea, limita de 10M a fost încă atinsă pe același teren de antrenament Edwards. Acest lucru s-a întâmplat în 2005. Deținătorul recordului a fost aeronava-rachetă fără pilot X-43A, fabricată ca parte a programului ambițios de 7 ani Hiper-X pentru a dezvolta un nou tip de tehnologie menită să schimbe radical fața viitoarei tehnologii spațiale și de rachete. Costul său este de 230 de milioane de dolari. Recordul a fost stabilit la o altitudine de 33 de mii de metri. Folosit într-o dronă sistem nou accelerare Mai întâi, este trasă o rachetă tradițională cu combustibil solid, cu ajutorul căreia X-43A atinge o viteză de 7 Mach, apoi este pornit un nou tip de motor - un motor hipersonic ramjet (scramjet sau scramjet), în care aerul atmosferic obișnuit este folosit ca oxidant, iar combustibilul gazos este folosit ca oxidant (o schemă destul de clasică a unei explozii necontrolate).

În conformitate cu programul, au fost fabricate trei modele fără pilot, care, după finalizarea sarcinii, au fost înecate în ocean. Următoarea etapă implică crearea de vehicule cu echipaj. După testarea acestora, rezultatele obținute vor fi luate în considerare atunci când se creează o mare varietate de dispozitive „utile”. Pe lângă avioane, vor fi create vehicule militare hipersonice - bombardiere, avioane de recunoaștere și avioane de transport - pentru nevoile NASA. Boeing, care participă la programul Hiper-X, intenționează să creeze un avion de linie hipersonic pentru 250 de pasageri până în 2030-2040. Este destul de clar că nu vor exista ferestre, care să rupă aerodinamica la astfel de viteze și să nu reziste la încălzirea termică. În loc de hublouri, există ecrane cu înregistrări video ale norilor care trec.

Nu există nicio îndoială că acest tip de transport va fi solicitat, deoarece cu cât mergi mai departe, cu atât timpul devine mai scump, găzduind tot mai multe emoții, dolari câștigați și alte componente într-o unitate de timp. viata moderna. În acest sens, nu există nicio îndoială că într-o zi oamenii se vor transforma în fluturi de o zi: o zi va fi la fel de plină de evenimente ca întreaga actuală (mai probabil, deja ieri) viata umana. Și se poate presupune că cineva sau ceva implementează programul Hiper-X în relație cu umanitatea.

Ați auzit un sunet puternic ca o explozie când un avion cu reacție zboară deasupra capului? Acest sunet apare atunci când un avion sparge bariera sunetului. Ce este bariera fonică și de ce un avion scoate un asemenea sunet?

După cum știți, sunetul circulă cu o anumită viteză. Viteza depinde de altitudine. La nivelul mării, viteza sunetului este de aproximativ 1220 de kilometri pe oră, iar la o altitudine de 11.000 de metri - 1060 de kilometri pe oră. Atunci când un avion zboară la viteze apropiate de viteza sunetului, este supus anumitor solicitări. Când zboară la viteze normale (subsonice), partea din față a avionului împinge o undă de presiune în fața lui. Această undă se deplasează cu viteza sunetului.

Unda de presiune este cauzată de acumularea de particule de aer pe măsură ce aeronava se deplasează înainte. Valul se mișcă mai repede decât avionul atunci când avionul zboară la viteze subsonice. Și, ca rezultat, se dovedește că aerul trece nestingherit peste suprafețele aripilor aeronavei.

Acum să ne uităm la un avion care zboară cu viteza sunetului. Nu există undă de presiune în fața avionului. Ce se întâmplă în schimb este că în fața aripii se formează o undă de presiune (deoarece aeronava și unda de presiune se mișcă cu aceeași viteză).

Acum se formează o undă de șoc, care provoacă sarcini mari în aripa aeronavei. Expresia „barieră a sunetului” datează de înainte ca avioanele să poată zbura cu viteza sunetului – și s-a gândit că descrie stresurile pe care le-ar experimenta un avion la acele viteze. Aceasta a fost considerată o „barieră”.

Dar viteza sunetului nu este deloc o barieră! Inginerii și proiectanții de aeronave au depășit problema sarcinilor noi. Și tot ce ne rămâne din vechile vederi este că impactul este cauzat de o undă de șoc atunci când avionul zboară cu viteze supersonice.

Termenul „barieră fonică” descrie în mod înșelător condițiile care apar atunci când o aeronavă se deplasează cu o anumită viteză. S-ar putea crede că atunci când avionul atinge viteza sunetului, apare ceva de genul „barieră” - dar nu se întâmplă așa ceva!

Pentru a înțelege toate acestea, luați în considerare un avion care zboară la o viteză mică, normală. Pe măsură ce aeronava se deplasează înainte, în fața aeronavei se formează o undă de compresie. Este format dintr-o aeronavă care se deplasează înainte, care comprimă particulele de aer.

Acest val se deplasează înaintea aeronavei cu viteza sunetului. Și viteza sa este mai mare decât viteza unui avion, care, așa cum am spus deja, zboară cu viteză mică. Deplasându-se în fața avionului, acest val forțează curenții de aer să curgă în jurul planului avionului.

Acum imaginați-vă că avionul zboară cu viteza sunetului. Nu se formează unde de compresie înaintea planului, deoarece atât planul, cât și undele au aceeași viteză. Prin urmare, valul se formează în fața aripilor.

Ca urmare, apare o undă de șoc, care creează sarcini mari pe aripile aeronavei. Înainte ca avioanele să atingă și să depășească bariera sunetului, se credea că astfel de unde de șoc și forțe G ar crea ceva asemănător cu o barieră pentru avion - „bariera sunetului”. Cu toate acestea, nu a existat nicio barieră de sunet, deoarece inginerii aeronautici au dezvoltat un design special de aeronave pentru aceasta.

Apropo, „lovitura” puternică pe care o auzim când un avion trece de „bariera sunetului” este unda de șoc despre care am vorbit deja - când viteza avionului și unda de compresie sunt egale.

(uneori mai mult de unul, în funcție de forma corpului). Fotografia prezintă unde de șoc formate la vârful fuselajului modelului, la marginile de față și de fugă ale aripii și la capătul din spate al modelului.

La frontul undei de șoc (numit uneori și undă de șoc), care are o grosime foarte mică (fracții de mm), aproape brusc schimbări dramatice proprietățile fluxului - viteza acestuia în raport cu corpul scade și devine subsonică, presiunea în flux și temperatura gazului cresc brusc. O parte din energia cinetică a fluxului este transformată în energie internă a gazului. Toate aceste modificări sunt mai mari cu cât viteza fluxului supersonic este mai mare. La viteze hipersonice (Mach 5 și mai sus), temperatura gazului atinge câteva mii de grade, ceea ce creează probleme serioase vehiculelor care se deplasează la astfel de viteze (de exemplu, naveta Columbia s-a prăbușit la 1 februarie 2003 din cauza deteriorării carcasei de protecție termică care a avut loc în timpul zborului).

Partea frontală a undei de șoc, pe măsură ce se îndepărtează de aparat, capătă treptat o formă conică aproape obișnuită, scăderea presiunii peste ea scade odată cu creșterea distanței de la vârful conului, iar unda de șoc se transformă într-o undă sonoră. Unghiul dintre axa și generatria conului este legat de numărul Mach prin relația:

Când acest val ajunge la un observator situat, de exemplu, pe Pământ, el aude un sunet puternic, asemănător unei explozii. O concepție greșită comună este că aceasta este o consecință a aeronavei care atinge viteza sunetului sau „ruperea barierei sunetului”. De fapt, în acest moment trece pe lângă observator o undă de șoc, care însoțește constant avionul care se deplasează cu viteză supersonică. De obicei, imediat după „pop”, observatorul poate auzi zumzetul motoarelor aeronavei, care nu se aude până când unda de șoc trece, deoarece aeronava se mișcă mai repede decât sunetele pe care le scoate. O observație foarte similară are loc în timpul zborului subsonic - o aeronavă care zboară deasupra observatorului la mare altitudine(mai mult de 1 km) nu este audibilă, sau mai degrabă o auzim cu întârziere: direcția către sursa de sunet nu coincide cu direcția către aeronava vizibilă pentru un observator de la sol.

Criza valurilor

Criza valurilor este o schimbare a naturii fluxului de aer în jurul unei aeronave, pe măsură ce viteza zborului se apropie de viteza sunetului, însoțită, de regulă, de o deteriorare a caracteristicilor aerodinamice ale aeronavei - o creștere a rezistenței, o scădere a lift, apariția vibrațiilor etc.

Deja în timpul celui de-al doilea război mondial, viteza luptătorilor a început să se apropie de viteza sunetului. În același timp, piloții au început uneori să observe, de neînțeles la acea vreme, fenomene amenințătoare care se produc cu mașinile lor atunci când zboară la viteze maxime. Un raport emoționant de la un pilot al Forțelor Aeriene ale SUA către comandantul său, generalul Arnold, a fost păstrat:

„Domnule, avioanele noastre sunt deja foarte stricte. Dacă apar mașini cu viteze și mai mari, nu le vom putea zbura. Săptămâna trecută am doborât un Me-109 în Mustang-ul meu. Avionul meu s-a cutremurat ca un ciocan pneumatic și a încetat să se supună cârmelor. Nu l-am putut scoate din scufundare. La doar trei sute de metri de sol, am avut dificultăți la nivelarea mașinii...”

După război, când mulți designeri de avioane și piloți de testare au făcut încercări persistente de a atinge marca semnificativă din punct de vedere psihologic - viteza sunetului, aceste fenomene ciudate au devenit norma și multe dintre aceste încercări s-au încheiat tragic. Aceasta a dat naștere expresiei oarecum mistice „barieră sunetului” (fr. mur du son, germană Schallmauer- perete de sunet). Pesimiștii au susținut că această limită nu poate fi depășită, deși pasionații, riscându-și viața, au încercat în mod repetat să facă acest lucru. Dezvoltarea ideilor științifice despre mișcarea supersonică a gazului a făcut posibilă nu numai explicarea naturii „barierei sunetului”, ci și găsirea mijloacelor de depășire a acesteia.

În timpul fluxului subsonic în jurul fuselajului, aripii și cozii unei aeronave, pe secțiunile convexe ale contururilor lor apar zone de accelerare locală a fluxului. Când viteza de zbor a unei aeronave se apropie de viteza sunetului, viteza locală a mișcării aerului în zonele de accelerare a fluxului poate depăși ușor viteza sunetului (Fig. 1a). După ce a depășit zona de accelerație, fluxul încetinește, cu formarea inevitabilă a unei unde de șoc (aceasta este o proprietate a fluxurilor supersonice: trecerea de la viteza supersonică la viteza subsonică are loc întotdeauna discontinuu - cu formarea unei undă de șoc). Intensitatea acestor unde de șoc este mică - scăderea presiunii în fața lor este mică, dar apar în număr mare deodată, în diferite puncte de pe suprafața vehiculului și, împreună, schimbă brusc natura fluxului din jurul acestuia, cu o deteriorare a caracteristicilor de zbor: portanța aripii scade, cârmele de aer și eleroanele își pierd eficacitatea, vehiculul devine incontrolabil, iar toate acestea sunt extrem de instabile și apar vibrații puternice. Acest fenomen se numește criza valului. Când viteza vehiculului devine supersonică ( > 1), fluxul devine din nou stabil, deși caracterul său se schimbă fundamental (Fig. 1b).

Orez. 1a. Aerowing aproape de fluxul de sunet.	Orez. 1b. Aerowing în flux supersonic.

Pentru aripile cu un profil relativ gros, în condițiile unei crize de val, centrul presiunii se deplasează brusc înapoi, iar nasul aeronavei devine „mai greu”. Piloții de luptători cu piston cu o astfel de aripă, care încercau să atingă viteza maximă într-o scufundare de la o înălțime mare la putere maximă, atunci când se apropie de „bariera sunetului”, au devenit victimele unei crize de valuri - odată ajunse în ea, a fost imposibil să ieși. de scufundare fără a reduce viteza, ceea ce, la rândul său, este foarte greu de făcut într-o scufundare. Cele mai multe caz celebru Dezastrul Bakhchivandzhi în timpul testării rachetei BI-1 la viteză maximă este unul dintre cele mai semnificative evenimente din istoria aviației ruse. U cei mai buni luptători Al Doilea Război Mondial cu aripi drepte, precum P-51 Mustang sau Me-109, criza valurilor la mare altitudine a început la viteze de 700-750 km/h. În același timp, avioanele Messerschmitt Me.262 și Me.163 din aceeași perioadă aveau aripi măturate, datorită cărora puteau atinge fără probleme viteze de peste 800 km/h. De asemenea, trebuie menționat că o aeronavă cu o elice tradițională în zbor orizontal nu poate atinge o viteză apropiată de viteza sunetului, deoarece palele elicei intră în zona de criză a valurilor și își pierd eficiența mult mai devreme decât aeronava. Elicele supersonice cu lame de sabie pot rezolva această problemă, dar în acest moment Astfel de șuruburi se dovedesc a fi prea complexe din punct de vedere tehnic și foarte zgomotoase, motiv pentru care nu sunt folosite în practică.

Avioanele subsonice moderne cu o viteză de zbor de croazieră destul de apropiată de viteza sunetului (peste 800 km/h) sunt de obicei proiectate cu aripi înclinate și suprafețe de coadă cu profile subțiri, ceea ce face posibilă deplasarea vitezei la care începe criza valurilor la mai mare. valorile. Aeronavele supersonice, care trebuie să treacă printr-o secțiune de criză a valurilor atunci când câștigă viteză supersonică, au diferențe de proiectare față de cele subsonice, asociate atât cu caracteristicile fluxului de aer supersonic, cât și cu nevoia de a rezista la sarcinile care apar în condițiile zborului supersonic și criza valurilor, în special - în plan triunghiular, o aripă cu un profil în formă de romb sau triunghiular.

• la viteze de zbor subsonice, trebuie evitate vitezele la care începe criza valurilor (aceste viteze depind de caracteristicile aerodinamice ale aeronavei și de altitudinea de zbor);
• Trecerea de la viteza subsonică la cea supersonică în aeronavele cu reacție ar trebui efectuată cât mai repede posibil, folosind postcombustionul motorului, pentru a evita un zbor lung în zona de criză a valurilor.

Termen criza valului se aplică și ambarcațiunilor care se deplasează la viteze apropiate de viteza valurilor de la suprafața apei. Dezvoltarea unei crize a valurilor face dificilă creșterea vitezei. Depășirea unei crize de valuri de către o navă înseamnă intrarea în modul de planare (alunecarea carenei de-a lungul suprafeței apei).

Fapte istorice

• Primul pilot care a atins viteza supersonică în zbor controlat a fost pilotul de testare american Chuck Yeager într-un avion experimental Bell X-1 (cu aripă dreaptă și motor rachetă XLR-11) a atins o viteză de M=1,06 într-o scufundare de mică adâncime. Acest lucru s-a întâmplat pe 14 octombrie 1947.
• În URSS, bariera sunetului a fost spartă pentru prima dată pe 26 decembrie 1948 de către Sokolovsky, iar apoi de către Fedorov, în zboruri coborâte pe avionul de luptă experimental La-176.
• Prima aeronavă civilă care a spart bariera sunetului a fost avionul de pasageri Douglas DC-8. Pe 21 august 1961, a atins o viteză de 1.012 M sau 1262 km/h în timpul unei scufundări controlate de la o altitudine de 12.496 m Zborul a fost întreprins pentru a colecta date pentru proiectarea noilor margini anterioare ale aripii.
• Pe 15 octombrie 1997, la 50 de ani după ce a spart bariera sunetului într-un avion, englezul Andy Green a spart bariera sunetului într-un Thrust SSC.
• Pe 14 octombrie 2012, Felix Baumgartner a devenit prima persoană care a spart bariera sonoră fără ajutorul vreunui dispozitiv motorizat. vehicul, în cădere liberă în timpul unui salt de la o înălțime de 39 de kilometri. În cădere liberă, a atins o viteză de 1342,8 kilometri pe oră.

Vezi de asemenea

• Bariera termică (probleme în dezvoltarea aeronavelor hipersonice)

Note

Legături

• Fundamentele teoretice și de inginerie ale ingineriei aerospațiale.

Fundația Wikimedia.

2010.

Vedeți ce este o „barieră a sunetului” în alte dicționare:

Barieră - toate reducerile Bariera de lucru din categoria Casă și Cabană BARIERĂ SUNETĂRĂ, cauza dificultăților în aviație la creșterea vitezei de zbor peste viteza sunetului (VITEZA SUPERSONICĂ). Apropiindu-se de viteza sunetului, aeronava se confruntă cu o creștere neașteptată a rezistenței și pierderea portanței aerodinamice... ...

Dicționar enciclopedic științific și tehnic Un fenomen care are loc în timpul zborului unui avion sau al unei rachete în momentul trecerii de la viteza de zbor subsonică la supersonică în atmosferă. Pe măsură ce viteza aeronavei se apropie de viteza sunetului (1200 km/h), în aerul său apare o regiune subțire, în care... ...

Enciclopedia tehnologiei bariera sunetului

Enciclopedia tehnologiei- garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. barieră sonoră bariera sunetului vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. bariera sunetului, m pranc. barriere sonique, f; frontieră sonică, f; mur de son, m … Fizikos terminų žodynas - garso barjeras statusas T sritis Energetika apibrėžtis Staigus aerodinaminio pasipriešinimo padidėjimas, kai orlaivio greitis tampa garso greičiu (viršijama kritinė Macho skaičiaus vertė). Aiškinamas bangų krize dėl staiga padidėjusio… …

Bariera sonoră este un fenomen care apare în timpul zborului unei aeronave sau al unei rachete în momentul trecerii de la viteza de zbor subsonică la supersonică în atmosferă. Pe măsură ce viteza aeronavei se apropie de viteza sunetului (1200 km/h), în aerul din față apare o regiune subțire, în care are loc o creștere bruscă a presiunii și a densității aerului. Această compactare a aerului în fața unei aeronave zburătoare se numește undă de șoc. Pe sol, trecerea undei de șoc este percepută ca o bubuitură, asemănătoare sunetului unei împușcături. După ce a depășit viteza sunetului, avionul trece prin această zonă de densitate crescută a aerului, ca și cum ar fi străpuns-o - rupând bariera sunetului. Pentru o lungă perioadă de timp spargerea barierei sunetului părea a fi o problemă serioasă în dezvoltarea aviației. Pentru a o rezolva, a fost necesar să se schimbe profilul și forma aripii aeronavei (a devenit mai subțire și înclinată în spate), a face partea din față a fuzelajului mai ascuțită și a dota aeronava cu motoare cu reacție. Viteza sunetului a fost depășită pentru prima dată în 1947 de Charles Yeager pe o aeronavă Bell X-1 (SUA) cu un motor de rachetă lichid lansat dintr-un avion Boeing B-29. În Rusia, primul care a spart bariera sunetului în 1948 a fost pilotul O.V Sokolovsky pe o aeronavă experimentală La-176 cu motor turboreactor.

Video.

Viteza sunetului.

Viteza de propagare (față de mediu) a micilor perturbații de presiune. Într-un gaz perfect (de exemplu, în aer la temperaturi moderateşi presiune) S. z. nu depinde de natura perturbației mici care se propagă și este aceeași atât pentru oscilațiile monocromatice de diferite frecvențe (), cât și pentru undele de șoc slabe. Într-un gaz perfect în punctul considerat din spațiu, S. z. a depinde numai de compoziția gazului și de temperatura lui absolută T:
a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2,
unde dp/d(() - derivată a presiunii în raport cu densitatea pentru un proces izoentropic, (-) - exponent adiabatic, R - constanta universală a gazului, (-) - greutate moleculară (în aer a 20,1T1/2 m/s la 0 (°)C a = 332 m/s).
Într-un gaz cu transformări fizico-chimice, de exemplu, într-un gaz de disociere, S. z. va depinde de modul în care - echilibru sau neechilibru - se produc aceste procese în unda de perturbare. La echilibrul termodinamic S. z. depinde doar de compoziția gazului, de temperatura și presiunea acestuia. Când procesele fizico-chimice au loc într-o manieră neechilibră, are loc dispersia sunetului, adică dispersia sunetului. depinde nu numai de starea mediului, ci și de frecvența oscilațiilor (). Oscilațiile de înaltă frecvență ((tm), ()) - timpul de relaxare) se propagă din sistemul solar înghețat. aj, joasă frecvență ((,) 0) - cu echilibru S. z. ae și aj > ae. Diferența dintre aj și ai este de obicei mică (în aer la T = 6000(°)C și p = 105 Pa este de aproximativ 15%). În lichide S. z. semnificativ mai mare decât în ​​gaz (în apă la 1500 m/s)

Ce ne imaginăm când auzim expresia „barieră a sunetului”? O anumită limită poate afecta grav auzul și bunăstarea. De obicei bariera sonoră este corelată cu cucerirea spațiului aerian și

Depășirea acestui obstacol poate provoca dezvoltarea unor boli cronice, sindroame dureroase și reactii alergice. Sunt aceste idei corecte sau reprezintă stereotipuri stabilite? Au ele o bază faptică? Care este bariera de sunet? Cum și de ce apare? Toate acestea și câteva nuanțe suplimentare, precum și fapte istorice Vom încerca să aflăm ce este asociat cu acest concept în acest articol.

Această știință misterioasă este aerodinamica

În știința aerodinamicii, conceput pentru a explica fenomenele care însoțesc mișcarea
aeronave, există conceptul de „barieră fonică”. Aceasta este o serie de fenomene care apar în timpul mișcării aeronavelor supersonice sau a rachetelor care se mișcă la viteze apropiate de viteza sunetului sau mai mare.

Ce este o undă de șoc?

Pe măsură ce un flux supersonic curge în jurul vehiculului, o undă de șoc apare în tunelul de vânt. Urmele sale pot fi vizibile chiar și cu ochiul liber. Pe sol sunt exprimate printr-o linie galbenă. În afara conului undei de șoc, în fața liniei galbene, nici măcar nu se aude avionul la sol. La viteze care depășesc sunetul, corpurile sunt supuse unui flux de sunet, care implică o undă de șoc. Pot fi mai multe, în funcție de forma corpului.

Transformarea undelor de șoc

Frontul undei de șoc, care este uneori numit undă de șoc, are o grosime destul de mică, ceea ce face totuși posibilă urmărirea modificărilor bruște ale proprietăților fluxului, o scădere a vitezei sale în raport cu corp și o creștere corespunzătoare a presiunea și temperatura gazului în flux. În acest caz, energia cinetică este parțial convertită în energie internă a gazului. Numărul acestor modificări depinde direct de viteza fluxului supersonic. Pe măsură ce unda de șoc se îndepărtează de aparat, scăderea presiunii scade și unda de șoc este transformată într-o undă sonoră. Poate ajunge la un observator din exterior, care va auzi un sunet caracteristic asemănător unei explozii. Există o opinie că acest lucru indică faptul că dispozitivul a atins viteza sunetului, atunci când avionul lasă în urmă bariera fonică.

Ce se întâmplă cu adevărat?

Așa-numitul moment al spargerii barierei sunetului reprezintă în practică trecerea unei unde de șoc odată cu vuietul tot mai mare al motoarelor aeronavelor. Acum dispozitivul este înaintea sunetului însoțitor, așa că zumzetul motorului se va auzi după el. Apropierea vitezei sunetului a devenit posibilă în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, dar, în același timp, piloții au observat semnale alarmante în operarea aeronavelor.

După sfârșitul războiului, mulți designeri și piloți de avioane au căutat să atingă viteza sunetului și să spargă bariera sunetului, dar multe dintre aceste încercări s-au încheiat tragic. Oamenii de știință pesimiști au susținut că această limită nu poate fi depășită. În niciun caz experimental, ci științific, a fost posibil să explicăm natura conceptului de „barieră a sunetului” și să găsim modalități de a o depăși.

Zborurile sigure la viteze transonice și supersonice sunt posibile prin evitarea unei crize a valurilor, a cărei apariție depinde de parametrii aerodinamici ai aeronavei și de altitudinea zborului. Tranzițiile de la un nivel de viteză la altul ar trebui să fie efectuate cât mai repede posibil folosind post-ardere, ceea ce va ajuta la evitarea unui zbor lung în zona de criză a valurilor. Criza valurilor ca concept a venit din transportul pe apă. A apărut atunci când navele se mișcau cu o viteză apropiată de viteza valurilor de la suprafața apei. Intrarea într-o criză a valurilor implică dificultăți în creșterea vitezei, iar dacă depășiți criza valurilor cât mai simplu posibil, puteți intra în modul de rindeluire sau alunecare de-a lungul suprafeței apei.

Istorie în controlul aeronavelor

Prima persoană care a atins viteza de zbor supersonică într-un avion experimental a fost pilotul american Chuck Yeager. Realizarea sa a fost remarcată în istorie pe 14 octombrie 1947. Pe teritoriul URSS, bariera sunetului a fost spartă pe 26 decembrie 1948 de către Sokolovsky și Fedorov, care zburau cu un luptător experimentat.

Dintre civili, avionul de pasageri Douglas DC-8 a spart bariera sunetului, care la 21 august 1961 a atins viteza de 1.012 Mach, sau 1262 km/h. Scopul zborului a fost de a colecta date pentru proiectarea aripilor. În rândul aeronavelor, recordul mondial a fost stabilit de o rachetă aerobalistică aer-sol hipersonică, care este în serviciu armata rusă. La o altitudine de 31,2 kilometri, racheta a atins viteza de 6389 km/h.

La 50 de ani după ce a spart bariera sunetului din aer, englezul Andy Green a obținut o realizare similară într-o mașină. Americanul Joe Kittinger a încercat să doboare recordul în cădere liberă, ajungând la o înălțime de 31,5 kilometri. Astăzi, pe 14 octombrie 2012, Felix Baumgartner a stabilit un record mondial, fără ajutorul transportului, într-o cădere liberă de la o înălțime de 39 de kilometri, rupând bariera sunetului. Viteza sa a ajuns la 1342,8 kilometri pe oră.

Cea mai neobișnuită spargere a barierei sunetului

Este ciudat de gândit, dar prima invenție din lume care a depășit această limită a fost biciul obișnuit, care a fost inventat de vechii chinezi cu aproape 7 mii de ani în urmă. Aproape până la inventarea fotografiei instant în 1927, nimeni nu bănuia că pocnitul unui bici era un boom sonic în miniatură. Un leagăn ascuțit formează o buclă, iar viteza crește brusc, ceea ce este confirmat de clic. Bariera fonică este spartă la o viteză de aproximativ 1200 km/h.

Misterul celui mai zgomotos oraș

Nu este de mirare că locuitorii orașelor mici sunt șocați când văd capitala pentru prima dată. Abundența mijloacelor de transport, sute de restaurante și centre de divertisment vă încurcă și vă tulbură. Începutul primăverii în capitală este de obicei datat în aprilie, mai degrabă decât în ​​martie rebel, viscol. În aprilie, cerul este senin, curg pâraiele și mugurii înfloresc. Oamenii, obosiți de iarna lungă, deschid larg ferestrele spre soare, iar zgomotul străzii le izbucnește în case. Pe stradă, păsările ciripesc asurzitor, artiștii cântă, elevii veseli recită poezie, ca să nu mai vorbim de zgomotul din ambuteiaj și din metrou. Angajații departamentului de igienă notează că șederea îndelungată într-un oraș zgomotos este dăunătoare sănătății. Fundalul sonor al capitalei este format din transport,
zgomot aviatic, industrial și casnic. Cel mai dăunător este zgomotul mașinilor, deoarece avioanele zboară destul de sus, iar zgomotul de la întreprinderi se dizolvă în clădirile lor. Voietul constant al mașinilor pe autostrăzile deosebit de aglomerate depășește de două ori mai mult toate standardele permise. Cum depășește capitalul bariera sunetului? Moscova este periculoasă cu o abundență de sunete, așa că locuitorii capitalei instalează ferestre cu geam termopan pentru a înăbuși zgomotul.

Cum este luată cu asalt bariera sonoră?

Până în 1947, nu existau date reale despre bunăstarea unei persoane în cabina unui avion care zboară mai repede decât sunetul. După cum se dovedește, spargerea barierei sunetului necesită o anumită putere și curaj. În timpul zborului, devine clar că nu există nicio garanție de supraviețuire. Nici măcar un pilot profesionist nu poate spune cu siguranță dacă designul aeronavei va rezista unui atac din partea elementelor. În câteva minute, avionul se poate prăbuși pur și simplu. Ce explică asta? Trebuie remarcat faptul că mișcarea la viteză subsonică creează unde acustice care se răspândesc ca niște cercuri dintr-o piatră căzută. Viteza supersonică excită undele de șoc, iar o persoană care stă pe pământ aude un sunet similar cu o explozie. Fara puternic calculatoare A fost dificil de rezolvat cele complexe și a trebuit să se bazeze pe modele de suflare în tunelurile de vânt. Uneori, când accelerația avionului este insuficientă, unda de șoc atinge o astfel de forță încât ferestrele zboară din casele peste care zboară avionul. Nu toată lumea va putea depăși bariera fonică, deoarece în acest moment întreaga structură se scutură, iar montările dispozitivului pot suferi daune semnificative. Acesta este motivul pentru care sănătatea bună și stabilitatea emoțională sunt atât de importante pentru piloți. Dacă zborul este lin și bariera de sunet este depășită cât mai repede posibil, atunci nici pilotul, nici eventualii pasageri nu vor simți senzații deosebit de neplăcute. O unitate de cercetare a fost construită special pentru a sparge bariera sunetului. aeronaveîn ianuarie 1946. Crearea mașinii a fost inițiată printr-un ordin al Ministerului Apărării, dar în loc de arme a fost umplută cu echipament științific care monitoriza modul de funcționare al mecanismelor și instrumentelor. Acest avion era ca o rachetă de croazieră modernă cu un motor de rachetă încorporat. Avionul a spart bariera sunetului când viteza maxima 2736 km/h.

Monumente verbale și materiale pentru cucerirea vitezei sunetului

Realizările în depășirea barierei sunetului sunt încă foarte apreciate astăzi. Astfel, avionul în care Chuck Yeager l-a depășit pentru prima dată este acum expus Muzeul National Aeronautică și astronautică, care se află în Washington. Dar parametrii tehnici ai acestei invenții umane ar valora puțin fără meritele pilotului însuși. Chuck Yeager a urmat școala de zbor și a luptat în Europa, după care s-a întors în Anglia. Excluderea nedreaptă de la zbor nu i-a rupt spiritul lui Yeager și a obținut o primire cu comandantul șef al Forțelor Armate Europene. În anii care au mai rămas până la sfârșitul războiului, Yeager a participat la 64 de misiuni de luptă, în timpul cărora a doborât 13 avioane. Chuck Yeager s-a întors în patria sa cu gradul de căpitan. Caracteristicile sale indică o intuiție fenomenală, un calm incredibil și rezistență în situații critice. De mai multe ori Yeager a stabilit recorduri în avionul său. În continuare, cariera sa a fost în unitățile Forțelor Aeriene, unde a pregătit piloți. Ultima dată când Chuck Yeager a spart bariera sunetului a fost la 74 de ani, la cea de-a 50-a aniversare a istoriei zborului său și în 1997.

Sarcini complexe ale creatorilor de avioane

Renumitul avion MiG-15 a început să fie creat în momentul în care dezvoltatorii și-au dat seama că este imposibil să se bazeze doar pe spargerea barierei sunetului, dar că trebuie rezolvate probleme tehnice complexe. Ca rezultat, o mașină a fost creată atât de reușită încât modificările sale au intrat în funcțiune diferite țări. Mai multe birouri de proiectare diferite au intrat într-un fel de luptă competitivă, premiul în care era un brevet pentru cea mai de succes și funcțională aeronave. Au fost dezvoltate avioane cu aripi înclinate, ceea ce a reprezentat o revoluție în designul lor. Dispozitivul ideal trebuia să fie puternic, rapid și incredibil de rezistent la orice daune externe. Aripile înclinate ale avioanelor au devenit un element care le-a ajutat să tripleze viteza sunetului. Apoi a continuat să crească, ceea ce s-a explicat prin creșterea puterii motorului, utilizarea materialelor inovatoare și optimizarea parametrilor aerodinamici. Depășirea barierei sunetului a devenit posibilă și reală chiar și pentru un neprofesionist, dar acest lucru nu o face mai puțin periculoasă, așa că orice pasionat de sporturi extreme ar trebui să-și evalueze în mod rațional punctele forte înainte de a se decide asupra unui astfel de experiment.