Почему при переходе на сверхзвук происходит хлопок. Преодоление звукового барьера

Иногда, когда в небе пролетает реактивный самолет, можно услышать громкий хлопок, по звуку напоминающий взрыв. Этот «врыв» является результатом преодоления самолетом звукового барьера.

Что такое звуковой барьер и почему мы слышим взрыв? И кто первым преодолел звуковой барьер ? Эти вопросы мы рассмотрим ниже.

Что такое звуковой барьер и как он образуется?

Аэродинамический звуковой барьер – ряд явлений, которые сопровождают движение любого летательного аппарата (самолета, ракеты и т.п.), скорость которого равна или превышает скорость звука. Другими словами, аэродинамический «звуковой барьер» - это резкий скачок сопротивления воздуха, который возникает при достижении самолетом скорости звука.

Звуковые волны перемещаются в пространстве с определенной скоростью, которая изменяется в зависимости от высоты, температуры и давления. Например, на уровне моря скорость звука составляет примерно 1220 км/час, на высоте 15 тыс. м – до 1000 км/час и т.д. Когда скорость самолета приближается к скорости звука, на него действуют определенные нагрузки. На обычных скоростях (дозвуковых) нос самолета «гонит» перед собой волну сжатого воздуха, скорость которой соответствует скорости звука. Скорость движения волны больше, чем обычная скорость самолета. В результате этого, воздух свободно обтекает всю поверхность самолета.

Но, если скорость самолета соответствует скорости звука, волна сжатия образуется не на носу, а перед крылом. В результате этого образуется ударная волна, увеличивающая нагрузки на крылья.

Чтобы летательный аппарат смог преодолеть звуковой барьер, кроме определенной скорости он должен иметь особую конструкцию. Именно поэтому авиаконструкторы разработали и применили в самолетостроении специальный аэродинамический профиль крыла и другие хитрости. В момент преодоления звукового барьера пилот современного сверхзвукового летательного аппарата ощущает вибрации, «скачки» и «аэродинамический удар», который на земле мы воспринимаем, как хлопок или взрыв.

Кто первым преодолел звуковой барьер?

Вопрос «первопроходцев» звукового барьера такой же, как и вопрос первых покорителей космоса. На вопрос «Кто первым преодолел сверхзвуковой барьер ?» можно дать разные ответы. Это и первый человек, преодолевший звуковой барьер, и первая женщина, и, как ни странно, первое устройство…

Первым, кто преодолел звуковой барьер, был летчик-испытатель Чарльз Эдвурд Йегер (Чак Игер). 14 октября 1947 года его экспериментальный самолет Bell X-1, оснащенный ракетным двигателем, выйдя в пологое пикирование с высоты 21379 м над Викторвиллем (Калифорния, США), достиг скорости звука. Скорость самолета в этот момент составила 1207 км/ч.

На протяжении своей карьеры военный летчик сделал большой вклад в развитие не только американской военной авиации, но и космонавтики. Чарльз Элвуд Йегер закончил свою карьеру в звании генерала ВВС США, побывав во многих уголках планеты. Опыт военного летчика пригодился даже в Голливуде при постановке эффектных воздушных трюков в художественном фильме «Летчик».

Историю Чака Йегера о преодолении звукового барьера рассказывает фильм «Парни что надо», который в 1984 году удостоился четырех статуэток Оскар.

Другие «покорители» звукового барьера

Кроме Чарльза Йегера, который первым преодолел звуковой барьер, были и другие рекордсмены.

1. Первый советский летчик-испытатель – Соколовский (26 декабря 1948).
2. Первая женщина – американка Жаклин Кохран (18 мая 1953 г.). Пролетая над военно-воздушной базой Эдвардс (Калифорния, США), ее самолет F-86 преодолел звуковой барьер на скорости 1223 км/час.
3. Первый гражданский самолет – американский пассажирский авиалайнер Douglas DC-8 (21 августа 1961 г.). Его полет, проходивший на высоте около 12,5 тыс. м, был экспериментальным и организовывался с целью сбора данных, необходимых для будущего проектирования передних кромок крыльев.
4. Первый автомобиль, преодолевший звуковой барьер - Thrust SSC (15 октября 1997 г.).
5. Первый человек, преодолевший звуковой барьер в свободном падении – американец Джо Киттингер (1960 г.), прыгнувший с парашютом с высоты 31,5 км. Однако после него, пролетая 14 октября 2012 г. над американским городом Розуэлл (Нью-Мексико, США), австриец Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, покинув воздушный шар с парашютом на высоте 39 км. Его скорость при этом составила около 1342,8 км/час, а спуск на землю, большая часть пути которого проходила в свободном падении, занял всего 10 минут.
6. Мировой рекорд преодоления звукового барьера летательным аппаратом принадлежит гиперзвуковой аэробаллистической ракете Х-15 класса «воздух-земля» (1967 г.), находящейся сейчас на вооружении российской армии. Скорость ракеты на высоте 31,2 км составила 6389 км/час. Хотелось бы отметить, что максимально возможная скорость передвижения человека в истории пилотируемых летательных аппаратов – 39897 км/час, которую в 1969 г. достиг американский космический корабль «Аполлон-10».

Первое изобретение, преодолевшее звуковой барьер

Как ни странно, но первым изобретением, преодолевшим звуковой барьер был… простой хлыст, придуманный древними китайцами 7 тыс. лет назад.

До изобретения в 1927 году моментальной фотографии, никто не мог подумать, что щелчок хлыста – это не просто удар ремешка о рукоятку, а миниатюрный сверхзвуковой щелчок. Во время резкого взмаха формируется петля, скорость которой увеличивается в несколько десятков раз и сопровождается щелчком. Петля преодолевает звуковой барьер на скорости порядка 1200 км/час.

(иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха =5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов , что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса , и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α {\displaystyle \alpha } связан с числом Маха соотношением

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

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

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.

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

Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с ещё большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своём «Мустанге» спикировал на Me-109 . Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трёхстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

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 ( > 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.262 и 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.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности - треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем .

Звуковой барьер

Звуково́й барье́р

явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздушной среды. Это уплотнение воздуха перед летящим самолётом называется ударной волной. На земле прохождение ударной волны воспринимается как хлопок, похожий на звук выстрела. Превысив , самолёт проходит сквозь эту область повышенной плотности воздуха, как бы прокалывает её – преодолевает звуковой барьер. Долгое время преодоление звукового барьера представлялось серьёзной проблемой в развитии авиации. Для её решения потребовалось изменить профиль и форму крыла самолёта (оно стало более тонким и стреловидным), сделать переднюю часть фюзеляжа более заострённой и снабдить самолёты реактивными двигателями. Впервые скорость звука была превышена в 1947 г. Ч. Йигером на самолёте Х-1 (США) с жидкостным ракетным двигателем, запущенном с самолёта В-29. В России звуковой барьер первым преодолел в 1948 г. О. В. Соколовский на экспериментальном самолёте Ла-176 с турбореактивным двигателем.

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Звуковой барьер

резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M(∞), несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M(∞) > M* наступает , сопровождающийся появлением волнового сопротивления. Коэффициент волнового сопротивления летательных аппаратов очень быстро возрастает с ростом числа M, начиная с M(∞) = M*.
Наличие З. б. затрудняет достижение скорости полёта, равной скорости звука, и последующего перехода к сверхзвуковому полёту. Для этого оказалось необходимым создать самолёты с тонкими стреловидными крыльями, что позволило значительно снизить сопротивление, и реактивными двигателями, у которых с ростом скорости тяга возрастает.
В СССР скорость, равная скорости звука, впервые была достигнута на самолёте Ла-176 в 1948.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

Смотреть что такое "звуковой барьер" в других словарях:

Барьер - все рабочие скидки Барьер в категории Дом и дача

Звуковой барьер в аэродинамике название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её. Содержание 1 Ударная волна,… … Википедия

ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР, причина трудностей в авиации при увеличении скорости полета свыше скорости звука (СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ). Приближаясь к скорости звука, самолет испытывает неожиданное увеличение сопротивления и потерю аэродинамической ПОДЪЕМНОЙ… … Научно-технический энциклопедический словарь

звуковой барьер - garso barjeras statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. sonic barrier; sound barrier vok. Schallbarriere, f; Schallmauer, f rus. звуковой барьер, m pranc. barrière sonique, f; frontière sonique, f; mur de son, m … Fizikos terminų žodynas

звуковой барьер - 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… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Резкое увеличение сопротивления аэродинамического при приближении скорости полёта ЛА к скорости звука (превышении кри тич. значения Маха числа полёта). Объясняется волновым кризисом, сопровождающимся ростом волнового сопротивления. Преодолеть 3.… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Звуковой барьер - резкое увеличение сопротивления воздушной среды движению ЛА при. подходе к скоростям, близким к скорости распространения звука. Преодоление 3. б. стало возможным за счёт совершенствования аэродинамических форм самолётов и применения мощных… … Словарь военных терминов

звуковой барьер - звуковой барьер — резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M∞, несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M∞ > Энциклопедия «Авиация»

звуковой барьер - звуковой барьер — резкое увеличение сопротивления аэродинамического летательного аппарата при Маха числах полёта M∞, несколько превышающих критическое число M*. Причина состоит в том, что при числах M∞ > M* наступает волновой кризис,… … Энциклопедия «Авиация»

- (франц. barriere застава). 1) ворота в крепостях. 2) в манежах и цирках загородка, бревно, шест, через которые прыгает лошадь. 3) знак, до которого доходят бойцы на поединке. 4) перила, решетка. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка

БАРЬЕР, а, муж. 1. Преграда (род стенки, перекладина), поставленная на пути (при скачках, беге). Взять б. (преодолеть его). 2. Загородка, ограждение. Б. ложи, балкона. 3. перен. Преграждение, препятствие для чего н. Река естественный б. для… … Толковый словарь Ожегова

Книги

• Вегас: Правдивая история (DVD) , Надери Амир. Некоторые люди ищут "американскую мечту" в самых странных местах… Когда-то Эдди Паркер и его жена Трейси были заядлыми игроманами, что неудивительно: они живут в Лас-Вегасе, где играют все.…

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 основной звуковой волны, достигает уха человека, 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.

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.