Разгон сверхзвукового самолета после преодоления звукового барьера

Люди на стеке физики порекомендовали мне спросить здесь, поэтому я вставляю свой вопрос о сверхзвуковых самолетах.

Я наткнулся на интересный сюжет; в частности, зависимость волнового сопротивления от числа Маха:

введите описание изображения здесь

Любопытно видеть, что коэффициент лобового сопротивления так резко падает на сверхзвуковом режиме, но мне еще более любопытно, падает ли и общая сила лобового сопротивления, действующая на самолет , т. е. если самолет начинает разгоняться на сверхзвуковом режиме.

Я сделал краткий анализ проблемы. Сила сопротивления определяется как

Ф тащить "=" С ( в ) в 2 ,
где С ( в ) "=" А С Д ( в ) р ( в ) / 2 - недавно введенная постоянная сопротивления с коэффициентом сопротивления С Д ( в ) , полет средней плотности р ( в ) , а площадь поперечного сечения А .

Принимая эти соотношения, можно расширить уравнение для силы сопротивления, чтобы найти, что

Δ Ф тащить "=" С ′ ( в ) в 2 Δ в + 2 С в Δ в .

Как С ′ ( в ) на сверхзвуковом режиме явно отрицательна, это означает, что полная сила сопротивления падает, если

С ′ ( в ) < − 2 С ( в ) в .

Представляется, что этот критерий действительно может выполняться в воздухе, так как правый член в неравенстве представляет собой довольно малое число.

Есть ли кто-нибудь, кто мог бы подробнее рассказать о том, что на самом деле происходит с силой сопротивления, когда самолет преодолевает звуковой барьер? Снижают ли двигатели самолета свою мощность, чтобы поддерживать разумную сверхзвуковую крейсерскую скорость, и если они этого не делают, не испытывают ли они слишком большую тепловую нагрузку?

Ответы (2)

В вашем расширении Тейлора используются только первые два члена, так что это лишь грубое приближение. Но все же ваше замечание верное, правда применимо ли оно зависит от аэродинамического качества конкретного самолета.

Практические сверхзвуковые самолеты были разработаны, чтобы свести к минимуму пик лобового сопротивления Маха . Способы сделать это должны быть знакомы:

  • Растяните самолет вдоль, чтобы он стал длинным и тонким.
  • Сглаживание распределения площади поперечного сечения по длине («линейка площади»)
  • Используйте стреловидные крылья с тонкими аэродинамическими профилями.

Если это сделано правильно, пик лобового сопротивления будет достаточно мал, чтобы общее сопротивление увеличивалось с числом Маха выше 1 Маха. В случае F-16 коэффициент лобового сопротивления увеличивается с 0,02 (дозвуковой) до 0,045 (1,1 Маха) и остается примерно на том же уровне. постоянно с увеличением числа Маха, поэтому абсолютное сопротивление все еще растет с квадратом скорости. Существенного снижения коэффициента лобового сопротивления не происходит из-за сложного обтекания всего самолета. Только при плохой конструкции лобовое сопротивление реально станет меньше на малых сверхзвуковых числах Маха.

Еще одним фактором является тяга: поскольку давление на впуске увеличивается, тяга того же двигателя увеличивается с увеличением скорости. Это основная причина, по которой «Конкорд» мог летать в суперкруизах уже за 20 лет до того, как Локхид изобрел этот термин в маркетинге.

Спасибо, Питер! Известны ли вам случаи, когда самолет был сконструирован настолько плохо, что этот эффект действительно проявлялся?
@Akerai: у меня нет цифр, но я уверен, что многие из ранних проектов, преодолевших барьер Маха грубой силой, являются хорошими кандидатами для поиска.
превосходнейшая экспозиция!

Вот еще один график коэффициента лобового сопротивления с дополнительной информацией:

введите описание изображения здесь

Это заметно на практике: Concorde использовал свои форсажные камеры для разгона с 0,9 до 1,7 Маха (при наборе высоты), а затем отключил форсажные камеры для крейсерского полета со скоростью 2 Маха.

Падает ли общая сила сопротивления, я не знаю. Но разница в Cd составляет 3 раза, в то время как полное сопротивление имеет член av 2 , что означало бы 4-кратное увеличение при переходе от 1 Маха к M2, поэтому общее сопротивление все еще увеличивается.

В википедии показанного вами сюжета говорится, что это «Качественное изменение коэффициента Cd с числом Маха для самолетов», поэтому я не уверен, следует ли вам зависеть от показанных чисел. В то же время я понимаю, что даже если сила упадет, она в конечном итоге снова возрастет из-за квадратичного члена скорости. Мне просто любопытно, является ли наклон коэффициента лобового сопротивления достаточно отрицательным, чтобы превзойти квадратичное увеличение, по крайней мере, сразу после достижения максимума.
@Akerai это явление похоже на уменьшение сопротивления, когда корма лодки отрывается от кильватерного следа. Происходит снижение общего сопротивления и увеличение скорости. Однако воздушное охлаждение двигателей может не представлять серьезной проблемы. Повышенная скорость и лучшая эффективность тарана, приближающаяся к 2 Маха, помогут компенсировать увеличение общего сопротивления. Конкорд хотел бы двигаться быстрее и выше, но фрикционный нагрев передних кромок ограничивает скорость до 2 Маха на высоте около 60 000 футов. Расход топлива на милю для данного веса расскажет правду.
Разгон сверхзвукового самолета после преодоления звукового барьера
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v