Что происходит, когда самолет преодолевает звуковой барьер?

Выражение «звуковой барьер» было придумано лет 70 назад, когда приближение к скорости звука заставляло самолеты реагировать непредвиденными способами. На самом деле фиксированного барьера нет, и в действительности переход может быть достаточно плавным, если самолет и его пилот к этому подготовлены .

Скорость звука - это максимальная скорость, с которой небольшие изменения давления будут распространяться в среде, поэтому при дозвуковой скорости воздух впереди самолета может реагировать на приближающийся самолет. Кроме того, в то время как локальная плотность воздуха изменяется незначительно при дозвуковой скорости, изменения плотности воздуха становятся доминирующими при сверхзвуковой скорости. Чтобы освободить место для приближающегося самолета, дозвуковой воздух будет ускоряться, а сверхзвуковой воздух замедляться, так что плотность увеличивается, чтобы освободить место для сверхзвукового самолета.

На дозвуковой скорости давление и скорость будут плавно изменяться при обтекании самолета воздухом. Как следствие, центр локальных изменений давления (его подъемная сила) действует примерно на одной четверти хорды, так что самолет уравновешивается, когда его центр тяжести находится в том же месте.

На сверхзвуковых скоростях воздух будет застигнут врасплох — в какой-то момент все было тихо и спокойно, и вдруг молекулы воздуха пинает неизвестный злоумышленник. Давление меняется скачкообразно, через толчок, поэтому вместо плавного перехода при сверхзвуковой скорости возникают области одинакового давления, разделенные резкими перепадами или скачками. Как следствие, центр изменения давления смещается назад на 50% хорды. Если центр тяжести остается на четверти хорды, следствием является сильный момент тангажа: самолет пикирует.

Что еще хуже, отклонение поверхности управления, которое может перераспределить подъемную силу между крылом и оперением, не обязательно будет работать так же, как на дозвуковой скорости: самолет может стать неуправляемым. Смотрите этот ответ для подробного объяснения режима.

Конус, который вы видите на правом рисунке, — это конус Маха, который может быть вызван сверхзвуковым самолетом. Картинка была беззастенчиво скопирована с этого блога .

Хитрость теперь заключается в том, чтобы заблаговременно предупредить воздух, где это имеет значение, даже когда самолет движется со сверхзвуковой скоростью. Этого можно достичь с помощью стреловидности крыла, потому что, если угол стреловидности больше угла конуса, при котором изменения давления будут распространяться при сверхзвуковой скорости полета, воздух, обтекающий крыло, будет предупрежден, таким образом реагируя аналогично дозвуковому потоку. Чтобы скорректировать неизбежное смещение центра давления, хвостовое оперение у сверхзвуковых самолетов больше и полноразмернее, поэтому они работают в транс- и сверхзвуковом обтекании. Кроме того, за счет перекачки топлива центр тяжести может быть смещен назад, поэтому требуется меньшее количество изменений дифферента.

Звуковой барьер можно преодолеть на любой высоте, если самолет имеет достаточно мощный двигатель и обладает достаточной жесткостью. Обычно для экономии веса конструкторы устанавливают предел максимального динамического давления (= плотность воздуха, умноженная на квадрат скорости воздуха, деленная на два), поэтому деформация конструкции при этом максимальном динамическом давлении достаточно мала. Обратите внимание, что отклонение его элеронов деформирует крыло Еврофайтера при максимальном динамическом давлении до такой степени, что теряется три четверти эффективности элеронов - элероны вызывают крутящий момент, который деформирует крыло так, что оно работает как механизм искривления крыла в Wright Flyer, только в направлении, противоположном входу элерона.

Поскольку плотность падает с увеличением высоты, такое же динамическое давление достигается при более высокой скорости, что позволяет самолетам летать быстрее, чем выше они летят. Следующий предел задается локальным нагревом вблизи критической линии. Если скорость воздуха замедлится, его температура увеличится пропорционально квадрату разности скоростей . Максимальная непрерывная скорость F-22 была снижена с 1,8 до 1,6 Маха, чтобы избежать перегрева чувствительной композитной конструкции крыла.

Это довольно широкий вопрос, поэтому я постараюсь быть кратким. Так уж получилось, что журнал Scientific American подробно рассмотрел ваш вопрос в статье от 11 марта 2002 года . Хотя я думаю, что страница Википедии лучше описывает это, чем статья SciAm, но это скорее история. Тем не менее, Юнион университет добирается до мяса . Вот некоторые ключевые вещи, которые происходят:

Самолет производит звук, который исходит от самолета во всех направлениях. Волны, распространяющиеся перед самолетом, скапливаются при движении самолета. Когда самолет приближается к скорости звука, «волны» звукового давления накладываются друг на друга, сжимая воздух. Воздух перед самолетом оказывает на самолет силу, препятствующую его движению. Когда самолет приближается к скорости звука, он приближается к этому невидимому барьеру давления, созданному звуковыми волнами прямо перед самолетом. Сжатый воздух перед самолетом воздействует на самолет гораздо большей, чем обычно, силой. В этот момент наблюдается заметное увеличение аэродинамического сопротивления самолета, отсюда и понятие преодоления «звукового барьера». Когда самолет превышает скорость звука, говорят, что он сверхзвуковой.

Все, что превышает скорость звука, создает «звуковой удар», а не только самолеты. Этот эффект может быть создан самолетом, пулей или кончиком кнута; все они дают трещину. Это изменение давления, создаваемое звуковым ударом, может быть весьма разрушительным. Известно, что в самолетах ударные волны разбивают окна в зданиях.

Самое очевидное, что происходит, это звуковой удар .

Многие изображения самолетов, преодолевающих звуковой барьер, которые вы видите в Интернете, на самом деле являются просто ударными волнами (конденсацией), которые возникают до достижения скорости звука. Распространение ударной волны начинается до того, как она становится сверхзвуковой, из-за пограничных слоев и воздуха, который должен уйти с пути самолета (насколько я понимаю). Но фотки выглядят очень, очень круто!

Вот хорошая книга по физике, посвященная ударным волнам: http://physics.info/shock/

И вообще, самолеты вполне способны преодолевать звуковой барьер у земли. Это просто сложнее, как заявляет в своем комментарии храповик, а также есть много правил, запрещающих это.

Почему он не может преодолеть звуковой барьер у земли?

Предыдущие ответы на самом деле не ответили на это.

Есть физический предел. Когда звуковая ударная волна достигает земли, она отражается обратно вверх. Если самолет летит слишком низко, ударная волна в носовой части отскочит назад и ударит по хвостовой части самолета, в результате чего он потеряет управление по направлению и разобьется.

Низкоуровневые варианты сверхзвукового многоцелевого военного самолета Panavia Tornado были сделаны короче, чем это было оптимально, чтобы он мог летать ниже, не встречая собственной ударной волны. Это испортило его аэродинамику и снизило максимальную скорость. Высотный вариант ADV имел более длинный фюзеляж и мог летать быстрее.

Самый простой и простой ответ

Воздух становится гуще у поверхности. Тело движется вперед, отталкивая воздух со своего пути. Будь то машина или мотоцикл. Чем ниже работает автомобиль, тем больше воздуха ему нужно рассеять, чтобы двигаться вперед.

Чтобы двигаться вперед, необходимо затратить определенное количество энергии либо на земле, чтобы толкнуть себя вперед, либо с помощью реактивных двигателей, чтобы всосать весь воздух перед собой и с силой вытолкнуть его назад из транспортного средства.

Если самолету необходимо преодолеть звуковой барьер на малых высотах, ему необходимо подавать в 3 или 4 раза больше воздуха (тяжелых газов), поскольку объем воздуха на малых высотах велик. Это может быть за пределами возможностей двигателя. Однако на больших высотах, где воздух тоньше и легче, это может быть легко достигнуто. Например: Задохнуться 30-сантиметровым сэндвичем сложнее, однако вы можете продолжать есть чипсы/картофель фри длиной в 30 см весь день.

Плавать в тяжелой соленой воде сложно, однако немного легче в морской воде и намного легче в озере. Солевой состав затрудняет движения.

Двигатель не сможет сжать огромный объем воздуха на более низких высотах. Сделать можно, но дорого. Нужны гораздо большие двигатели, которые меньше сжимают и перемещают больше воздуха, поглощая больше бензина. Но юзабилити такой двигатель/самолет меньше.

Еще одним важным фактором является температура и ее влияние на материалы самолета. Если вы движетесь со сверхзвуковой скоростью, материалы должны выдерживать давление, оказываемое на всю плоскость. Кроме того, они подвергаются воздействию экстремальных температур, из-за которых металлы расширяются и сжимаются до максимального уровня. Чтобы такой самолет выдержал суровые условия, материалы должны быть чрезвычайно гибкими и обеспечивать достаточную жесткость, чтобы удерживать весь самолет вместе. Где-то читал, что Mighty Concorde расширился более чем на 3 фута на сверхзвуковых уровнях и сжался на такую ​​же длину на более низких скоростях. металлы не обеспечивают таких экстремальных уровней эластичности. Если только они не спроектированы для этого.