Miks kostab heli, kui lennuk lendab? Kes murdis esimesena helibarjääri?
Läbis helibarjääri :-)...
Enne kui teemast rääkima hakkame, toome veidi selgust mõistete täpsuse küsimusesse (mis mulle meeldib :-)). Tänapäeval on üsna laialdaselt kasutusel kaks terminit: helibarjäär Ja ülehelikiirusega barjäär. Kõlab sarnaselt, kuid siiski mitte sama. Siiski pole mõtet olla eriti range: sisuliselt on tegemist ühe ja sama asjaga. Helibarjääri määratlust kasutavad kõige sagedamini inimesed, kes on teadlikumad ja lennundusele lähemal. Ja teine määratlus on tavaliselt kõik teised.
Arvan, et füüsika (ja vene keele :-)) seisukohalt on õigem öelda helibarjäär. Siin on lihtne loogika. Helikiiruse mõiste on ju olemas, aga rangelt võttes pole ülehelikiirusel kindlat kontseptsiooni. Natuke tulevikku vaadates ütlen, et kui lennuk lendab ülehelikiirusel, on see sellest tõkkest juba möödas ja kui see ületab (ületades), siis ületab see teatud kiiruse läviväärtuse, mis on võrdne helikiirusega (ja mitte ülehelikiirusega).
Midagi sellist:-). Pealegi kasutatakse esimest kontseptsiooni palju harvemini kui teist. Ilmselt on põhjuseks see, et sõna ülehelikiirus kõlab eksootilisemalt ja atraktiivsemalt. Ja ülehelikiirusel on eksootika kindlasti olemas ja loomulikult tõmbab see paljusid ligi. Kuid mitte kõik inimesed, kes naudivad sõnu " ülehelikiirusega barjäär"Nad saavad tegelikult aru, mis see on. Olen selles juba korduvalt veendunud, foorumeid vaadates, artikleid lugedes, isegi televiisorit vaadates.
See küsimus on füüsika seisukohast tegelikult üsna keeruline. Kuid loomulikult ei hakka me vaeva nägema keerukusega. Püüame lihtsalt, nagu tavaliselt, olukorda selgitada, kasutades põhimõtet "selgitada aerodünaamikat sõrmedel" :-).
Niisiis, barjääri (heli :-))!... Lennukist, mis toimib sellisele elastsele keskkonnale nagu õhk, saab võimas helilainete allikas. Ma arvan, et kõik teavad, mis on helilained õhus :-).
Helilained (häälestushark).
See on tihenduse ja harvendamise piirkondade vaheldumine, mis levib heliallikast erinevatesse suundadesse. Midagi nagu ringid vee peal, mis on ka lained (lihtsalt mitte helilised :-)). Just need kõrva trummikile mõjuvad piirkonnad võimaldavad meil kuulda kõiki selle maailma helisid, alates inimeste sosinast kuni reaktiivmootorite mürinani.
Helilainete näide.
Helilainete levimispunktideks võivad olla lennuki erinevad komponendid. Näiteks mootor (selle heli on kõigile teada :-)) või kehaosad (näiteks vibu), mis liikumisel enda ees õhku kokku surudes tekitavad teatud tüüpi survet ( kokkusurumine) laine, mis jookseb edasi.
Kõik need helilained levivad õhus meile juba teadaoleva helikiirusega. See tähendab, et kui lennuk on allahelikiirusega ja lendab isegi väikese kiirusega, siis näib, et nad põgenevad selle eest. Selle tulemusena kuuleme sellise õhusõiduki lähenedes esmalt selle häält ja siis lendab ta ise mööda.
Teen siiski reservatsiooni, et see on tõsi, kui lennuk ei lenda väga kõrgel. Heli kiirus ei ole ju valguse kiirus :-). Selle tugevus ei ole nii suur ja helilained vajavad kuulajani jõudmiseks aega. Seetõttu võib suurel kõrgusel lennates kuulaja ja lennuki heli ilmumise järjekord muutuda.
Ja kuna heli pole nii kiire, hakkab lennuk oma kiiruse suurenemisega oma kiiratavatele lainetele järele jõudma. See tähendab, et kui ta oleks liikumatu, siis lained lahkuksid temast vormis kontsentrilised ringid nagu lainetus vee peal, mille tekitab visatud kivi. Ja kuna lennuk liigub, siis nende ringide lennusuunale vastavas sektoris hakkavad lainete piirid (nende frondid) üksteisele lähenema.
Allahelikiirusega keha liikumine.
Sellest lähtuvalt on õhusõiduki (selle nina) ja kõige esimese (pea) laine esiosa vaheline pilu (st see on piirkond, kus toimub järkjärguline teatud määral pidurdamine tasuta voog kohtumisel lennuki ninaga (tiib, saba) ja selle tulemusena rõhu ja temperatuuri tõus) hakkab kokku tõmbuma ja mida kiiremini, seda suurem on lennukiirus.
Saabub hetk, mil see vahe praktiliselt kaob (või muutub minimaalseks), muutudes eriliseks piirkonnaks, mida nimetatakse lööklaine. See juhtub siis, kui lennukiirus jõuab helikiiruseni, st lennuk liigub sama kiirusega kui lained, mida ta kiirgab. Machi arv on võrdne ühtsusega (M=1).
Keha heli liikumine (M=1).
Šokk šokk, on söötme väga kitsas piirkond (umbes 10–4 mm), mille läbimisel ei toimu selle keskkonna parameetrites enam järkjärgulist, vaid järsku (hüppelaadset) muutust - kiirus, rõhk, temperatuur, tihedus. Meie puhul kiirus väheneb, rõhk, temperatuur ja tihedus suurenevad. Sellest ka nimi – lööklaine.
Mõnevõrra lihtsustatult ütleksin selle kõige kohta nii. Ülehelikiiruse voolu on võimatu järsult aeglustada, kuid see peab seda tegema, sest pole enam võimalust järk-järgult pidurdada kuni voolu kiiruseni lennuki nina ees, nagu mõõdukate allahelikiiruste korral. Tundub, et see satub lennuki nina (või tiiva otsa) ees olevale allahelikiirusega lõigule ja vajub kitsaks hüppeks, kandes sellele üle suure liikumisenergia, mis tal on.
Muide, võib öelda ka vastupidi: lennuk kannab osa oma energiast üle lööklainete tekkele, et pidurdada ülehelikiirust.
Ülehelikiirusega keha liikumine.
Lööklainel on veel üks nimi. Koos lennukiga kosmoses liikudes kujutab see sisuliselt eelmainitud keskkonnaparameetrite (st õhuvoolu) järsu muutumise esikülge. Ja see on lööklaine olemus.
Šokk šokk ja lööklaine üldiselt on samaväärsed määratlused, kuid aerodünaamikas kasutatakse rohkem esimest.
Lööklaine (või lööklaine) võib olla praktiliselt risti lennusuunaga, sel juhul on need ruumis ligikaudu ringikujulised ja neid nimetatakse sirgjoonteks. Tavaliselt juhtub see režiimides, mis on lähedal M=1.
Keha liikumise režiimid. ! - allahelikiirus, 2 - M=1, ülehelikiirus, 4 - lööklaine (lööklaine).
Numbrite M > 1 juures asuvad need juba lennusuunaga nurga all. See tähendab, et lennuk ületab juba oma heli. Sel juhul nimetatakse neid kaldusteks ja ruumis omandavad nad koonuse kuju, mida muide nimetatakse Machi koonuseks, mis on oma nime saanud ülehelikiirusega vooge uurinud teadlase järgi (mainis teda ühes neist).
Machi koonus.
Selle koonuse kuju (nii-öelda "saledus") sõltub täpselt arvust M ja on sellega seotud seosega: M = 1/sin α, kus α on nurk koonuse telje ja selle telje vahel. generatrix. Ja kooniline pind puudutab kõigi helilainete esikülgi, mille allikaks oli lennuk ja millest see "möödus", saavutades ülehelikiiruse.
Pealegi lööklained võib ka olla lisatud, kui need külgnevad ülehelikiirusel liikuva või eemalduva keha pinnaga, kui nad ei puutu kehaga kokku.
Lööklainete tüübid ülehelikiirusel erineva kujuga kehade ümber.
Tavaliselt kinnituvad põrutused, kui ülehelikiirusega vool liigub ümber mis tahes terava pinna. Näiteks lennuki puhul võib see olla terav nina, kõrgsurveõhu sisselaskeava või õhuvõtuava terav serv. Samal ajal öeldakse, et "hüpe istub", näiteks nina peal.
Ja eraldunud põrutus võib tekkida siis, kui voolate ümber ümarate pindade, näiteks tiiva paksu õhutiiva ümardatud esiserva.
Lennuki kere erinevad komponendid loovad lennu ajal üsna keeruka lööklainete süsteemi. Kõige ägedamad neist on aga kaks. Üks on pea üks vööri ja teine on saba üks saba elemente. Mõnel kaugusel lennukist jõuavad vahepealsed amortisaatorid kas peaga järele ja sulanduvad sellega või jõuab neile järele saba.
Mudellennuki põrutuslöögid tuuletunnelis puhastamisel (M=2).
Selle tulemusena jääb alles kaks hüpet, mida maise vaatleja tajub üldiselt ühena lennuki väiksuse tõttu võrreldes lennukõrgusega ja vastavalt nendevahelise lühikese ajaperioodiga.
Lööklaine (lööklaine) intensiivsus (teisisõnu energia) sõltub erinevatest parameetritest (lennuki kiirus, selle konstruktsiooniomadused, keskkonnatingimused jne) ja selle määrab rõhu langus selle esiosas.
Machi koonuse tipust ehk lennukist eemaldudes häireallikana lööklaine nõrgeneb, muutub järk-järgult tavaliseks helilaineks ja lõpuks kaob täielikult.
Ja millisel intensiivsusastmel see on lööklaine(või lööklaine) maapinnani jõudmine sõltub sellest, millist mõju see seal võib tekitada. Pole saladus, et tuntud Concorde lendas ülehelikiirusel ainult üle Atlandi ookeani ja sõjaväe ülehelikiirusega lennukid lähevad ülehelikiirusel edasi kõrged kõrgused või piirkondades, kus asustatud piirkondi pole (vähemalt tundub, et nad peaksid seda tegema :-)).
Need piirangud on väga õigustatud. Näiteks minu jaoks seostub lööklaine definitsioon plahvatusega. Ja asjad, mida piisavalt intensiivne lööklaine suudab teha, võivad sellele hästi vastata. Vähemalt võivad akendest klaasid kergesti välja lennata. Selle kohta on piisavalt tõendeid (eriti nõukogude lennunduse ajaloos, kui seda oli üsna palju ja lennud olid intensiivsed). Kuid võite teha hullemaid asju. Tuleb lihtsalt madalamale lennata :-)…
Kuid enamasti pole see, mis lööklainetest maapinnale jõudes järele jääb, enam ohtlik. Lihtsalt maapinnal viibiv välisvaatleja võib kuulda mürina või plahvatuse sarnast heli. Sellega on seotud üks levinud ja üsna püsiv eksiarvamus.
Inimesed, kes pole lennuteaduses liiga kogenud, ütlevad sellist heli kuuldes, et lennuk sai üle helibarjäär (ülehelikiirusega barjäär). Tegelikult pole see tõsi. Sellel väitel pole tegelikkusega mingit pistmist vähemalt kahel põhjusel.
Lööklaine (lööklaine).
Esiteks, kui maas olev inimene kuuleb kõrgel taevas valju mürinat, siis see tähendab (ma kordan :-)) ainult seda, et tema kõrvad on jõudnud. lööklaine front(või lööklaine) kuskilt lendavast lennukist. See lennuk lendab juba ülehelikiirusel ega ole sellele lihtsalt üle läinud.
Ja kui see sama inimene võiks ootamatult leida end lennukist mitu kilomeetrit eespool, siis kuuleks ta samast lennukist uuesti sama heli, sest ta puutuks kokku samasuguse lennukiga liikuva lööklainega.
See liigub ülehelikiirusel ja läheneb seetõttu vaikselt. Ja pärast seda, kui see pole alati olnud meeldiv mõju kuulmekile(ainult nende peal on hea :-)) ja see möödub turvaliselt edasi, kostub töötavate mootorite sumin.
Lennuki ligikaudne lennumuster kl erinevad tähendused M numbrid Saab 35 "Draken" hävitaja näitel. Keel on kahjuks saksa keel, kuid skeem on üldiselt selge.
Pealegi ei kaasne ülehelihelile üleminekuga mingeid ühekordseid “buume”, hüppeid, plahvatusi jne. Kaasaegsel ülehelikiirusel lennukil saab piloot sellisest üleminekust kõige sagedamini teada alles instrumendinäitude põhjal. Sel juhul aga toimub teatud protsess, kuid see allub teatud reeglid piloteerimine on talle praktiliselt nähtamatu.
Aga see pole veel kõik :-). Ma räägin rohkem. mingi käegakatsutava, raske, raskesti läbitava takistuse näol, millele lennuk toetub ja mida on vaja “läbistada” (olen kuulnud selliseid hinnanguid :-)) ei eksisteeri.
Rangelt võttes pole barjääri üldse. Kunagi, lennunduses suure kiiruse arenemise koidikul, kujunes see kontseptsioon pigem psühholoogiliseks tõekspidamiseks ülehelikiirusele ülemineku ja sellega lendamise raskusest. Oli isegi väiteid, et see on üldiselt võimatu, seda enam, et eeldused sellisteks uskumusteks ja väideteks olid üsna spetsiifilised.
Esmalt siiski...
Aerodünaamikas on veel üks termin, mis kirjeldab üsna täpselt selles voolus liikuva ja ülehelikiiruseks minema kalduva keha õhuvooluga interaktsiooni protsessi. See laine kriis. Just tema teeb mõningaid halbu asju, mida traditsiooniliselt selle kontseptsiooniga seostatakse helibarjäär.
Midagi siis kriisist :-). Iga õhusõiduk koosneb osadest, mille ümber olev õhuvool lennu ajal ei pruugi olla sama. Võtame näiteks tiiva, õigemini tavalise klassika allahelikiirusega profiil.
Põhiteadmiste põhjal, kuidas tõste tekib, teame hästi, et voolukiirus profiili ülemise kumera pinna külgnevas kihis on erinev. Kui profiil on kumeram, on see suurem kui üldine voolukiirus, siis, kui profiil on tasandatud, väheneb see.
Kui tiib liigub voolus helikiirusele lähedasel kiirusel, võib tulla hetk, mil sellisel kumeral alal muutub näiteks õhukihi kiirus, mis on juba suurem voolu kogukiirusest. heliline ja isegi ülehelikiirusega.
Lokaalne lööklaine, mis tekib transoonikas lainekriisi ajal.
Edasi mööda profiili see kiirus väheneb ja muutub mingil hetkel taas allahelikiiruseks. Kuid nagu me eespool ütlesime, ei saa ülehelikiirusega vool kiiresti aeglustada, nii et tekkimine lööklaine.
Sellised hüpped tekivad erinevad valdkonnad voolujoonelised pinnad ja esialgu on need üsna nõrgad, kuid nende arv võib olla suur ja üldise voolukiiruse suurenemisega suurenevad ülehelikiirusega tsoonid, löökid "tugevad" ja nihkuvad profiili tagaserva. Hiljem tekivad samad lööklained profiili alumisele pinnale.
Täielik ülehelikiirus ümber tiivaprofiili.
Mida see kõik tähendab? Siin on, mida. Esiteks– see on märkimisväärne aerodünaamilise takistuse suurenemine transoonilises kiirusvahemikus (umbes M=1, enam-vähem). See takistus kasvab ühe selle komponendi järsu suurenemise tõttu - lainetakistus. Sama, mida me varem allahelikiirusega lendude kaalumisel ei arvestanud.
Arvukate lööklainete (või lööklainete) moodustamiseks ülehelikiiruse voolu aeglustamise ajal, nagu ma eespool ütlesin, raisatakse energiat ja see võetakse õhusõiduki liikumise kineetilisest energiast. See tähendab, et lennuk lihtsalt aeglustab (ja väga märgatavalt!). Seda see on lainetakistus.
Veelgi enam, lööklained aitavad neis voolu järsu aeglustumise tõttu kaasa piirkihi eraldamisele enda taga ja selle muutumisele laminaarsest turbulentseks. See suurendab veelgi aerodünaamilist takistust.
Profiili turse erinevatel Machi numbritel Löögilöögid, kohalikud ülehelikiirusega tsoonid, turbulentsed tsoonid.
Teiseks. Tulenevalt kohalike ülehelikiirusega tsoonide ilmumisest tiivaprofiilile ja nende edasisele nihkumisele profiili sabaossa koos voolukiiruse suurenemisega ja seeläbi rõhu jaotumise mustri muutumisega profiilil on aerodünaamiliste jõudude rakenduspunkt (keskpunkt) rõhust) nihkub samuti tagaserva. Selle tulemusena ilmneb sukeldumishetk lennuki massikeskme suhtes, mistõttu see langeb nina.
Mida see kõik kaasa toob... Üsna järsu aerodünaamilise takistuse suurenemise tõttu nõuab lennuk märgatavat mootori võimsusreservületada transooniline tsoon ja jõuda nii-öelda tõelise ülehelihelini.
Aerodünaamilise takistuse järsk tõus transoonika ajal (lainekriis) lainetakistuse suurenemise tõttu. Сd - takistustegur.
Edasi. Sukeldumismomendi ilmnemise tõttu tekivad raskused kaldenurga juhtimisel. Lisaks lokaalsete lööklainetega ülehelikiirusega tsoonide tekkega seotud protsesside häirete ja ebaühtluse tõttu, kontroll muutub keeruliseks. Näiteks rullis, erinevate protsesside tõttu vasakul ja paremal tasapinnal.
Lisaks esineb vibratsioone, mis on sageli kohaliku turbulentsi tõttu üsna tugevad.
Üldiselt täielik naudingute komplekt, mida nimetatakse laine kriis. Kuid tõsi on see, et need kõik toimuvad (oli, betoon :-)) tüüpiliste allahelikiirusega lennukite (paksu sirge tiivaprofiiliga) kasutamisel ülehelikiiruse saavutamiseks.
Esialgu, kui teadmisi polnud veel piisavalt ja ülehelikiiruseni jõudmise protsesse põhjalikult ei uuritud, peeti just seda komplekti peaaegu saatuslikult ületamatuks ja nimetati. helibarjäär(või ülehelikiirusega barjäär, kui sa tahad:-)).
Tavaliste kolblennukite helikiirusest ülesaamisel on olnud palju traagilisi juhtumeid. Tugev vibratsioon põhjustas mõnikord konstruktsioonikahjustusi. Lennukitel ei jätkunud võimsust vajalikuks kiirenduseks. Horisontaallennul oli see võimatu efekti tõttu, millel on sama olemus kui laine kriis.
Seetõttu kasutati kiirendamiseks sukeldumist. Kuid see oleks võinud saatuslikuks saada. Lainekriisi ajal ilmnenud sukeldumishetk venitas sukeldumise pikaks ja vahel polnud sellest enam pääsu. Ju oli vaja kontrolli taastamiseks ja lainekriisi likvideerimiseks kiirust vähendada. Kuid seda teha sukeldumisel on äärmiselt raske (kui mitte võimatu).
Horisontaalsest lennust sukeldumist peetakse üheks peamiseks põhjuseks NSV Liidus 27. mail 1943 toimunud kuulsa vedelkütusega eksperimentaalhävitaja BI-1 katastroofi korral. raketi mootor. Testid viidi läbi maksimaalse lennukiiruse osas ning projekteerijate hinnangul oli saavutatud kiirus üle 800 km/h. Pärast seda tekkis sukeldumisel viivitus, millest lennuk ei taastunud.
Eksperimentaalne hävitaja BI-1.
Meie ajal laine kriis on juba üsna hästi uuritud ja ületatav helibarjäär (vajadusel :-)) pole keeruline. Lennukitel, mis on mõeldud lendama üsna suurel kiirusel, rakendatakse nende lendude hõlbustamiseks teatud disainilahendusi ja piiranguid.
Teadaolevalt algab lainekriis ühele lähedasel M arvul. Seetõttu on peaaegu kõigil allahelikiirusega reaktiivlennukitel (eriti reisijate lennukitel) lend M-i arvu piirang. Tavaliselt on see vahemikus 0,8–0,9 miljonit. Piloodil on korraldus seda jälgida. Lisaks paljudel lennukitel piirtaseme saavutamisel, misjärel tuleb lennukiirust vähendada.
Peaaegu kõik lennukid, mis lendavad kiirusega vähemalt 800 km/h ja rohkem, on seda teinud pühitud tiib(vähemalt mööda esiserva :-)). See võimaldab teil rünnaku algust edasi lükata laine kriis kuni kiirusteni, mis vastavad M=0,85-0,95.
Pühkitud tiib. Põhitegevus.
Selle efekti põhjust saab seletada üsna lihtsalt. Sirgel tiival läheneb õhuvool kiirusega V peaaegu täisnurga all ja tiival (pühkimisnurk χ) teatud libisemisnurga β korral. Kiiruse V saab vektoriaalselt jagada kaheks vooluks: Vτ ja Vn.
Vooluhulk Vτ ei mõjuta rõhujaotust tiival, küll aga vool Vn, mis määrab täpselt tiiva kandevõime. Ja see on ilmselgelt väiksem koguvoolust V. Seetõttu on pühitud tiival lainekriisi algus ja tõus lainetakistus toimub oluliselt hiljem kui sirgel tiival sama vabavoolukiiruse juures.
Eksperimentaalne hävitaja E-2A (MIG-21 eelkäija). Tüüpiline pühitud tiib.
Üheks pühitud tiiva modifikatsiooniks oli tiib koos ülekriitiline profiil(mainis teda). Samuti võimaldab see nihutada algavat lainekriisi suurematele kiirustele ning lisaks võimaldab tõsta reisilennukite jaoks olulist efektiivsust.
SuperJet 100. Ülekriitilise profiiliga pühitud tiib.
Kui lennuk on ette nähtud läbisõiduks helibarjäär( möödub ja laine kriis ka :-)) ja ülehelikiirusega lend, erineb see tavaliselt alati teatud disainifunktsioonide poolest. Eelkõige on sellel tavaliselt õhuke tiivaprofiil ja teravate servadega emennaaž(sh rombikujuline või kolmnurkne) ja plaanis teatud tiivakuju (näiteks kolmnurkne või trapetsikujuline ülevooluga jne).
Ülehelikiirusega MIG-21. Jälgija E-2A. Tüüpiline delta tiib.
MIG-25. Näide tüüpilisest ülehelikiirusel lendamiseks mõeldud lennukist. Õhukesed tiiva- ja sabaprofiilid, teravad servad. Trapetsikujuline tiib. profiil
Vanasõna läbimine helibarjäär, see tähendab, et sellised lennukid lähevad ülehelikiirusele üle mootori järelpõleti töö aerodünaamilise takistuse suurenemise tõttu ja loomulikult tsooni kiireks läbimiseks laine kriis. Ja selle ülemineku hetke ei tunneta enamasti kuidagi (kordan :-)) ei piloot (ta võib kogeda ainult helirõhutaseme langust kokpitis) ega ka välisvaatleja, kui , muidugi võis ta seda jälgida :-).
Siinkohal tasub aga mainida veel üht välisvaatlejatega seotud eksiarvamust. Kindlasti on paljud näinud sedalaadi fotosid, mille pealkirjad ütlevad, et see on hetk, mil lennuk ületab helibarjäär, niiöelda visuaalselt.
Prandtl-Gloerti efekt. Ei hõlma helibarjääri purustamist.
Esiteks, me juba teame, et helibarjääri kui sellist pole ja ülehelikiirusele üleminekuga ei kaasne midagi erakordset (sh pauk või plahvatus).
Teiseks. See, mida fotol nägime, on nö Prandtl-Gloerti efekt. Olen temast juba kirjutanud. See ei ole kuidagi otseselt seotud ülehelikiirusele üleminekuga. Lihtsalt suurtel kiirustel (muide, allahelikiirusega :-)) tekitab lennuk, liigutades enda ees teatud õhumassi, taga teatud koguse õhku haruldane piirkond. Kohe pärast lendu hakkab see piirkond täituma õhuga lähedalasuvast loodusruumist. mahu suurenemine ja temperatuuri järsk langus.
Kui õhuniiskus piisav ja temperatuur langeb alla ümbritseva õhu kastepunkti, siis niiskuse kondenseerumine veeaurust udu kujul, mida me näeme. Niipea, kui tingimused taastatakse algsele tasemele, kaob see udu kohe. Kogu see protsess on üsna lühiajaline.
Seda protsessi suurel transoonilisel kiirusel võib hõlbustada kohalik lööklained Mina, aidates vahel tasapinna ümber moodustada midagi õrna koonuse taolist.
Suured kiirused soosivad seda nähtust, kuid piisava õhuniiskuse korral võib see tekkida (ja juhtub) üsna madalatel kiirustel. Näiteks reservuaaride pinna kohal. Enamik muide ilusad fotod seda laadi tehti lennukikandja pardal, see tähendab üsna niiskes õhus.
See toimib nii. Kaadrid on muidugi lahedad, vaatemäng on suurejooneline :-), aga see pole sugugi see, mida seda kõige sagedamini nimetatakse. pole sellega üldse midagi pistmist (ja ülehelikiirusega barjäär Sama :-)). Ja see on minu arvates hea, muidu ei pruugi vaatlejad, kes sedalaadi fotosid ja videoid teevad, õnnelikud. Löögilaine, Kas sa tead:-)…
Kokkuvõtteks on üks video (olen seda juba varem kasutanud), mille autorid näitavad madalal kõrgusel ülehelikiirusel lendava lennuki lööklaine mõju. Seal on muidugi teatud liialdus :-), aga üldpõhimõte mõistetav. Ja jällegi muljetavaldav :-)…
See on tänaseks kõik. Täname, et lugesite artikli lõpuni :-). Järgmise korrani...
Fotod on klikitavad.
Siiski kõigepealt kõigepealt. Ameerika katsepiloot Chuck Yeager lõhkus esimest korda eksperimentaalses Bell X-1 lennukis (sirge tiiva ja XLR-11 rakettmootoriga) helibarjääri. See juhtus rohkem kui seitsekümmend aastat tagasi – 1947. aastal. Tal õnnestus kiirendada kiirem kiirus heli, saates lennuki madalale sukeldumisele. Aasta hiljem õnnestus Nõukogude katsepilootidel Sokolovskil ja Fedorovil sama asi eksperimentaalse hävitaja La-176 peal, mis eksisteeris ühes eksemplaris.
Need olid lennunduse jaoks keerulised ajad. Piloodid kogusid kogemusi sõna otseses mõttes vähehaaval, riskides iga kord oma eluga, et välja selgitada, kas lennud kiirusega üle ühe Machi on võimalikud. Tiibade laperdus ja lainetakistus nõudsid rohkem kui ühe elu, enne kui disainerid õppisid nende nähtustega toime tulema.
Asi on selles, et helikiiruse ületamisel suureneb aerodünaamiline takistus järsult ja konstruktsiooni kineetiline kuumenemine läheneva õhuvoolu hõõrdumisest. Lisaks registreeritakse sel hetkel aerodünaamilise fookuse nihe, mis viib lennuki stabiilsuse ja juhitavuse kaotuseni.
12 aastat hiljem jahtisid ülehelikiirusega seerialennukid MiG-19 juba Ameerika luurelennukeid ja helikiirust polnud veel üritanud ületada ükski tsiviillennuk. See juhtus alles 21. augustil 1961: sukeldudes kukkunud reisilennuk Douglas DC-8 kiirendas 1,1 Machi. Lend oli eksperimentaalne, eesmärgiga koguda rohkem teavet masina käitumise kohta sellistel kiirustel.
Mõne aja pärast tõusid õhku Nõukogude Tu-144 ja Briti-Prantsuse Concorde. Peaaegu üheaegselt: meie auto veidi varem, 31. detsembril 1968 ja Euroopa oma - 1969. aasta märtsis. Kuid kogu mudelite tööperioodi jooksul veetud reisijate mahu poolest ületasid kapitalistid meid oluliselt. Kui Tu-144 vedas vaid veidi rohkem kui 3000 reisijat, siis 2003. aastani tegutsenud Concordesil oli üle 2,5 miljoni inimese. See aga ei aidanud projektile kaasa. Lõppkokkuvõttes see suleti ja väga ebasobiv oli ka kõrgetasemeline lennuõnnetus Pariisi lähedal, milles ülehelikiirusega lennukid ei olnud süüdi.
Kolm "ei" vastust
Ülehelikiirusega kommertslennukite mõttetuse raudse põhjusena tuuakse tavaliselt kolm põhjust – liiga kallis, liiga keeruline, liiga vali. Tõepoolest, igaüks, kes on jälginud ülehelikiirusega sõjaväelennuki lendu, ei unusta kunagi löögitunnet kõrvu ja seda metsikut mürinat, millega lennuk teist ülehelikiirusel mööda lendab.
Muide, helibuum pole ühekordne nähtus, see saadab lennukit kogu marsruudil, kogu aeg, kui lennuki kiirus on helikiirusest suurem. Raske on vaielda ka tõsiasjaga, et reaktiivlennuk kulutab nii palju kütust, et lihtsam tundub seda rahatähtedega tankida.
Kaasaegsetest ülehelikiirusega reisilennukite projektidest rääkides peate kõigepealt vastama kõigile neile küsimustele. Ainult sel juhul saame loota, et kõik olemasolevad projektid ei sünni surnult.
Heli
Disainerid otsustasid alustada heliga. Taga viimased aastad ilmus palju teaduslikud tööd, mis tõestab, et kere ja tiibade teatud kujundid võivad vähendada lennuki tekitatud lööklainete arvu ja vähendada nende intensiivsust. Selline otsus nõudis kerede täielikku ümberkujundamist, mudelite mitut arvutisimulatsiooni ja mitu tuhat tundi tulevaste lennukite puhastamist tuuletunnelis.
Peamised tulevikulennukite aerodünaamikaga tegelevad projektid on NASA spetsialistide QueSST ja Jaapani arendus D-SEND-2, mis on loodud kohaliku Aerospace Exploration Agency JAXA egiidi all. Mõlemad projektid on kestnud mitu aastat, lähenedes süstemaatiliselt ülehelikiirusega lendude "ideaalsele" aerodünaamikale.
Eeldatakse, et uued ülehelikiirusega reisilennukid ei tekita teravat ja kõva helibuumi, vaid kõrva jaoks palju meeldivamaid pehmeid helipulsatsioone. See tähendab, et see on muidugi endiselt vali, kuid mitte "valju ja valus". Teine võimalus helibarjääri probleemi lahendamiseks oli lennuki mõõtmete vähendamine. Peaaegu kõik praegu käimasolevad arendused on väikesed lennukid, mis suudavad vedada maksimaalselt 10-40 reisijat.
Samas on selles asjas ka tõusvaid ettevõtteid. Mullu septembris teatas Bostonis asuv lennufirma Spike Aerospace, et nad on peaaegu valmis saanud ülehelikiirusega reisilennuki S-512 Quiet Supersonic Jet mudeli. Eeldatavasti algavad lennukatsetused 2018. aastal ning esimene lennuk reisijatega pardal tõuseb õhku hiljemalt 2023. aasta lõpus.
Veelgi julgem oli tegijate väide, et heliprobleem on praktiliselt lahendatud ja esimesed katsetused näitavad seda. Tundub, et NASA ja JAXA spetsialistid, kes on selle probleemi lahendamisele aastaid kulutanud, jälgivad teste rohkem kui tähelepanelikult.
Heliprobleemile on ka teine huvitav lahendus – peaaegu vertikaalsel õhkutõusul helibarjääri lõhkuv lennuk. Sel juhul on lööklainete mõju nõrgem ja pärast 20-30 tuhande meetri kõrguse saavutamist võib selle probleemi unustada - Maast liiga kaugel.
Mootorid
Töö tulevaste ülehelikiirusega lennukite mootoritega samuti ei peatu. Isegi allahelikiirusega mootorid on viimastel aastatel suutnud tänu spetsiaalsete käigukastide, keraamiliste materjalide kasutuselevõtule ja täiendava õhuringi kasutuselevõtule oluliselt suurendada võimsust ja efektiivsust.
Ülehelikiirusega lennukitega on asjad veidi keerulisemad. Fakt on see, et praegusel tehnoloogilisel arengutasemel on turboreaktiivmootorid võimelised saavutama maksimaalset kiirust 2,2 Machi (umbes 2500 kilomeetrit tunnis), kuid suuremate kiiruste saavutamiseks on vaja kasutada reaktiivmootoreid, mis suudavad lennukit kiirendada. hüperhelikiirused (rohkem kui 5 numbrit). Mach). See on aga - praegu - pigem fantaasia.
Arendajate sõnul suudavad nad juba praegu saavutada Concorde’i omast 30 protsenti madalama lennuhinna ka vähese reisijate arvuga. Sellised andmed avaldas startup Boom Technologies 2016. aastal. Nende hinnangul maksab London-New York liini pilet umbes 5000 dollarit, mis on võrreldav tavalise, allahelikiirusega lennukiga esimeses klassis lendava pileti hinnaga.
Minu oma uuesti avaldamine vana tekst teemal "helibarjäär":
Selgub, et üks lennundusega seotud laialt levinud väärarusaamu on niinimetatud "helibarjäär", millest lennukid "ületavad".
Veelgi enam: ülehelikiiruse lennuga on seotud terve hulk väärarusaamu. Kuidas on olukord tegelikkuses? (Fotodega lugu.)
Esimene eksiarvamus:“plaks”, väidetavalt kaasnev “helibarjääri ületamine” (varem avaldati vastus sellele küsimusele Elementsi veebisaidil).
Mõiste "plaks" on arusaamatus põhjustatud mõiste "helibarjäär" valesti mõistmisest. Seda "poppi" nimetatakse õigesti "helibuumiks". Ülehelikiirusel liikuv lennuk tekitab ümbritsevas õhus lööklaineid ja õhurõhu hüppeid. Lihtsustatult võib neid laineid ette kujutada kui lennuki lendu saatvat koonust, mille tipp on justkui seotud kere nina külge ning generaatorid on suunatud lennuki liikumise vastu ja levivad üsna kaugele. näiteks maapinnale.
Kui selle peamise helilaine esiosa tähistava kujuteldava koonuse piir jõuab inimese kõrvani, kostab plaksuna järsk rõhuhüpe. Helipoom, justkui lõastatuna, saadab kogu lennuki lendu eeldusel, et lennuk liigub piisavalt kiiresti, ehkki ühtlase kiirusega. Plaks näib olevat helibuumi põhilaine läbimine üle kindla punkti maapinnal, kus asub näiteks kuulaja.
Teisisõnu, kui ülehelikiirusega lennuk hakkaks lendama üle kuulaja edasi-tagasi konstantse, kuid ülehelikiirusega, oleks pauku kuulda iga kord, mõni aeg pärast seda, kui lennuk lendas üle kuulaja üsna lähedalt.
Ja aerodünaamika “helibarjääriks” on õhutakistuse järsk hüpe, mis tekib siis, kui lennuk saavutab teatud helikiirusele lähedase piirikiiruse. Selle kiiruse saavutamisel muutub õhusõidukit ümbritseva õhuvoolu iseloom dramaatiliselt, mis omal ajal muutis ülehelikiiruse saavutamise väga keeruliseks. Tavaline allahelikiirusega lennuk ei ole võimeline stabiilselt lendama kiirem kui heli, ükskõik kui palju te seda kiirendate, kaotab see lihtsalt kontrolli ja laguneb.
Helibarjääri ületamiseks pidid teadlased välja töötama spetsiaalse aerodünaamilise profiiliga tiiva ja välja mõtlema muid nippe. Huvitav on see, et moodsa ülehelikiirusega lennuki piloodil on oma lennukiga helibarjääri “ületamine” hea: ülehelikiirusele üleminekul on tunda “aerodünaamilist šokki” ja iseloomulikke “hüppeid” juhitavuses. Kuid need protsessid ei ole otseselt seotud "plaksutamisega" kohapeal.
Teine eksiarvamus: "udu purustamine".
Kuigi peaaegu kõik teavad "puuvillast", on "udu" olukord mõnevõrra "erilisem". Palju on pilte, kus lendav lennuk (tavaliselt hävitaja) näib udusest koonusest “välja hüppavat”. Tundub väga muljetavaldav:
Udu nimetatakse "helibarjääriks". Nad ütlevad, et foto jäädvustab "ületamise hetke" ja udu on "sama barjäär".
Tegelikult seostatakse udu tekkimist ainult järsk langusõhusõiduki lennuga kaasnev rõhk. Aerodünaamiliste mõjude tulemusena ei teki lennuki konstruktsioonielementide taha mitte ainult kõrgrõhualad, vaid ka õhu vähenemise alad (tekivad rõhukõikumised). Just nendes haruldaste piirkondades (mis toimub tegelikult ilma soojusvahetuseta keskkond, kuna protsess on “väga kiire”) ja veeaur kondenseerub. Selle põhjuseks on "kohaliku temperatuuri" järsk langus, mis põhjustab järsu nihke nn kastepunktis.
Seega, kui õhuniiskus ja temperatuur on sobivad, siis selline udu – õhuniiskuse intensiivsest kondenseerumisest tingitud – saadab kogu lennuki lendu. Ja mitte tingimata ülehelikiirusel. Näiteks alloleval fotol on pommitaja B-2, mis on allahelikiirusega õhusõiduk, iseloomulik udusus:
Muidugi, kuna fotol on jäädvustatud üks lennuhetk, siis ülehelikiirusega lennukite puhul tekitab see udust “välja hüppava” hävitaja tunde. Eriti tugeva efekti saab saavutada madalal merepinnal lennates, kuna sel juhul on atmosfäär tavaliselt väga niiske.
Seetõttu on suurem osa ülehelikiiruse lennust tehtud “kunstilisi” fotosid tehtud ühe või teise laeva pardalt ning fotodele on jäädvustatud kandjapõhised lennukid.
(Kasutatud fotod: USA mereväe uudisteteenistus ja USA õhujõudude pressiteenistus)
(Eriline tänu Igor Ivanovile väärtuslike kommentaaride eest udu tekkimise füüsika kohta.)
Edasi – arvamused ja arutelud
(Allpool olevad sõnumid lisavad saidi lugejad lehe lõpus asuva vormi kaudu.)14. oktoobril 1947 ületas inimkond järjekordse verstaposti. Piir on üsna objektiivne, väljendudes konkreetses füüsikalises suuruses - heli kiiruses õhus, mis maakera atmosfääri tingimustes jääb olenevalt selle temperatuurist ja rõhust vahemikku 1100-1200 km/h. Ülehelikiiruse vallutas Ameerika piloot Chuck Yeager (Charles Elwood "Chuck" Yeager), II maailmasõja noor veteran, kellel oli erakordne julgus ja suurepärane fotogeensus, tänu millele sai ta kodumaal kohe populaarseks, nagu 14 aastat. hiljem Juri Gagarin.
Ja helibarjääri ületamiseks oli tõesti vaja julgust. Nõukogude piloot Ivan Fedorov, kes kordas Yeageri saavutusi aasta hiljem, 1948. aastal, meenutas oma toonaseid tundeid: "Enne helibarjääri murdmise lendu sai selgeks, et pärast seda pole ellujäämise garantiid. Keegi ei teadnud praktiliselt, mis see on ja kas lennuki konstruktsioon peab elementidele vastu. Kuid me püüdsime sellele mitte mõelda.
Tõepoolest, polnud täielikku selgust, kuidas auto ülehelikiirusel käitub. Lennukikonstruktoritel oli veel värskeid mälestusi 30ndate äkilisest ebaõnnest, mil lennukite kiiruste suurenedes tuli kiiresti lahendada laperduse probleem – isevõnkumised, mis tekivad nii lennuki jäikades konstruktsioonides kui ka selle konstruktsioonides. nahka, rebenes lennuki mõne minutiga laiali. Protsess arenes nagu laviin, kiiresti, piloodid ei jõudnud lennurežiimi muuta ja masinad lagunesid õhus. Üsna pikka aega nägid matemaatikud ja disainerid erinevates riikides vaeva selle probleemi lahendamisega. Lõpuks lõi nähtuse teooria toonane noor vene matemaatik Mstislav Vsevolodovitš Keldõš (1911–1978), hilisem NSVL Teaduste Akadeemia president. Selle teooria abil oli võimalik leida viis ebameeldivast nähtusest igaveseks vabanemiseks.
On üsna selge, et sama ebameeldivaid üllatusi oli oodata ka helibarjäärist. Aerodünaamika keeruliste diferentsiaalvõrrandite numbriline lahendamine võimsate arvutite puudumisel oli võimatu ja tuli loota mudelite tuuletunnelites "puhumisele". Kuid kvalitatiivsetest kaalutlustest oli selge, et helikiiruse saavutamisel tekkis lennuki lähedale lööklaine. Kõige otsustavam hetk on helibarjääri lõhkumine, kui lennuki kiirust võrreldakse helikiirusega. Sel hetkel suureneb lainefrondi erinevatel külgedel rõhkude vahe kiiresti ja kui hetk kestab kauem kui hetke, võib lennuk laguneda mitte halvemini kui laperdamisest. Mõnikord lööb ebapiisava kiirendusega helibarjääri lõhkudes lennuki tekitatud lööklaine isegi selle all maapinnal asuvate majade akende klaasid välja.
Lennuki kiiruse ja helikiiruse suhet nimetatakse Machi numbriks (nimetatud kuulsa saksa mehaaniku ja filosoofi Ernst Machi järgi). Helibarjääri läbides tundub piloodile, et M-number hüppab hüppeliselt üle ühe: Chuck Yeager nägi, kuidas spidomeetri nõel hüppas 0.98 pealt 1.02 peale, misjärel valitses kokpitis tegelikult “jumalik” vaikus, ilmne: just tase Helirõhk lennuki salongis langeb mitu korda. See "helist puhastamise" hetk on väga salakaval, see maksis paljude testijate elu. Kuid tema X-1 lennuki lagunemise oht oli väike.
1946. aasta jaanuaris Bell Aircrafti toodetud X-1 oli puhtalt uurimislennuk, mis oli mõeldud helibarjääri purustamiseks ja ei midagi enamat. Hoolimata asjaolust, et sõiduki tellis kaitseministeerium, topiti sellesse relvade asemel teadusaparatuur, mis jälgib komponentide, instrumentide ja mehhanismide töörežiime. X-1 oli nagu kaasaegne tiibrakett. Sellel oli üks Reaction Motorsi rakettmootor, mille tõukejõud oli 2722 kg. Maksimaalne stardimass 6078 kg. Pikkus 9,45 m, kõrgus 3,3 m, tiibade siruulatus 8,53 m Maksimaalne kiirus kõrgusel 18290 m 2736 km/h. Sõiduk lasti välja strateegiliselt pommitajalt B-29 ja maandus terasest "suuskadele" kuivale soolajärvele.
Selle piloodi "taktikalised ja tehnilised parameetrid" pole vähem muljetavaldavad. Chuck Yeager sündis 13. veebruaril 1923. aastal. Pärast kooli läksin lennukooli ja pärast selle lõpetamist läksin Euroopasse võitlema. Tulistas alla ühe Messerschmitt-109. Ta ise tulistati Prantsusmaa taevas alla, kuid partisanid päästsid ta. Nagu poleks midagi juhtunud, naasis ta oma baasi Inglismaal. Valvas vastuluureteenistus, kes ei uskunud vangistuse imelist vabanemist, eemaldas aga piloodi lendamisest ja saatis ta tagalasse. Ambitsioonikas Yeager saavutas vastuvõtu liitlasvägede Euroopa ülemjuhataja kindral Eisenhoweriga, kes uskus Yeagerit. Ja ta ei eksinud - sõja lõpuni jäänud kuue kuu jooksul sooritas ta 64 lahingumissiooni, tulistas alla 13 vaenlase lennukit, 4 ühes lahingus. Ja ta naasis kodumaale kapteni auastmega suurepärase toimikuga, mis väitis, et tal on fenomenaalne lennuintuitsioon, uskumatu meelekindlus ja hämmastav vastupidavus igas kriitilises olukorras. Tänu sellele omadusele kuulus ta ülehelikiirusega testijate meeskonda, keda valiti ja koolitati sama hoolikalt kui hilisemaid astronaude.
Nimetades X-1 oma naise auks ümber “Glamourous Glennis”, püstitas Yeager sellega rekordeid rohkem kui korra. 1947. aasta oktoobri lõpus langes senine kõrgusrekord 21 372 m. Detsembris 1953 saavutas masina uus modifikatsioon X-1A kiiruse 2,35 M ja peaaegu 2800 km/h ning kuus kuud hiljem tõusis. kõrgusele 27 430 m. Ja enne Lisaks katsetati mitmeid seeriasse lastud hävitajaid ja testiti meie MiG-15, mis püüti kinni ja transporditi Ameerikasse ajal. Korea sõda. Seejärel juhtis Yeager erinevaid õhujõudude katseüksusi nii USA-s kui ka Ameerika baasides Euroopas ja Aasias, osales lahingutegevuses Vietnamis ja koolitas piloote. Ta läks pensionile 1975. aasta veebruaris brigaadikindrali auastmes, olles oma vapra teenistuse jooksul lennanud 10 tuhat tundi, katsetanud 180 erinevat ülehelikiirusega mudelit ning kogunud ainulaadse ordenite ja medalite kollektsiooni. 80ndate keskel tehti maailmas esimesena helibarjääri vallutanud vapra tüübi eluloo põhjal film ja pärast seda ei saanud Chuck Yeagerist isegi mitte kangelane, vaid rahvuslik reliikvia. Ta lendas F-16-ga viimast korda 14. oktoobril 1997, purustades helibarjääri oma ajaloolise lennu viiekümnendal aastapäeval. Yeager oli siis 74-aastane. Üldiselt, nagu luuletaja ütles, tuleks neist inimestest naelad teha.
Selliseid inimesi on teispool ookeani palju. Nõukogude disainerid hakkasid ameerika omadega samal ajal helibarjääri vallutama. Kuid nende jaoks polnud see eesmärk omaette, vaid täiesti pragmaatiline tegu. Kui X-1 oli puhtalt uurimismasin, siis meie riigis vallutati helibarjäär hävitajate prototüüpidele, mis pidid õhuväe üksuste varustamiseks seeriatesse minema.
Konkursil osalesid mitmed disainibürood: Lavochkin OKB, Mikoyan OKB ja Yakovlev OKB, mis arendasid samaaegselt pühkinud tiibadega lennukeid, mis oli tollal revolutsiooniline disainilahendus. Ülehelikiirusega finišijoonele jõudsid nad järgmises järjekorras: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Jak-50 (1950). Seal aga lahendati probleem üsna keerulises kontekstis: sõjamasinal peab olema mitte ainult suur kiirus, aga ka palju muid omadusi: manööverdusvõime, ellujäämisvõime, minimaalne lennueelne ettevalmistusaeg, võimsad relvad, muljetavaldav laskemoon jne. ja nii edasi. Samuti tuleb märkida, et nõukogude ajal mõjutasid riiklike vastuvõtukomisjonide otsuseid sageli mitte ainult objektiivsed, vaid ka arendajate poliitiliste manöövritega seotud subjektiivsed tegurid. Kogu see asjaolude kogum viis hävitaja MiG-15 käivitamiseni, mis toimis 50ndatel kohalikel sõjaliste operatsioonide areenidel hästi. Just selle Koreas jäädvustatud autoga, nagu eespool mainitud, Chuck Yeager "ringi sõitis".
La-176 kasutas sel ajal rekordilist tiiva pühkimist, mis võrdub 45 kraadiga. Turboreaktiivmootor VK-1 andis tõukejõu 2700 kg. Pikkus 10,97 m, tiibade siruulatus 8,59 m, tiiva pindala 18,26 ruutmeetrit. Stardimass 4636 kg. Lagi 15 000 m. Lennuulatus 1000 km. Relvastus üks 37 mm kahur ja kaks 23 mm. Auto valmis 1948. aasta sügisel ja detsembris algasid selle lennukatsetused Krimmis Saki linna lähistel sõjaväelennuväljal. Katseid juhtis tulevane akadeemik Vladimir Vassiljevitš Struminski (1914–1998), katselennuki piloodid olid kapten Oleg Sokolovski ja hiljem kangelase tiitli saanud kolonel Ivan Fedorov. Nõukogude Liit. Sokolovsky suri absurdse õnnetuse läbi neljanda lennu ajal, unustades kokpiti varikatuse sulgeda.
Kolonel Ivan Fedorov purustas helibarjääri 26. detsembril 1948. aastal. Tõusnud 10 tuhande meetri kõrgusele, pööras ta juhtnupu endast eemale ja hakkas sukeldumisel kiirendama. "Ma kiirendan oma 176 suurelt kõrguselt," meenutas piloot. Kostab tüütu madal vile. Kiirust suurendades kihutab lennuk maa poole. Spidomeetri skaalal liigub nõel kolmekohalistelt numbritelt neljakohaliste numbriteni. Lennuk väriseb nagu palavikus. Ja järsku vaikus! Helibarjäär on võetud. Hilisem ostsillogrammide dekodeerimine näitas, et arv M oli ületanud ühe. See juhtus 7000 meetri kõrgusel, kus registreeriti kiiruseks 1,02 M.
Seejärel jätkas mehitatud õhusõidukite kiirus pidevat tõusu mootori võimsuse suurenemise, uute materjalide kasutamise ja aerodünaamiliste parameetrite optimeerimise tõttu. See protsess ei ole aga piiramatu. Ühelt poolt pärsivad seda ratsionaalsuskaalutlused, kui arvestatakse kütusekulu, arenduskulusid, lennuohutust ja muid mitte tühikäiguga seotud kaalutlusi. Ja isegi sõjalennunduses, kus raha ja pilootide ohutus pole nii oluline, jäävad kõige “kiiremate” masinate kiirused vahemikku 1,5–3 miljonit. Tundub, et rohkem polegi vaja. (Reaktiivmootoriga mehitatud lennukite kiirusrekord kuulub Ameerika luurelennukile SR-71 ja on 3,2 M.)
Teisest küljest on olemas ületamatu soojusbarjäär: teatud kiirusel toimub autokere kuumenemine õhuga hõõrdumisel nii kiiresti, et selle pinnalt pole võimalik soojust eemaldada. Arvutused näitavad, et millal normaalne rõhk see peaks toimuma umbes 10M kiirusel.
Sellest hoolimata saavutati 10M piir ikkagi samal Edwardsi treeningväljakul. See juhtus 2005. aastal. Rekordiomanik oli mehitamata rakettlennuk X-43A, mis toodeti 7-aastase ambitsioonika Hiper-X programmi raames, et töötada välja uut tüüpi tehnoloogia, mille eesmärk on muuta radikaalselt tulevase raketi- ja kosmosetehnoloogia palet. Selle maksumus on 230 miljonit dollarit.Rekord püstitati 33 tuhande meetri kõrgusel. Kasutatud droonis uus süsteem kiirendus Kõigepealt lastakse välja traditsiooniline tahkekütuse rakett, mille abil saavutab X-43A kiiruse 7 Machi ja seejärel lülitatakse sisse uut tüüpi mootor - hüperhelikiirusega ramjet-mootor (scramjet või scramjet). mida tavalist kasutatakse oksüdeerijana atmosfääriõhk, ja kütuseks on vesinikgaas (üsna klassikaline kontrollimatu plahvatuse skeem).
Programmi kohaselt valmistati kolm mehitamata mudelit, mis pärast ülesande täitmist ookeani uputati. Järgmine etapp hõlmab mehitatud sõidukite loomist. Pärast nende testimist võetakse saadud tulemusi arvesse mitmesuguste "kasulike" seadmete loomisel. Lisaks lennukitele luuakse NASA vajadusteks hüperhelikiirusega sõjaväesõidukeid – pommitajad, luurelennukid ja transpordilennukid. Hiper-X programmis osalev Boeing plaanib aastateks 2030-2040 luua 250 reisijale mahutava hüperhelikiirusega reisilennuki. On täiesti selge, et aknaid, mis sellistel kiirustel aerodünaamikat lõhuvad ega talu soojust, ei tule. Illuminaatorite asemel on ekraanid videosalvestistega mööduvatest pilvedest.
Pole kahtlust, et seda tüüpi transporti nõutakse, sest mida kaugemale minna, seda kallimaks aeg läheb, mahutades ajaühikusse üha rohkem emotsioone, teenitud dollareid ja muid komponente. kaasaegne elu. Sellega seoses pole kahtlustki, et kunagi muutuvad inimesed ühepäevaliblikateks: üks päev on sama sündmusterohke kui kogu praegune (õigemini eilne) inimelu. Ja võib oletada, et keegi või miski rakendab Hiper-X programmi seoses inimkonnaga.
Mõnikord, kui reaktiivlennuk lendab läbi taeva, on kuulda valju pauku, mis kõlab nagu plahvatus. See "puhang" on tingitud sellest, et lennuk purustas helibarjääri.
Mis on helibarjäär ja miks me kuuleme plahvatust? JA kes esimesena helibarjääri murdis ? Neid küsimusi käsitleme allpool.
Mis on helibarjäär ja kuidas see moodustub?
Aerodünaamiline helibarjäär on nähtuste jada, mis kaasneb mis tahes õhusõiduki (lennuk, rakett vms) liikumisega, mille kiirus on võrdne helikiirusega või sellest suurem. Teisisõnu on aerodünaamiline "helibarjäär" õhutakistuse järsk hüpe, mis tekib siis, kui lennuk saavutab helikiiruse.
Helilained liiguvad läbi ruumi teatud kiirusega, mis varieerub sõltuvalt kõrgusest, temperatuurist ja rõhust. Näiteks merepinnal on heli kiirus ligikaudu 1220 km/h, 15 tuhande m kõrgusel – kuni 1000 km/h jne. Kui lennuki kiirus läheneb helikiirusele, rakenduvad sellele teatud koormused. Tavakiirusel (allhelikiirusel) “ajab” lennuki nina enda ette suruõhu laine, mille kiirus vastab helikiirusele. Laine kiirus on suurem kui lennuki tavaline kiirus. Selle tulemusena liigub õhk vabalt ümber kogu lennuki pinna.
Kuid kui lennuki kiirus vastab helikiirusele, moodustub survelaine mitte nina, vaid tiiva ees. Selle tulemusena moodustub lööklaine, mis suurendab tiibade koormust.
Selleks, et lennuk helibarjäärist üle saaks, peab sellel lisaks teatud kiirusele olema eriline disain. Seetõttu töötasid lennukikonstruktorid välja ja kasutasid lennukiehituses spetsiaalset aerodünaamilist tiivaprofiili ja muid nippe. Helibarjääri murdmise hetkel tunneb moodsa ülehelikiirusega lennuki piloot vibratsiooni, “hüppeid” ja “aerodünaamilist lööki”, mida maapinnal tajume kui poputamist või plahvatust.
Kes murdis esimesena helibarjääri?
Helibarjääri “pioneeride” küsimus on sama, mis esimeste kosmoseuurijate küsimus. küsimusele " Kes murdis esimesena ülehelikiiruse barjääri? ? Saate anda erinevaid vastuseid. See on esimene inimene, kes murrab helibarjääri, ja esimene naine, ja kummalisel kombel ka esimene seade...
Esimene inimene, kes helibarjääri murdis, oli katsepiloot Charles Edward Yeager (Chuck Yeager). 14. oktoobril 1947 sooritas tema rakettmootoriga varustatud eksperimentaalne lennuk Bell X-1 madala sukeldumise 21 379 m kõrguselt Victorville'i (California, USA) kohal ja saavutas helikiiruse. Lennuki kiirus oli sel hetkel 1207 km/h.
Sõjaväe piloot andis kogu oma karjääri jooksul suure panuse mitte ainult Ameerika sõjalennunduse, vaid ka astronautika arengusse. Charles Elwood Yeager lõpetas oma karjääri USA õhujõudude kindralina, olles külastanud paljusid maailma osi. Sõjaväelenduri kogemus tuli kasuks isegi Hollywoodis mängufilmis “Piloot” suurejooneliste õhutrikkide lavastamisel.
Chuck Yeageri lugu helibarjääri murdmisest jutustab 1984. aastal neli Oscarit võitnud filmis "The Right Guys".
Teised helibarjääri "vallutajad".
Lisaks esimesena helibarjääri murdnud Charles Yeagerile oli teisigi rekordiomanikke.
- Esimene Nõukogude katselendur - Sokolovsky (26. detsember 1948).
- Esimene naine on ameeriklanna Jacqueline Cochran (18. mai 1953). Üle Edwardsi õhuväebaasi (California, USA) lennates lõhkus tema lennuk F-86 helibarjääri kiirusel 1223 km/h.
- Esimene tsiviillennuk oli Ameerika reisilennuk Douglas DC-8 (21. august 1961). Selle lend, mis toimus umbes 12,5 tuhande m kõrgusel, oli eksperimentaalne ja korraldati eesmärgiga koguda tiibade esiservade tulevaseks kujundamiseks vajalikke andmeid.
- Esimene auto, mis helibarjääri murdis – Thrust SSC (15. oktoober 1997).
- Esimesena murdis vabalangemisel helibarjääri ameeriklane Joe Kittinger (1960), kes hüppas langevarjuga 31,5 km kõrguselt. Pärast seda aga lennates 14. oktoobril 2012 üle Ameerika linna Roswelli (New Mexico, USA) püstitas austerlane Felix Baumgartner lahkudes maailmarekordi. õhupall langevarjuga 39 km kõrgusel. Selle kiirus oli umbes 1342,8 km/h ja maapinnale laskumine, millest enamik toimus vabalangemisel, võttis aega vaid 10 minutit.
- Lennuki poolt helibarjääri purustamise maailmarekord kuulub praegu kasutusel olevale õhk-maa-tüüpi ülihelikiirusega aeroballistilisele raketile X-15 (1967). Vene armee. Raketi kiirus 31,2 km kõrgusel oli 6389 km/h. Tahaksin märkida, et maksimaalne võimalik kiirus inimese liikumine mehitatud lennukite ajaloos on 39 897 km/h, milleni jõudis 1969. aastal Ameerika kosmoseaparaat Apollo 10.
Esimene leiutis helibarjääri purustamiseks
Kummalisel kombel oli esimene leiutis, mis helibarjääri purustas... lihtne piits, mille leiutasid iidsed hiinlased 7 tuhat aastat tagasi.
Enne kiirfotograafia leiutamist 1927. aastal poleks keegi osanud arvata, et piitsa mõranemine pole lihtsalt käepidet tabanud rihm, vaid miniatuurne ülehelikiirusega klõps. Järsu õõtsumise käigus tekib silmus, mille kiirus suureneb mitukümmend korda ja millega kaasneb klõps. Silmus murrab helibarjääri umbes 1200 km/h kiirusel.