Что происходит, когда самолет преодолевает звуковой барьер?

Выражение «звуковой барьер» было создано, возможно, 70 лет назад, когда приближение к скорости звука заставило самолет реагировать непредвиденными способами. На самом деле фиксированного барьера нет, и в реальности переход может быть достаточно плавным, если к нему подготовлены самолет и его пилот.

Скорость звука-это максимальная скорость, с которой небольшие изменения давления будут распространяться через среду, поэтому При дозвуковой скорости воздух впереди самолета может реагировать на приближающийся самолет. Кроме того, в то время как локальная плотность воздуха изменяется только немного на дозвуковой скорости, изменения плотности воздуха становятся доминирующими на сверхзвуковой скорости. Чтобы освободить место для приближающегося самолета, дозвуковой воздух ускорится, а сверхзвуковой воздух замедлится, чтобы плотность увеличилась, чтобы освободить место для сверхзвукового самолета.

При дозвуковой скорости давление и скорость будут плавно изменяться, в то время как воздух обтекает самолет. Как следствие, центр локальных изменений давления (его подъемная сила) действует примерно на четверть хорды, так что самолет сбалансирован, когда его центр тяжести находится в том же месте.

На сверхзвуковых скоростях воздух будет захвачен врасплох-в какой-то момент все было спокойно и тихо, и вдруг молекулы воздуха пинаются неизвестным злоумышленником. Давление изменяется внезапно, через удар, поэтому вместо плавного перехода на сверхзвуковой скорости есть области аналогичного давления, разделенные внезапными падениями или скачками. Как следствие, центр изменений давления смещается назад на 50% хорды. Если центр тяжести остается на четверть хорды, то следствием является сильный понижающий момент: самолет будет падать.

Хуже того, отклонение рулевой поверхности, которое может перераспределить подъемную силу между крылом и хвостовой поверхностью, не обязательно будет работать так же, как на дозвуковой скорости: самолет может стать неуправляемым. См.этот ответ для подробного объяснения режима.

Конус, который вы видите на правой картинке, — это конус Маха, который был бы вызван сверхзвуковым самолетом. Снимок был беззастенчиво скопирован с этого блога .

Хитрость теперь в том, чтобы дать воздуху некоторое предварительное предупреждение, где он рассчитывает, даже когда самолет движется со сверхзвуковой скоростью. Это может быть достигнуто с размахом крыла, потому что, если угол размаха больше, чем угол конуса, в котором изменения давления будут распространяться со сверхзвуковой скоростью полета, воздух, текущий по крылу, будет предупрежден, таким образом реагируя подобно дозвуковому потоку. Чтобы исправить неизбежный сдвиг в центре давления, хвостовые поверхности больше и полностью летают в сверхзвуковых самолетах, поэтому они работают в транс — и сверхзвуковом потоке. Также, путем нагнетать топливо, центр тяжести можно перенести назад, поэтому меньше изменения уравновешивания необходимо.

Звуковой барьер можно сломать на любой высоте, если самолет имеет достаточно мощный двигатель и достаточно жесткий. Обычно для экономии веса проектировщики устанавливают предел максимального динамического давления (= плотность воздуха в квадрате, деленная на два), поэтому структурная деформация при этом максимальном динамическом давлении достаточно мала. Отметим, что отклонение его элеронов деформирует крыло Еврофайтера при максимальном динамическом давлении до такой степени, что теряется три четверти эффективности элерона — элероны вызывают крутящий момент, который деформирует крыло так, что оно работает как механизм деформации крыла в летчике Райта, только в противоположном направлении к входу элерона.

Поскольку плотность падает с увеличением высоты, то такое же динамическое давление достигается на более высокой скорости, что позволяет самолетам летать быстрее, чем выше они летают. Следующий предел дает локальная жара вблизи линии застоя. Если воздух замедлен, то своя температура увеличит с квадратом разницы в скорости . Максимальная непрерывная скорость F-22 была уменьшена с 1,8 Маха до 1,6 Маха, чтобы избежать перегрева чувствительной композитной конструкции крыла.

Это довольно широкий вопрос, поэтому я постараюсь быть кратким. Так уж случилось, что Scientific American подробно осветила ваш вопрос в статье 11 марта 2002 года . Хотя я думаю, что страница Википедии лучше описывает ее, чем статья SciAm, но это больше история. Однако университет Юнион добирается до мяса . Некоторые из ключевых вещей, которые происходят:

Самолет производит звук, который излучается из самолета во всех направлениях. Волны распространяясь перед самолетом получают толпить совместно движением самолета. Когда самолет приближается к скорости звука, звуковые волны давления накапливаются друг на друга, сжимая воздух. Воздух перед самолетом оказывает на самолет силу, препятствующую его движению. Когда самолет приближается к скорости звука, он приближается к невидимому барьеру давления, созданному звуковыми волнами прямо перед самолетом. Сжатый воздух перед самолетом оказывает на самолет гораздо большую, чем обычно, силу. В этот момент происходит заметное увеличение аэродинамического сопротивления самолета, отсюда и понятие пробития «звукового барьера».»Когда самолет превышает скорость звука, он считается сверхзвуковым.

Все, что превышает скорость звука, создает «звуковой бум», а не только самолеты. Самолет, пуля или кончик кнута могут создать этот эффект; все они производят трещину. Это изменение давления, создаваемое звуковым заграждением, может быть весьма разрушительным. В случае самолетов ударные волны, как известно, разбивают окна в зданиях.

Самое очевидное, что происходит-это звуковой бум .

Многие изображения, которые вы видите в интернете самолетов, нарушающих звуковой барьер, на самом деле просто ударные волны (конденсация), которые происходят до достижения скорости звука. Распространение ударной волны начинается до того, как на самом деле происходит сверхзвуковое из-за пограничных слоев, и воздух должен уйти с пути самолета (как я понимаю). Но фотографии выглядят очень, очень круто!

Вот хорошая книга по физике типа обсуждения ударных волн: http://physics.info/shock/

И на самом деле, самолеты прекрасно способны преодолевать звуковой барьер вблизи Земли. Это просто сложнее, как утверждает Ratchet freak в своем комментарии, а также есть много правил против него.