Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из Supersonic )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Сверхзвуковой (значения) .
ВМС США F / A-18F супер Hornet в околозвуковых полете
F / A-18 ВМС США приближается к звуковому барьеру. Белое облако образуется в результате того, что сверхзвуковые расширительные вентиляторы понижают температуру воздуха ниже точки росы . [1] [2]

Сверхзвуковая скорость - это скорость объекта, превышающая скорость звука (  1 Мах ). Для объектов, движущихся в сухом воздухе с температурой 20 ° C (68 ° F) на уровне моря , эта скорость составляет примерно 343,2 м / с (1126 футов / с; 768 миль / ч; 667,1 узлов; 1236 км / ч). Скорости, превышающие скорость звука более чем в пять раз (5 Махов), часто называют гиперзвуковой . Полеты, во время которых только некоторые части воздуха, окружающего объект, например концы лопастей несущего винта, достигают сверхзвуковой скорости, называются околозвуковыми . Обычно это происходит где-то между 0,8 и 1,2 Маха.

Звуки - это бегущие колебания в виде волн давления в упругой среде. В газах звук распространяется в продольном направлении с разными скоростями, в основном в зависимости от молекулярной массы и температуры газа, а давление оказывает незначительное влияние. Поскольку температура и состав воздуха значительно меняются с высотой, числа Маха для самолетов могут изменяться, несмотря на постоянную скорость движения. В воде при комнатной температуре сверхзвуковой скоростью можно считать любую скорость, превышающую 1440 м / с (4724 фут / с). В твердых телах звуковые волны могут быть поляризованы продольно или поперечно и иметь еще более высокие скорости.

Сверхзвуковое разрушение - это движение трещины быстрее скорости звука в хрупком материале.

Раннее значение [ править ]

В начале 20 века термин «сверхзвуковой» использовался как прилагательное для описания звука, частота которого превышает диапазон нормального человеческого слуха. Современный термин для этого значения - « ультразвуковой ».

Этимология : Слово «сверхзвуковой» происходит от двух слов, производных от латинского языка; 1) super: выше и 2) sonus: звук, что вместе означает выше звука или, другими словами, быстрее звука.

Сверхзвуковые объекты [ править ]

Основная статья: Сверхзвуковой самолет
British Airways Concorde в ранней ливрее BA в аэропорту Лондон-Хитроу , начало 1980-х годов.

Считается, что наконечник кнута является первым искусственным объектом, преодолевшим звуковой барьер, что привело к характерной «трещине» (на самом деле, небольшой звуковой удар ). Волновое движение путешествия через кнут, что делает его способным достичь сверхзвуковой скорости. [3] [4]

Большинство современных истребителей - это сверхзвуковые самолеты, но были и сверхзвуковые пассажирские самолеты , а именно Конкорд и Туполев Ту-144 . И эти пассажирские самолеты, и некоторые современные истребители также способны совершать суперкруизные движения - условие длительного сверхзвукового полета без использования форсажной камеры.. Из-за своей способности выполнять суперкруиз в течение нескольких часов и относительно высокой частоты полетов на протяжении нескольких десятилетий, Concorde тратил больше времени на сверхзвуковые полеты, чем все остальные самолеты, вместе взятые, со значительным отрывом. После последнего вылета Concorde, совершенного 26 ноября 2003 г., сверхзвуковых пассажирских самолетов в эксплуатации не осталось. Некоторые большие бомбардировщики , такие как Туполев Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer , также обладают сверхзвуковой способностью.

Большинство пуль современного огнестрельного оружия являются сверхзвуковыми, при этом винтовочные снаряды часто движутся со скоростью, приближающейся, а в некоторых случаях [5] значительно превышающей 3 Маха .

Большинство космических кораблей , в первую очередь Space Shuttle, являются сверхзвуковыми, по крайней мере, на некоторых этапах их входа в атмосферу, хотя влияние на космический корабль уменьшается из-за низкой плотности воздуха. Во время всплытия ракеты-носители обычно избегают выхода на сверхзвуковую скорость ниже 30 км (~ 98 400 футов), чтобы уменьшить сопротивление воздуха.

Обратите внимание, что скорость звука несколько уменьшается с высотой из-за более низких температур (обычно до 25 км). На еще больших высотах температура начинает повышаться с соответствующим увеличением скорости звука. [6]

Когда надутый воздушный шар лопается, оторванные куски латекса сжимаются со сверхзвуковой скоростью, что способствует резкому и громкому хлопку.

Сверхзвуковые наземные аппараты [ править ]

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально путешествовал со сверхзвуковой скоростью. Это ThrustSSC , управляемый Энди Грином , который удерживает мировой рекорд скорости на суше, достигнув средней скорости на двунаправленном беге 1228 км / ч (763 миль / ч) в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года.

В рамках проекта Bloodhound LSR в 2020 году планируется попытка установления рекорда на месторождении Хакскин Пан в Южной Африке с комбинированным реактивным и гибридным ракетным двигателем. Цель состоит в том, чтобы побить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, во время которых [члены] команды надеются достичь скорости до 1600 км / ч (1000 миль в час). Первоначально проект возглавлял Ричард Ноубл, который был лидером проекта ThrustSSC, однако из-за проблем с финансированием в 2018 году команда была куплена Яном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. В новом проекте сохранены многие из первоначального инженерного состава Bloodhound SSC, а Энди Грин по-прежнему является лидером в попытках установить рекорд, а испытания на высоких скоростях, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.

Сверхзвуковой полет [ править ]

Сверхзвуковая аэродинамика проще, чем дозвуковая аэродинамика, потому что воздушные листы в разных точках по плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетным кораблям требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолевать дополнительное аэродинамическое сопротивление в околозвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут мягко направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение поперечной площади ниже по транспортному средству приводит к возникновению ударных волн вдоль корпуса. Дизайнеры используют правило сверхзвуковой площади и правило площади Уиткомба. чтобы свести к минимуму резкие изменения размера.

Источник звука преодолел барьер скорости звука и движется со скоростью, в 1,4 раза превышающей скорость звука, c (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он фактически опережает продвигающийся волновой фронт. Источник звука пройдет мимо неподвижного наблюдателя до того, как наблюдатель действительно услышит создаваемый им звук.
Коническая ударная волна с зоной контакта с землей в форме гиперболы, выделенной желтым цветом.

Однако в практических приложениях сверхзвуковой самолет должен стабильно работать как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом профиле, поэтому аэродинамический дизайн более сложен.

Одной из проблем при длительном сверхзвуковом полете является выделение тепла во время полета. На высоких скоростях может происходить аэродинамический нагрев , поэтому самолет должен быть спроектирован для работы и работы при очень высоких температурах. Дюралюминий , материал, традиционно используемый в авиастроении, начинает терять прочность и деформироваться при относительно низких температурах и непригоден для непрерывного использования при скоростях выше 2,2–2,4 Маха. Такие материалы, как титан и нержавеющая сталь, позволяют работать при гораздо более высоких температурах. Например, реактивный самолет Lockheed SR-71 Blackbird может непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что может привести к тому, что температура в некоторых частях самолета может превысить 315 ° C (600 ° F).

Еще одна проблема, вызывающая беспокойство при устойчивом высокоскоростном полете - это работа двигателя. Реактивные двигатели создают тягу за счет повышения температуры всасываемого воздуха, и по мере того, как самолет набирает скорость, процесс сжатия на впуске вызывает повышение температуры до того, как она достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопных газов определяется материалами турбины в задней части двигателя, поэтому по мере увеличения скорости самолета разница во впускных и выхлопных температурах, которую двигатель может создать за счет сжигания топлива, уменьшается, как и тяга. Более высокую тягу, необходимую для сверхзвуковых скоростей, приходилось восстанавливать за счет сжигания дополнительного топлива в выхлопе.

Дизайн воздухозаборника также был серьезной проблемой. Необходимо рекуперировать как можно больше доступной энергии поступающего воздуха, что называется рекуперацией на впуске, с использованием ударных волн в процессе сверхзвукового сжатия на впуске. На сверхзвуковых скоростях воздухозаборник должен обеспечивать замедление скорости воздуха без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударных волн , косые / плоские, чтобы расчетная скорость самолета сжимала и замедляла воздух до дозвуковой скорости, прежде чем он достигнет двигателя. Ударные волны размещаются с помощью аппарели или конуса, который может потребоваться регулировка в зависимости от компромисса между сложностью и требуемыми характеристиками самолета.

Самолет, способный работать в течение продолжительных периодов времени на сверхзвуковых скоростях, имеет потенциальное преимущество по дальности по сравнению с аналогичной конструкцией, работающей на дозвуковых частотах . Большая часть сопротивления, которое самолет видит при ускорении до сверхзвуковой скорости, происходит чуть ниже скорости звука из-за аэродинамического эффекта, известного как волновое сопротивление . Самолет, который может разогнаться выше этой скорости, значительно снижает сопротивление и может летать на сверхзвуковой скорости с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается сверхзвуковой, отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, компенсируя или опрокидывая это преимущество.

Ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма самолета в целом, чтобы он был длинным и тонким и приближался к «идеальной» форме, как корпус фон Кармана или Сирс-Хаака . Это привело к тому, что почти каждый сверхзвуковой крейсерский самолет выглядел очень похожим на все остальные, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. Д. Хотя эта форма не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования на бомбардировщиках.

История сверхзвукового полета [ править ]

Основная статья: Звуковой барьер

Авиационные исследования во время Второй мировой войны привели к созданию первых самолетов с ракетными и реактивными двигателями. Впоследствии появилось несколько заявлений о преодолении звукового барьера во время войны. Однако первый признанный полет с превышением скорости звука пилотируемым самолетом в управляемом горизонтальном полете был выполнен 14 октября 1947 года экспериментальным исследовательским ракетным самолетом Bell X-1, пилотируемым Чарльзом «Чаком» Йегером . Первым серийным самолетом, преодолевшим звуковой барьер, стал F-86 Canadair Sabre с первой «сверхзвуковой» женщиной-пилотом Жаклин Кокран за штурвалом. [7] В соответствии с David Masters, [8] ДФС 346Прототип, захваченный в Германии Советским Союзом, после того, как был выпущен из B-29 на высоте 32800 футов (10000 м), в конце 1945 года достиг скорости 1100 км / ч, что на этой высоте превышало бы 1 Мах. Пилотом этих полетов был немец Вольфганг Цизе.

21 августа 1961 года Douglas DC-8-43 (регистрационный N9604Z) превысил скорость 1 Мах в управляемом пикировании во время испытательного полета на базе ВВС Эдвардс. В состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер-испытатель). [9] Это был первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера, кроме « Конкорда» или Ту-144 . [9]

См. Также [ править ]

  • Правило области
  • Гиперзвуковая скорость
  • Трансзвуковая скорость
  • ударная волна
  • Сверхзвуковой самолет
  • Сверхзвуковые профили
  • Конус пара
  • Особенность Прандтля – Глауэрта.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Астрономическая картинка дня: 19 августа 2007 - Звуковой удар" . antwrp.gsfc.nasa.gov .
  2. ^ «F-14 КОНДЕНСАЦИОННОЕ ОБЛАКО В ДЕЙСТВИИ» . www.eng.vt.edu . Архивировано из оригинала на 2004-06-02.
  3. ^ Майк мая, сходит Хорошей математика , американские ученый, Том 90, Номер 5, 2002
  4. ^ Гипография - Наука для всех - Разъяснение тайны взлома кнута
  5. ^ Таблицы боеприпасов Hornady
  6. ^ Калькулятор экстремальных высотных условий
  7. ^ «Жаклин Кокран и летчики службы ВВС женщин». Национальное управление архивов и документации: Президентская библиотека Дуайта Д. Эйзенхауэра, музей и дом отрочества. Дата обращения 10 июля 2013.
  8. ^ Мастерс, Дэвид (1982). Немецкий Jet Genesis . Джейн. п. 142. ISBN. 978-0867206227.
  9. ^ a b Wasserzieher, Билл (август 2011 г.). «Я был там: когда DC-8 стал сверхзвуковым» . Журнал Air & Space . Архивировано из оригинала на 2014-05-08 . Дата обращения 3 февраля 2017 .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Можем ли мы когда-нибудь летать с большей скоростью звука", октябрь 1944 г., Popular Science, одна из самых ранних статей об ударных волнах и полетах со скоростью звука.
  • "Британия становится сверхзвуковой", январь 1946 г., статья Popular Science 1946 г., в которой попытка объяснить сверхзвуковой полет широкой публике.
  • MathPages - Скорость звука
  • Уровни сверхзвукового звукового давления