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 приблизительно 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 зависят от высоты, 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 ]
Считается, что кончик кнута является первым искусственным объектом, который преодолел 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 совершать суперкруизы в течение нескольких часов и относительно высокой частоты полетов в течение нескольких десятилетий, Concorde проводил больше времени в сверхзвуковых полетах, 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 снижается из-за низкой плотности воздуха. Во время всплытия ракеты-носители обычно избегают перехода на сверхзвуковой уровень ниже 30 км (~ 98 400 футов), чтобы уменьшить сопротивление воздуха.
Обратите внимание, что скорость звука несколько снижается 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 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 своем 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 команда надеется достичь скорости до 1600 км / ч (1000 миль в час). Первоначально эту работу возглавлял Ричард Ноубл, который был лидером проекта ThrustSSC, однако после 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, и Энди Грин по-прежнему является лидером в попытках установить рекорд, а испытания на высокой скорости, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.
Сверхзвуковой полет [ править ]
Сверхзвуковая аэродинамика проще, чем дозвуковая аэродинамика, потому что 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 аккуратно 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.
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 не подходит для непрерывного использования на 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 область, 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 разгоне 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 сверхзвуке с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается сверхзвук, отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, сводя на нет это преимущество или опрокидывая его.
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 ]
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] По словам Дэвида Мастерс, [8]Прототип DFS 346, 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 (683 миль в час), 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 ]
- ^ "Астрономическая картинка дня: 19 августа 2007 - Звуковой удар" . antwrp.gsfc.nasa.gov .
- ^ «F-14 КОНДЕНСАЦИОННОЕ ОБЛАКО В ДЕЙСТВИИ» . www.eng.vt.edu . Архивировано из оригинала на 2004-06-02.
- ↑ Майк Мэй, Crackin 'Good Mathematics , American Scientist, Volume 90, Number 5, 2002
- ^ Гипография - Наука для всех - Разъяснение тайны взлома кнута
- ^ Таблицы боеприпасов Hornady
- ^ Калькулятор экстремальных высотных условий
- ^ «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.
- ^ Мастерс, Дэвид (1982). Немецкий Jet Genesis . Джейн. п. 142. ISBN. 978-0867206227.
- ^ 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 . Проверено 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