Первый предмет преодолевший скорость звука. Кто первым преодолел звуковой барьер? Смотреть что такое "Звуковой барьер" в других словарях

Bell X-1, на котором Йегер преодолел сверхзвуковой барьер. Фото: NASA

Это были сложные для авиации времена. Летчики буквально по крупицам собирали опыт, каждый раз рискуя жизнями, чтобы узнать, возможны ли полеты на скоростях выше одного Маха. Флаттер крыла, волновое сопротивление унесли не одну жизнь, до того как конструкторы научились бороться с этими явлениями.

Все дело в том, что при преодолении скорости звука резко возрастает аэродинамическое сопротивление и растет кинетический нагрев конструкции от трения набегающего воздушного потока. Кроме того, в этот момент фиксируется смещение аэродинамического фокуса, что ведет к утрате устойчивости и управляемости самолета.

Спустя 12 лет серийные сверхзвуковые истребители МиГ-19 уже охотились за американскими самолетами-шпионами, а еще ни один гражданский самолет не попытался превысить скорость звука. Это произошло лишь 21 августа 1961 года: пассажирский самолет Douglas DC-8, упав в пике, разогнался до 1,1 Маха. Полет был экспериментальным, с целью собрать больше информации об поведении машины на таких скоростях.

Спустя еще некоторое время в воздух поднялись советский Ту-144 и британо-французский «Конкорд». Практически одновременно: наша машина чуть раньше, 31 декабря 1968 года, а европейская - в марте 1969-го. А вот по объему перевезенных пассажиров за все время эксплуатации моделей капиталисты нас сильно перещеголяли. Если на счету Ту-144 всего чуть больше 3000 пассажиров, то «Конкорды», работая до 2003 года, перевезли более 2,5 миллиона человек. Впрочем, и это не помогло проекту. В конечном счете он был закрыт, очень некстати оказалась и громкая катастрофа под Парижем, в которой никакой вины сверхзвукового самолета не было.

Три ответа «нет»

В качестве железной причины бесперспективности коммерческих сверхзвуковых самолетов обычно приводятся три довода - слишком дорого, слишком сложно, слишком громко. И действительно, каждый, кто наблюдал полет реактивного сверхзвукового военного самолета, никогда не забудет ощущение удара по ушам и того дикого грохота, с которым мимо тебя пролетает самолет на сверхзвуке.

К слову, звуковой удар это не одномоментное явление, он сопровождает самолет по всему пути следования, все время, когда скорость летательного аппарата выше скорости звука. Сложно спорить и с тем, что топлива реактивный самолет потребляет столько, что, кажется, проще его сразу заправлять банкнотами.

Говоря о современных проектах сверхзвукового пассажирского самолета в первую очередь нужно ответить на каждый из этих вопросов. Только в этом случае можно надеяться на то, что все существующие проекты окажутся не мертворожденными.

Звук

Конструкторы решили начать со звука. За последние годы появилось много научных работ, доказывающих, что определенная форма фюзеляжа и крыльев может снизить количество ударных волн, создаваемых самолетом, и уменьшить их интенсивность. Подобное решение потребовало полной переработки корпусов, многократной компьютерной проработки моделей и нескольких тысяч часов продувки будущих самолетов в аэротрубе.

Основные проекты, работающие над аэродинамикой самолета будущего, это QueSST от специалистов из NASA и японская разработка D-SEND-2, создаваемая под эгидой местного Агентства аэрокосмических исследований JAXA. Оба эти проекта ведутся уже несколько лет, планомерно подбираясь к «идеальной» для сверхзвуковых полетов аэродинамике.

Предполагается, что новые сверхзвуковые пассажирские самолеты будут создавать не резкий и жесткий звуковой удар, а гораздо более приятные уху мягкие звуковые пульсации. То есть будет, конечно, все равно громко, но не «громко и больно». Еще одним способом решения проблемы звукового барьера стало уменьшение размеров самолета. Почти все разработки, ведущиеся в настоящее время, - это небольшие летательные аппараты, способные на перевозку 10-40 пассажиров максимум.

Однако есть и в этом вопросе компании-выскочки. В сентябре прошлого года бостонская авиакомпания Spike Aerospace объявила о том, что у них уже практически готова модель сверхзвукового пассажирского самолета S-512 Quiet Supersonic Jet. Предполагается, что летные испытания начнутся уже в 2018 году, а первый самолет с пассажирами на борту стартует не позже конца 2023 года.

Еще более дерзким оказалось заявление создателей, что со звуком проблема практически решена и первые испытания покажут это. Думается, что специалисты из NASA и JAXA, потратившие на решение этой проблемы много лет, будут следить за испытаниями более чем внимательно.

Также существует еще одно интересное решение проблемы звука - это преодоление звукового барьера самолетом при практически вертикальном взлете. В таком случае действие ударных волн окажется слабее, а после набора высоты в 20-30 тысяч метров об этой проблеме можно будет забыть - слишком далеко от Земли.

Двигатели

Работа над двигателями для будущих сверхзвуковых самолетов тоже не прекращается. Даже дозвуковые двигатели за последние годы смогли прилично прибавить в мощности и экономичности за счет внедрения специальных редукторов, керамических материалов и введения дополнительного воздушного контура.

Со сверхзвуковыми самолетами все немного сложнее. Дело в том, что при современном уровне технологического развития турбореактивные двигатели способны достигать максимальной скорости в 2,2 Маха (около 2500 километров в час), для достижения же большей скорости требуется использовать прямоточные двигатели, способные разогнать летательный аппарат до гиперзвуковых скоростей (более 5 чисел Маха). Впрочем, это - пока что - скорее фантастика.

По словам разработчиков, им удается уже в настоящее время достигнуть себестоимости полета на 30 процентов меньшей, чем у «Конкорда», даже при небольшом количестве пассажиров. Такие данные обнародовал стартап Boom Technologies в 2016 году. По их мнению, билет по маршруту Лондон-Нью-Йорк будет стоить около $ 5000, что сопоставимо с ценой за билет при полете первым классом на обычном, дозвуковом самолете.

Иногда, когда в небе пролетает реактивный самолет, можно услышать громкий хлопок, по звуку напоминающий взрыв. Этот «врыв» является результатом преодоления самолетом звукового барьера.

Что такое звуковой барьер и почему мы слышим взрыв? И кто первым преодолел звуковой барьер ? Эти вопросы мы рассмотрим ниже.

Что такое звуковой барьер и как он образуется?

Аэродинамический звуковой барьер – ряд явлений, которые сопровождают движение любого летательного аппарата (самолета, ракеты и т.п.), скорость которого равна или превышает скорость звука. Другими словами, аэродинамический «звуковой барьер» - это резкий скачок сопротивления воздуха, который возникает при достижении самолетом скорости звука.

Звуковые волны перемещаются в пространстве с определенной скоростью, которая изменяется в зависимости от высоты, температуры и давления. Например, на уровне моря скорость звука составляет примерно 1220 км/час, на высоте 15 тыс. м – до 1000 км/час и т.д. Когда скорость самолета приближается к скорости звука, на него действуют определенные нагрузки. На обычных скоростях (дозвуковых) нос самолета «гонит» перед собой волну сжатого воздуха, скорость которой соответствует скорости звука. Скорость движения волны больше, чем обычная скорость самолета. В результате этого, воздух свободно обтекает всю поверхность самолета.

Но, если скорость самолета соответствует скорости звука, волна сжатия образуется не на носу, а перед крылом. В результате этого образуется ударная волна, увеличивающая нагрузки на крылья.

Чтобы летательный аппарат смог преодолеть звуковой барьер, кроме определенной скорости он должен иметь особую конструкцию. Именно поэтому авиаконструкторы разработали и применили в самолетостроении специальный аэродинамический профиль крыла и другие хитрости. В момент преодоления звукового барьера пилот современного сверхзвукового летательного аппарата ощущает вибрации, «скачки» и «аэродинамический удар», который на земле мы воспринимаем, как хлопок или взрыв.

Кто первым преодолел звуковой барьер?

Вопрос «первопроходцев» звукового барьера такой же, как и вопрос первых покорителей космоса. На вопрос «Кто первым преодолел сверхзвуковой барьер ?» можно дать разные ответы. Это и первый человек, преодолевший звуковой барьер, и первая женщина, и, как ни странно, первое устройство…

Первым, кто преодолел звуковой барьер, был летчик-испытатель Чарльз Эдвурд Йегер (Чак Игер). 14 октября 1947 года его экспериментальный самолет Bell X-1, оснащенный ракетным двигателем, выйдя в пологое пикирование с высоты 21379 м над Викторвиллем (Калифорния, США), достиг скорости звука. Скорость самолета в этот момент составила 1207 км/ч.

На протяжении своей карьеры военный летчик сделал большой вклад в развитие не только американской военной авиации, но и космонавтики. Чарльз Элвуд Йегер закончил свою карьеру в звании генерала ВВС США, побывав во многих уголках планеты. Опыт военного летчика пригодился даже в Голливуде при постановке эффектных воздушных трюков в художественном фильме «Летчик».

Историю Чака Йегера о преодолении звукового барьера рассказывает фильм «Парни что надо», который в 1984 году удостоился четырех статуэток Оскар.

Другие «покорители» звукового барьера

Кроме Чарльза Йегера, который первым преодолел звуковой барьер, были и другие рекордсмены.

1. Первый советский летчик-испытатель – Соколовский (26 декабря 1948).
2. Первая женщина – американка Жаклин Кохран (18 мая 1953 г.). Пролетая над военно-воздушной базой Эдвардс (Калифорния, США), ее самолет F-86 преодолел звуковой барьер на скорости 1223 км/час.
3. Первый гражданский самолет – американский пассажирский авиалайнер Douglas DC-8 (21 августа 1961 г.). Его полет, проходивший на высоте около 12,5 тыс. м, был экспериментальным и организовывался с целью сбора данных, необходимых для будущего проектирования передних кромок крыльев.
4. Первый автомобиль, преодолевший звуковой барьер - Thrust SSC (15 октября 1997 г.).
5. Первый человек, преодолевший звуковой барьер в свободном падении – американец Джо Киттингер (1960 г.), прыгнувший с парашютом с высоты 31,5 км. Однако после него, пролетая 14 октября 2012 г. над американским городом Розуэлл (Нью-Мексико, США), австриец Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, покинув воздушный шар с парашютом на высоте 39 км. Его скорость при этом составила около 1342,8 км/час, а спуск на землю, большая часть пути которого проходила в свободном падении, занял всего 10 минут.
6. Мировой рекорд преодоления звукового барьера летательным аппаратом принадлежит гиперзвуковой аэробаллистической ракете Х-15 класса «воздух-земля» (1967 г.), находящейся сейчас на вооружении российской армии. Скорость ракеты на высоте 31,2 км составила 6389 км/час. Хотелось бы отметить, что максимально возможная скорость передвижения человека в истории пилотируемых летательных аппаратов – 39897 км/час, которую в 1969 г. достиг американский космический корабль «Аполлон-10».

Первое изобретение, преодолевшее звуковой барьер

Как ни странно, но первым изобретением, преодолевшим звуковой барьер был… простой хлыст, придуманный древними китайцами 7 тыс. лет назад.

До изобретения в 1927 году моментальной фотографии, никто не мог подумать, что щелчок хлыста – это не просто удар ремешка о рукоятку, а миниатюрный сверхзвуковой щелчок. Во время резкого взмаха формируется петля, скорость которой увеличивается в несколько десятков раз и сопровождается щелчком. Петля преодолевает звуковой барьер на скорости порядка 1200 км/час.

Звуковой барьер — это явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере. При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздушной среды. Это уплотнение воздуха перед летящим самолётом называется ударной волной. На земле прохождение ударной волны воспринимается как хлопок, похожий на звук выстрела. Превысив скорость звука, самолёт проходит сквозь эту область повышенной плотности воздуха, как бы прокалывает её – преодолевает звуковой барьер. Долгое время преодоление звукового барьера представлялось серьёзной проблемой в развитии авиации. Для её решения потребовалось изменить профиль и форму крыла самолёта (оно стало более тонким и стреловидным), сделать переднюю часть фюзеляжа более заострённой и снабдить самолёты реактивными двигателями. Впервые скорость звука была превышена в 1947 г. Ч. Йигером на самолёте Белл Х-1 (США) с жидкостным ракетным двигателем, запущенном с самолёта Боинг В-29. В России звуковой барьер первым преодолел в 1948 г. лётчик О. В. Соколовский на экспериментальном самолёте Ла-176 с турбореактивным двигателем.

Видео.

Скорость Звука.

Скорость распространения (относительно среды) малых возмущений давления. В совершенном газе (например, в воздухе при умеренных температурах и давлении) С. з. не зависит от характера распространяющегося малого возмущения и одинакова как для монохроматических колебаний различной частоты (), так и для слабых ударных волн. В совершенном газе в рассматриваемой точке пространства С. з. а зависит только от состава газа и его абсолютной температуры Т:
a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2,
где dp/d(() - производная давления по плотности для изоэнтропического процесса, (-) - показатель адиабаты, R - универсальная газовая постоянная, (-) - молекулярная масса (в воздухе a 20,1T1/2 м/с. при 0(°)C a = 332 м/с).
В газе с физико-химическими превращениями, например, в диссоциирующем газе, С. з. будет зависеть от того, как - равновесно или неравновесно - протекают эти процессы в волне возмущения. При термодинамическом равновесии С. з. зависит только от состава газа, его температуры и давления. При неравновесном протекании физико-химических процессов имеет место дисперсия звука, то есть С. з. зависит не только от состояния среды, но и от частоты колебаний (). Высокочастотные колебания ((тт), ()) - время релаксации) распространяются с замороженной С. з. aj, низкочастотные ((,) 0) - с равновесной С. з. ae, причём aj > ae. Отличие aj от ai как правило, невелико (в воздухе при Т = 6000(°)С и p = 105 Па оно составляет около 15%). В жидкостях С. з. значительно выше, чем в газе (в воде a 1500 м/с)

Слышали ли вы громкий звук, напоминающий взрыв, когда над головой пролетает реактивный самолет? Этот звук появляется, когда самолет преодолевает звуковой барьер. А что такое звуковой барьер и почему самолет издает такой звук?

Как вам известно, звук перемещается с определенной скоростью. Скорость зависит от высоты. На уровне моря скорость звука — примерно 1220 километров в час, а на высоте 11000 метров — 1060 километров в час. Когда самолет летит на скоростях, близких к скорости звука, он подвергается определенным нагрузкам. Когда он летит на обычных (дозвуковых) скоростях, передняя часть самолета гонит перед собой волну давления. Эта волна распространяется со скоростью звука.

Волна давления возникает из-за накопления частиц воздуха по мере продвижения самолета. Волна движется быстрее, чем самолет, когда самолет летит на дозвуковых скоростях. И в результате оказывается, что воздух беспрепятственно проходит по поверхностям крыльев самолета.

А теперь давайте рассмотрим самолет, который летит со скоростью звука. Волна давления перед самолетом не появляется. Вместо этого происходит то, что волна давления образуется перед крылом (поскольку самолет и волна давления движутся с одинаковой скоростью).

Теперь происходит образование ударной волны, что вызывает большие нагрузки в крыле самолета. Выражение «звуковой барьер» появилось еще до того, как самолеты могли летать со скоростью звука — и считалось, что это выражение описывает нагрузки, которые самолет будет испытывать при этих скоростях. Это считалось «барьером».

Но скорость звука вовсе не является барьером! Инженеры и авиаконструкторы преодолели проблему новых нагрузок. И от старых взглядов у нас осталось лишь то, что удар вызывается ударной волной, когда самолет летит на сверхзвуковых скоростях.

Термин «звуковой барьер» неверно описывает условия, которые возникают при движении самолета с определенной скоростью. Можно полагать, что при достижении самолетом скорости звука появляется что-то вроде «барьера» — но ничего подобного не происходит!

Чтобы понять все это, рассмотрим самолет, летящий с небольшой, обычной скоростью. При движении самолета вперед впереди самолета образуется волна сжатия. Она образуется движущимся вперед самолетом, который спрессовывает частички воздуха.

Эта волна движется впереди самолета со скоростью звука. И ее скорость выше скорости самолета, который, как мы уже сказали, летит с небольшой скоростью. Двигаясь впереди самолета, эта волна заставляет воздушные потоки обтекать плоскости самолета.

Теперь представим, что самолет летит со скоростью звука. Впереди самолета не образуется волны сжатия, так как и самолет, и волны имеют одну скорость. Поэтому волна образуется впереди крыльев.

В результате появляется ударная волна, которая создает большие нагрузки на крылья самолета. До того, как самолеты достигли звукового барьера и превысили его, считали, что такие ударные волны и перегрузки создадут для самолета что-то вроде барьера — «звуковой барьер». Однако звукового барьера не было, так как авиационные инженеры разработали специальную конструкцию самолета для этого.

Кстати, сильный «удар», который мы слышим при прохождении самолетом «звукового барьера», и есть ударная волна, о которой мы уже говорили — при равной скорости самолета и волны сжатия.

(иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха =5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов , что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса , и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α {\displaystyle \alpha } связан с числом Маха соотношением

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого - создаваемый им шум).

Волновой кризис

Волновой кризис - изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука , сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата - ростом лобового сопротивления , снижением подъёмной силы , появлением вибраций и пр.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с ещё большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своём «Мустанге» спикировал на Me-109 . Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трёхстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока . Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно - с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика - перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация . Это явление получило название волнового кризиса . Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой ( > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад, в результате чего нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса - попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй мировой войны с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109 , волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700-750 км/ч. В то же время, реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности - треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем .