Звуковой барьер. Что такое звуковой барьер? Сверхзвуковой барьер

Официально сверхзвуковую скорость первым преодолел летчик из США Чак Йегер. Рекорд был установлен 14.10.1957 года на Bell X-1, который специально для этих целей сконструировала в начале 1946 года компания Bell Aircraft. Летательный аппарат был изготовлен по заказу военных, однако отношения к ведению боевых действий не имел. Машина была буквально напичкана исследовательской аппаратурой. Внешне Bell X-1 напоминал современную крылатую ракету.

Летчик-испытатель Чак Йегер

Пилот в 1923 году 13 февраля. Окончив школу, юноша сразу поступил в летное училище, после окончания которого ему пришлось воевать в Европе. В самом начале летной карьеры пилоту удалось сбить «Мессершмит-109», но позже он сам потерпел поражение во французском небе и вынужден был прыгать с парашютом.

Летчика подобрали партизаны, однако контрразведка отстранила его от полетов. Возмущенный Чак добился приема у Эйзенхауэра, командовавшего союзными войсками. Тот поверил юноше и, как оказалось, не зря: бравый пилот до конца войны сумел сбить еще 13 самолетов.

Домой Йегер вернулся с отличным послужным списком, характеристиками, наградами, в звании капитана. Это способствовало зачислению летчика в специальную команду испытателей, которых в то время отбирали так же тщательно, как астронавтов. Свой самолет Чак стал «Пленительной Гленис», в честь супруги. Летательный аппарат оснащался одним реактивным двигателем и запускался с бомбардировщика В-52.

На крылатой машине летчик не раз устанавливал рекорды скорости: в конце 1947 он сначала побил предыдущий рекорд высоты (21372 м), а в 1953 сумел разогнать аппарат почти до 2800 км/ч, или 2,5 М (скорость звука измеряют в «махах», по имени немецкого философа, инженера; 1 М примерно равен 1200 км/ч). В отставку Йегер вышел бригадным генералом, в 1975 году, успев поучаствовать во вьетнамской войне и боевых действиях в Корее.

СССР не мог остаться в стороне от попыток преодолеть звуковой барьер; сразу несколько ОКБ (Лавочкин, Яковлев, Микоян) участвовали в подготовке летательного аппарата, который должен был летать быстрее звука. Такая честь выпала самолету Ла-176, из «компании» Лавочкина. Машину полностью подготовили к полетам в 1948 году, в декабре. А 26 числа полковник Федоров преодолел пресловутый барьер, разогнавшись на пикировании. Позже пилот получил звание Героя Советского Союза.

Звуковой барьер в аэродинамике - название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото 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 мм), 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 (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, 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).

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 двигается 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.

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 еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „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 трехстах 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.

Исторические факты

* Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
* В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
* Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
* 15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
* 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.

Фото:
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-18-diamondback_blast.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonic_boom_cloud.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-14D_Tomcat_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:B-1B_Breaking_the_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transonic_Vapor_F-16_01.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18F_Breaking_SoundBarrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supersonic_aircraft_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA18_faster_than_sound.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18_Super_Hornet_VFA-102.jpg
* http://it.wikipedia.org/wiki/File:F-22_Supersonic_Flyby.jpg

Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?

С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер». Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом». Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, - он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.

Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха. Собственно, конденсат вы и видите на фотках внизу...

Нажмите на рисунок, чтобы увеличить его.

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.

Правообладатель иллюстрации SPL

О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель рассказывает об истинной причине феномена.

Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.

По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет - внутри компактного облака.

Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами - визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.

На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта - физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.

• Другие статьи сайта BBC Future на русском языке

По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.

Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.

Так что же это за таинственные облака конденсата?

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфере

По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.

Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.

Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. "Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, - объясняет Ирвин. - Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde - запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью".

Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть - только при помощи специального оборудования.

Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсат

Фотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.

В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.

Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.

Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.

Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео .

"Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха", - говорит Ирвин.

На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США - и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.

Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазом

На таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.

Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы - ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.

Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично - на дозвуковой.

"Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения", - говорит Ирвин.

По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно - теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.

Все, что вам остается сделать, - попросить об услуге профессионального фотографа, и - вуаля! - ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.

• Прочитать можно на сайте