что такое сверхзвуковая скорость
Что происходит во время преодоления звукового барьера самолетом
Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.
Что такое звуковой барьер?
Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью
Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.
Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.
Величина сверхзвуковой скорости полета
Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.
Величина сверхзвуковой скорости полета
На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.
Особенности сверхзвукового полета
Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.
После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.
На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.
Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?
Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).
Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.
Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.
Российский пассажирский сверхзвуковой самолет
Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.
Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия
Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.
Сверхзвук
Сверхзвукова́я ско́рость — скорость частиц вещества выше скорости звука для данного вещества или скорость тела, движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.
Содержание
Теория
При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).
Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна создаваемая судами на поверхности воды.
Классификация скоростей в атмосфере
При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше не считаются гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» космических аппаратов на Землю.
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ
Смотреть что такое «СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ» в других словарях:
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ — скорость движения среды или тела в среде, превышающая скорость звука в данной среде. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
Сверхзвуковая скорость — 1) скорость V газа, превышающая местную скорость звука a: V > a (M > 1, M Маха число). 2) С. с. полёта скорость летательного аппарата, превышающая скорость звука в невозмущенном потоке (часто за полёт со С. с. понимают полёт со скоростью,… … Энциклопедия техники
Сверхзвуковая скорость — скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях. Характеризуется значениями Маха числа (М); имеет значения М от 1 до 5. Скорость, превышающая скорость звука более чем в 5 раз… … Морской словарь
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ — скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях (скорость звука в воздухе при 0°С равна 331 м/с). Характеризуется числом Маха М (), имеющим значения от 1 до 5. Скорость, превышающая М… … Большая политехническая энциклопедия
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skraidymo aparato greitis, viršijantis garso greitį terpėje arba aplinkoje, kurioje jis juda. atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok. Überschallgeschwindigkeit, f; Ultraschallgeschwindigkeit, f rus. сверхзвуковая скорость, f pranc. vitesse hypersonique, f … Fizikos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Greitis, viršijantis garso greitį. atitikmenys: angl. supersonic speed; velocity rus. сверхзвуковая скорость … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Orlaivio skridimo greitis, viršijantis garso greitį tam tikrame aukštyje. Jį atitinka Macho skaičius M>1. atitikmenys: angl. supersonic speed vok. überkritische Geschwindigkeit, f… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Сверхзвуковая скорость — скорость движения, превышающая скорость звука в данной среде … Большая советская энциклопедия
Сверхзвуковая скорость
Смотреть что такое «Сверхзвуковая скорость» в других словарях:
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ — скорость движения среды или тела в среде, превышающая скорость звука в данной среде. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ — СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ, скорость, превышающая локальную скорость звука. В сухом воздухе при температуре 0 °С эта скорость составляет 330 м/с или 1188 км/ч. Ее величина обычно выражается числом МАХА, которое представляет собой отношение скорости… … Научно-технический энциклопедический словарь
Сверхзвуковая скорость — 1) скорость V газа, превышающая местную скорость звука a: V > a (M > 1, M Маха число). 2) С. с. полёта скорость летательного аппарата, превышающая скорость звука в невозмущенном потоке (часто за полёт со С. с. понимают полёт со скоростью,… … Энциклопедия техники
Сверхзвуковая скорость — скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях. Характеризуется значениями Маха числа (М); имеет значения М от 1 до 5. Скорость, превышающая скорость звука более чем в 5 раз… … Морской словарь
СВЕРХЗВУКОВАЯ СКОРОСТЬ — скорость перемещения тела (газового потока), превышающая скорость распространения звука в идентичных условиях (скорость звука в воздухе при 0°С равна 331 м/с). Характеризуется числом Маха М (), имеющим значения от 1 до 5. Скорость, превышающая М… … Большая политехническая энциклопедия
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Skraidymo aparato greitis, viršijantis garso greitį terpėje arba aplinkoje, kurioje jis juda. atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersonic velocity; supersonic velocity vok. Überschallgeschwindigkeit, f; Ultraschallgeschwindigkeit, f rus. сверхзвуковая скорость, f pranc. vitesse hypersonique, f … Fizikos terminų žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Greitis, viršijantis garso greitį. atitikmenys: angl. supersonic speed; velocity rus. сверхзвуковая скорость … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas
сверхзвуковая скорость — viršgarsinis greitis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Orlaivio skridimo greitis, viršijantis garso greitį tam tikrame aukštyje. Jį atitinka Macho skaičius M>1. atitikmenys: angl. supersonic speed vok. überkritische Geschwindigkeit, f… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Скорость звука и число М
Для начала давайте выясним, сверхзвук — это сколько км/ч? Какова должна быть скорость, чтобы считаться сверхзвуковой? Проблема в том, что простого и однозначного ответа на этот вопрос… Просто нет.
Есть правильный ответ — больше 1 М. Или Число Маха равное единице, это скорость звука, а выше единицы, это уже сверхзвук.
Совсем не привычное нам число, выраженное в километрах в час. Если упростить, то объяснить можно так: скорость звука зависит о свойств среды в которой он распространяется, чем плотнее среда, тем быстрее распространяются колебания (звук это ведь волна). Таким образом на разной высоте скорость звука разная. Чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем ниже будет местная скорость звука.
Что такое скорость звука
Скорость звука в километрах в час не выражается, просто потому, что в таком случае она всегда будет разной.
Зависимость скорости звука от высоты полета
Например, скорость звука у земли (на высоте 0 км) составит 340 метров в секунду (м/с), это 1224 км/ч. И тут важно сказать что такое значение будет: при температуре +15 и давлении 750 мм. рт. ст. и относительной влажности 0%. То есть, при «стандартных» условиях.
А вот на высоте 10 000 метров, на которой летают современные пассажирские лайнеры, это уже около 299 м/с (это 1076 км/ч), то есть разница довольно значительная — 12%.
Также от высоты полета и других параметров атмосферы зависит и скорость звука, и сопротивление воздуха и, соответственно, скорость которую может развить самолет.
Скорость звука на высоте 11 километров и выше почти не будет меняться, эта часть атмосферы называется «тропопауза».
То же самое в виде таблицы
Зависимость скорости звука от высоты*
| Высота, м | Скорость звука, м/с | Скорость звука, км/ч |
| -1000 | 344,1 | 1 238,8 |
| 0 | 340,3 | 1 225,1 |
| 1000 | 336,4 | 1 211,0 |
| 2000 | 332,5 | 1 197,0 |
| 3000 | 328,6 | 1 183,0 |
| 4000 | 324,6 | 1 168,6 |
| 5000 | 320,6 | 1 154,2 |
| 6000 | 316,5 | 1 139,4 |
| 7000 | 312,3 | 1 124,3 |
| 8000 | 308,1 | 1 109,2 |
| 9000 | 303,9 | 1 094,0 |
| 10000 | 299,6 | 1 078,6 |
| 11000 | 295,2 | 1 062,7 |
| 12000 | 295,1 | 1 062,4 |
| 13000 | 295,1 | 1 062,4 |
| 14000 | 295,1 | 1 062,4 |
*Минутка занудства. Нужно напомнить, что на самом деле скорости звука от высоты зависит условно, это упрощение. Скорость звука зависит от плотности атмосферы, а плотность воздуха, в свою очередь, зависит от температуры, влажности и давления, которые меняются с высотой.
Зачем нужно число Маха
Так вот, число Маха в авиации представляет собой отношение скорости летательного аппарата к скорости звука на той высоте на которой он сейчас летит. Так удобнее, ведь на разной высоте скорость звука будет разной и чтобы понимать достигает ли самолет скорости звука, его скорость измеряют в числах М.
Один мах, это просто — 1 мах, а не «км/ч». Нельзя просто ответить на вопрос «сколько 1 мах в километрах в час», нужно всегда уточнять, о какой высоте идет речь.
Если еще проще, число М показывает сколько скоростей звука в скорости самолета сейчас на конкретной высоте (при определенных условиях среды). Если число Маха больше единицы, очевидно, мы имеем дело со сверхзвуковой скоростью. Поэтому чаще всего вы будете встречать пояснение для какой высоты указано конкретное число Маха.
Например, для Боинга 777 крейсерской скоростью считается 0,84 М (это дозвуковой летательный аппарат). То есть на высоте 10 000 метров при стандартных условиях, принимая скорость звука за 1076 км/ч умножаем ее на 0,84 и получаем — 904 км/ч. По документации крейсерская скорость Boeing 777 составляет как раз 905 км/ч.
Что касается сверхзвуковых летательных аппаратов, то, по определению, их скорости должны быть больше скорости звука, то есть больше 1 М. Например у Су-27 это 2,35 М, что примерно 2 528 км/ч на высоте 10 км (скорость звука 295 м/с, а это 1062 км/ч).
Число М некоторых сверхзвуковых самолетов:
А вот гиперзвуковые летательные аппараты:
SR-71 — самый быстрый серийный самолет
Еще одно замечание, число Маха в авиации, это качественная величина, а не количественная. То есть это не скорость в чистом виде, а критерий который показывает насколько скорость объекта выше скорости звука. Зачем? Затем, что дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые или гиперзвуковые скорости очень сильно отличаются по сути.
Пилоту (и инженеру тоже) важно знать какой у него сейчас режим обтекания самолета (дозвуковой, трансзвуковой или сверхзвуковой). Например, во многих указателях скорости есть отдельный циферблат, показывающий значение числа Маха в дополнению к приборной скорости.
На картинке в начале этого повествования изображен трансзвуковой режим. Это значит, что сам самолет еще не превысил скорость звука, а на некоторых его участках (на фото это очень хорошо видно по белым «клиньям») скорость обтекания уже достигла скорости звука.
Поэтому и образовались скачки уплотнения которые хорошо видны благодаря образованию конденсата позади них. Вот почему, число Маха так важно.