Spărgând bariera sunetului peste Piața Roșie. Bariera de sunet. Transformarea undelor de șoc

Pe 14 octombrie 1947, omenirea a trecut de o altă piatră de hotar. Limita este destul de obiectivă, exprimată într-o anumită mărime fizică - viteza sunetului în aer, care, în condițiile atmosferei terestre, depinde de temperatura și presiunea sa în intervalul 1100–1200 km / h. Viteza supersonică a fost cucerită de pilotul american Chuck Yeager (Charles Elwood „Chuck” Yeager) - un tânăr veteran al celui de-al Doilea Război Mondial, care avea un curaj extraordinar și o fotogenitate excelentă, datorită căruia a devenit imediat popular în țara natală la fel ca 14 ani mai târziu. - Iuri Gagarin.

Și curajul de a trece prin bariera sunetului era cu adevărat necesar. Pilotul sovietic Ivan Fedorov, care a repetat realizarea lui Yeager un an mai târziu, în 1948, și-a amintit atunci sentimentele sale: „Înainte de a zbura pentru a depăși bariera sunetului, a devenit evident că nu exista nicio garanție de a supraviețui după aceasta. Nimeni nu știa practic ce este și dacă designul aeronavei va rezista la presiunea elementelor. Dar am încercat să nu ne gândim la asta.”

Într-adevăr, nu a existat o claritate completă cu privire la modul în care mașina se va comporta la viteză supersonică. Proiectanții de aeronave erau încă proaspete în amintirea nenorocirii bruște din anii 1930, când, odată cu creșterea vitezei aeronavelor, a fost necesară rezolvarea urgentă a problemei flutterului - auto-oscilații care apar atât în ​​structurile rigide ale aeronavei, cât și în pielea sa, sfâșiind aeronava în câteva minute. Procesul s-a dezvoltat ca o avalanșă, rapid, piloții nu au avut timp să schimbe modul de zbor, iar mașinile s-au prăbușit în aer. Pentru o lungă perioadă de timp, matematicienii și designerii din diferite țări s-au luptat să rezolve această problemă. În cele din urmă, teoria fenomenului a fost creată de tânărul matematician rus de atunci Mstislav Vsevolodovich Keldysh (1911–1978), mai târziu președinte al Academiei de Științe a URSS. Cu ajutorul acestei teorii s-a putut găsi o modalitate de a scăpa definitiv de un fenomen neplăcut.

Este destul de de înțeles că de la bariera sonoră se așteptau surprize la fel de neplăcute. Rezolvarea numerică a ecuațiilor diferențiale complexe ale aerodinamicii în absența calculatoarelor puternice era imposibilă și trebuia să se bazeze pe „epurarea” modelelor din tunelurile de vânt. Dar din considerente calitative a fost clar că atunci când viteza sunetului a fost atinsă, în apropierea aeronavei a apărut o undă de șoc. Momentul cel mai crucial este depășirea barierei sunetului, când viteza aeronavei este comparată cu viteza sunetului. În acest moment, diferența de presiune peste laturi diferite frontul de undă se formează rapid, iar dacă momentul durează mai mult de o clipă, avionul se poate destrama mai rău decât dintr-un fluturat. Uneori, la spargerea barierei sunetului cu o accelerație insuficientă, unda de șoc creată de aeronavă chiar doboară ferestrele ferestrelor caselor aflate sub ea.

Raportul dintre viteza unei aeronave și viteza sunetului se numește numărul Mach (după faimosul mecanic și filozof german Ernst Mach). Când trece de bariera sunetului, pilotului i se pare că numărul M sare peste unul în salturi: Chuck Yeager a văzut acul turometrului sărind de la 0,98 la 1,02, după care a fost o liniște „divină” în carlingă - de fapt , aparent: doar un nivel de presiune sonoră în cockpit scade de mai multe ori. Acest moment de „curățare de sunet” este foarte insidios, a costat viața multor testeri. Dar pericolul de a se destrama pentru aeronava lui X-1 era mic.

X-1, fabricat de Bell Aircraft în ianuarie 1946, a fost un avion pur de cercetare conceput pentru a sparge bariera sunetului și nimic mai mult. În ciuda faptului că mașina a fost comandată de Ministerul Apărării, în loc de arme, a fost umplută cu echipamente științifice care monitorizează modurile de funcționare ale componentelor, instrumentelor și mecanismelor. X-1 era ca o rachetă de croazieră modernă. Avea un motor rachetă Reaction Motors cu o forță de 2722 kg. Greutatea maximă la decolare - 6078 kg. Lungime - 9,45 m, înălțime - 3,3 m, anvergura aripilor - 8,53 m. Viteza maximă - la o altitudine de 18290 m 2736 km / h. Mașina a fost lansată dintr-un bombardier strategic B-29 și a aterizat pe „schiuri” de oțel pe un lac sărat uscat.

Nu mai puțin impresionanți sunt „parametrii tactici și tehnici” ai pilotului său. Chuck Yeager s-a născut pe 13 februarie 1923. După școală, a mers la o școală de zbor, iar după absolvire a plecat să lupte în Europa. A doborât un Messerschmitt-109. El însuși a fost doborât pe cerul Franței, dar a fost salvat de partizani. De parcă nimic nu s-ar fi întâmplat, s-a întors la baza din Anglia. Cu toate acestea, serviciul de contrainformații vigilent, necrezând eliberarea miraculoasă din captivitate, l-a scos pe pilot din zbor și l-a trimis în spate. Ambițiosul Yeager a obținut o numire la comandantul șef al forțelor aliate din Europa, generalul Eisenhower, care l-a crezut pe Yeager. Și nu s-a înșelat - în cele șase luni rămase înainte de sfârșitul războiului, tânărul pilot a făcut 64 de ieșiri, a doborât 13 avioane inamice și 4 într-o singură luptă. Și s-a întors în patria sa cu gradul de căpitan cu un dosar excelent, care indica că avea o intuiție de zbor fenomenală, un calm incredibil și o rezistență uimitoare în orice situație critică. Datorită acestei caracteristici, a intrat în echipa de testeri supersonici, care au fost selectați și antrenați la fel de atent ca astronauții de mai târziu.

Redenumind X-1 „Glamorous Glennis” în onoarea soției sale, Yeager a stabilit recorduri cu acesta de mai multe ori. La sfârșitul lunii octombrie 1947, recordul de altitudine anterior a scăzut - 21.372 m. În plus, au existat teste ale unui număr de avioane de vânătoare lansate într-o serie și un rulaj al nostru MiG-15, capturat și transportat în America în timpul coreean. Război. Ulterior, Yeager a comandat diverse unități de testare a Forțelor Aeriene atât în ​​Statele Unite, cât și la baze americane din Europa și Asia, a participat la operațiuni de luptă în Vietnam și a antrenat piloți. S-a retras în februarie 1975 cu gradul de general de brigadă, după ce a zburat 10 mii de ore în timpul serviciului său curajos, rulând 180 de modele supersonice diferite și adunând o colecție unică de ordine și medalii. La mijlocul anilor '80, a fost realizat un film bazat pe biografia unui tip curajos care a fost primul din lume care a spart bariera sunetului, iar după aceea Chuck Yeager nu a devenit nici măcar un erou, ci o relicvă națională. Ultima dată a zburat cu un F-16 pe 14 octombrie 1997 și a spart bariera sunetului la cea de-a cincizecea aniversare a zborului său istoric. Yeager avea atunci 74 de ani. În general, după cum spunea poetul, unghiile ar trebui făcute din acești oameni.

Sunt mulți astfel de oameni de cealaltă parte a oceanului... Designerii sovietici au început să încerce să cucerească bariera sunetului în același timp cu cei americani. Dar pentru ei nu a fost un scop în sine, ci un act complet pragmatic. Dacă X-1 era o mașinărie pur de cercetare, atunci bariera noastră a sunetului a fost asaltată asupra prototipurilor de luptă, care trebuia să fie puse în serie pentru a echipa unitățile Forțelor Aeriene cu ele.

Competiția a inclus mai multe birouri de proiectare - Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau și Yakovlev Design Bureau - în care au fost dezvoltate în paralel avioane cu aripi înclinate, ceea ce era atunci o soluție de proiectare revoluționară. Au ajuns la finisajul supersonic în această ordine: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Totuși, acolo problema a fost rezolvată într-un context destul de complex: mașina militară trebuie să aibă nu numai viteza mare, dar și multe alte calități - manevrabilitate, supraviețuire, timp minim de pregătire înainte de zbor, arme puternice, o încărcătură impresionantă de muniție etc. etc. De remarcat, de asemenea, că în epoca sovietică, decizia comisiilor de acceptare a statului era adesea influențată nu doar de factori obiectivi, ci și de momente subiective asociate cu manevrele politice ale dezvoltatorilor. Toată această combinație de circumstanțe a dus la faptul că avionul de luptă MiG-15 a fost lansat în serie, care s-a arătat perfect în arenele locale ale operațiunilor militare din anii '50. A fost această mașină, capturată în Coreea, așa cum am menționat mai sus, pe care Chuck Yeager „conducea”.

În La-176, s-a aplicat o mișcare a aripii egală cu 45 de grade, un record pentru acele vremuri. Motorul turboreactor VK-1 a furnizat o tracțiune de 2700 kg. Lungime - 10,97 m, anvergura aripilor - 8,59 m, suprafata aripii 18,26 mp. Greutate la decolare - 4636 kg. Tavan - 15.000 m. Raza de zbor - 1.000 km. Armament - un tun de 37 mm și două de 23 mm. Mașina a fost gata în toamna anului 1948, în decembrie a început testele de zbor în Crimeea pe un aerodrom militar din apropierea orașului Saki. Printre cei care au condus testele s-a numărat viitorul academician Vladimir Vasilievici Struminski (1914-1998), piloții aeronavei experimentale au fost căpitanul Oleg Sokolovsky și colonelul Ivan Fedorov, care ulterior a primit titlul de Erou. Uniunea Sovietică. Sokolovsky, printr-un accident absurd, a murit în timpul celui de-al patrulea zbor, uitând să închidă copertina cabinei.

Colonelul Ivan Fedorov a spart bariera sunetului pe 26 decembrie 1948. După ce s-a ridicat la o înălțime de 10 mii de metri, a respins stick-ul de control departe de el și a început să accelereze într-o scufundare. „Îmi accelerez 176-a de la o înălțime mare”, și-a amintit pilotul. — Se aude un fluier încet obositor. Creșterea vitezei, avionul se repezi la sol. Pe scara machometrului, săgeata se schimbă de la numere de trei cifre la numere de patru cifre. Avionul tremură ca și cum ar fi febră. Și deodată - tăcere! A luat bariera sunetului. Interpretarea ulterioară a oscilogramelor a arătat că numărul M a depășit unu. S-a întâmplat la o altitudine de 7.000 de metri, unde s-a înregistrat o viteză de 1,02M.

În viitor, viteza aeronavelor cu pilot a continuat să crească constant datorită creșterii puterii motorului, utilizării de noi materiale și optimizării parametrilor aerodinamici. Cu toate acestea, acest proces nu este nelimitat. Pe de o parte, este îngreunată de considerente de raționalitate, atunci când sunt luate în considerare consumul de combustibil, costurile de dezvoltare, siguranța zborului și alte considerente care nu sunt inactiv. Și chiar și în aviația militară, unde banii și siguranța piloților nu sunt atât de semnificative, vitezele celor mai „agile” mașini sunt în intervalul de la 1,5M la 3M. Se pare că nu are nevoie de mai mult. (Recordul de viteză pentru vehiculele echipate cu motoare cu reacție aparține aeronavei americane de recunoaștere SR-71 și este Mach 3.2.)

Pe de altă parte, există o barieră termică de netrecut: la o anumită viteză, încălzirea corpului mașinii prin frecare cu aerul are loc atât de repede încât este imposibil să se elimine căldura de pe suprafața sa. Calculele arată că la presiune normală acest lucru ar trebui să se producă la o viteză de ordinul a 10M.

Cu toate acestea, limita de 10M a fost încă atinsă pe același teren de antrenament Edwards. S-a întâmplat în 2005. Deținătorul recordului a fost aeronava-rachetă fără pilot X-43A, fabricată ca parte a programului grandios Hiper-X, vechi de 7 ani, pentru a dezvolta noi tipuri de tehnologii menite să schimbe radical fața rachetelor și a tehnologiei spațiale a viitorului. Costul său este de 230 de milioane de dolari.Recordul a fost stabilit la o altitudine de 33.000 de metri. Folosit la drone sistem nou overclocking. În primul rând, este testată o rachetă tradițională cu propulsie solidă, cu ajutorul căreia Kh-43A atinge o viteză de 7M, apoi este pornit un nou tip de motor - un motor hipersonic ramjet (scramjet sau scrumjet), în care aerul atmosferic obișnuit este folosit ca oxidant, iar combustibilul gazos este hidrogenul (o schemă destul de clasică a unei explozii necontrolate).

În conformitate cu programul, au fost realizate trei modele fără pilot, care, după finalizarea sarcinii, au fost înecate în ocean. Următoarea etapă implică crearea de vehicule cu echipaj. După testarea acestora, rezultatele obținute vor fi luate în considerare la crearea unei game largi de dispozitive „utile”. Pe lângă avioanele pentru nevoile NASA, vor fi create vehicule militare hipersonice - bombardiere, avioane de recunoaștere și transportoare. Boeing, care participă la programul Hiper-X, intenționează să construiască un avion hipersonic de 250 de pasageri până în 2030-2040. Este destul de clar că nu vor exista ferestre care să spargă aerodinamica la astfel de viteze și să nu reziste la încălzirea termică. În loc de hublouri, se presupune că sunt ecrane cu o înregistrare video a norilor care trec.

Fără îndoială că acest tip de transport va fi la cerere, pentru că cu cât mai departe, cu atât timpul devine mai scump, găzduind tot mai multe emoții, dolari câștigați și alte componente ale vieții moderne pe unitatea de timp. În acest sens, nu există nicio îndoială că într-o zi oamenii se vor transforma în fluturi de o zi: o zi va fi saturată ca întreaga viață umană prezentă (mai degrabă, deja de ieri). Și se poate presupune că cineva sau ceva implementează programul Hiper-X în relație cu umanitatea.

La ce ne gândim când auzim expresia „barieră a sunetului”? O anumită limită și care poate afecta grav auzul și bunăstarea. De obicei bariera sonoră este corelată cu cucerirea spațiului aerian și

Depășirea acestei bariere poate provoca dezvoltarea unor boli cronice, sindroame dureroase și reacții alergice. Sunt aceste percepții corecte sau sunt stereotipuri? Au ele o bază faptică? Ce este o barieră de sunet? Cum și de ce apare? Toate acestea și câteva nuanțe suplimentare, precum și fapte istorice legate de acest concept, vom încerca să le aflăm în acest articol.

Această știință misterioasă este aerodinamica

În știința aerodinamicii, conceput pentru a explica fenomenele care însoțesc mișcarea
aeronave, există conceptul de „barieră a sunetului”. Aceasta este o serie de fenomene care apar în timpul mișcării aeronavelor supersonice sau a rachetelor care se deplasează la viteze apropiate de viteza sunetului sau mai mare.

Ce este o undă de șoc?

În procesul de curgere supersonică în jurul aparatului, o undă de șoc apare în tunelul de vânt. Urmele sale pot fi văzute chiar și cu ochiul liber. Pe sol sunt marcate cu o linie galbenă. În afara conului undei de șoc, în fața liniei galbene, la sol, avionul nici măcar nu se aude. La o viteză ce depășește sunetul, corpurile sunt supuse unui flux în jurul fluxului de sunet, care atrage după sine o undă de șoc. Poate să nu fie singur, în funcție de forma corpului.

Transformarea undelor de șoc

Frontul undei de șoc, care este uneori numit undă de șoc, are o grosime destul de mică, ceea ce, totuși, face posibilă urmărirea modificărilor bruște ale proprietăților curgerii, o scădere a vitezei sale în raport cu corp și o creștere corespunzătoare a presiunea și temperatura gazului din flux. În acest caz, energia cinetică este parțial convertită în energia internă a gazului. Numărul acestor modificări depinde direct de viteza fluxului supersonic. Pe măsură ce unda de șoc se îndepărtează de aparat, scăderea presiunii scade și unda de șoc este transformată în sunet. Ea poate ajunge la un observator din exterior care va auzi un sunet caracteristic asemănător unei explozii. Există o părere că acest lucru indică faptul că dispozitivul a atins viteza sunetului, atunci când bariera sonoră este lăsată în urmă de avion.

Ce se întâmplă cu adevărat?

Așa-numitul moment al depășirii barierei sunetului în practică este trecerea unei unde de șoc cu un zgomot tot mai mare de motoare de aeronave. Acum unitatea este înaintea sunetului care îl însoțește, așa că zgomotul motorului se va auzi după el. Apropierea vitezei de viteza sunetului a devenit posibilă în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, dar, în același timp, piloții au observat semnale de alarmă în operarea aeronavelor.

După sfârșitul războiului, mulți designeri și piloți de aeronave au căutat să atingă viteza sunetului și să spargă bariera sunetului, dar multe dintre aceste încercări s-au încheiat tragic. Oamenii de știință pesimiști au susținut că această limită nu poate fi depășită. În nici un caz experimental, ci științific, a fost posibil să explicăm natura conceptului de „barieră a sunetului” și să găsim modalități de a o depăși.

Zborurile sigure la viteze transonice și supersonice sunt posibile dacă se evită o criză a valurilor, a cărei apariție depinde de parametrii aerodinamici ai aeronavei și de altitudinea zborului. Tranzițiile de la un nivel de viteză la altul ar trebui să fie efectuate cât mai repede posibil folosind post-ardere, ceea ce va ajuta la evitarea unui zbor lung în zona de criză a valurilor. Criza valurilor ca concept a venit din transportul pe apă. A apărut în momentul deplasării navelor cu o viteză apropiată de viteza valurilor de la suprafața apei. Intrarea într-o criză a valurilor presupune dificultatea creșterii vitezei, iar dacă este cât se poate de simplu să depășești criza valurilor, atunci poți intra în modul de alunecare sau alunecare pe suprafața apei.

Istorie în managementul aeronavelor

Prima persoană care a atins viteza de zbor supersonică într-un avion experimental este pilotul american Chuck Yeager. Realizarea sa este remarcată în istorie pe 14 octombrie 1947. Pe teritoriul URSS, bariera sunetului a fost depășită la 26 decembrie 1948 de Sokolovsky și Fedorov, care au zburat cu un luptător experimentat.

Dintre civili, linia de pasageri Douglas DC-8 a spart bariera sunetului, care la 21 august 1961 a atins o viteză de 1.012 Mach, sau 1262 km/h. Misiunea a fost de a colecta date pentru proiectarea aripilor. În rândul aeronavelor, recordul mondial a fost stabilit de o rachetă aerobalistică aer-sol hipersonică, care este în serviciu cu armata rusă. La o altitudine de 31,2 kilometri, racheta a atins o viteză de 6389 km/h.

La 50 de ani după ce a spart bariera sunetului din aer, englezul Andy Green a realizat o realizare similară într-o mașină. În cădere liberă, americanul Joe Kittinger a încercat să doboare recordul, care a cucerit o înălțime de 31,5 kilometri. Astăzi, pe 14 octombrie 2012, Felix Baumgartner a stabilit un record mondial, fără ajutorul unui vehicul, într-o cădere liberă de la o înălțime de 39 de kilometri, spargând bariera sunetului. În același timp, viteza sa a atins 1342,8 kilometri pe oră.

Cea mai neobișnuită spargere a barierei sunetului

Este ciudat de gândit, dar prima invenție din lume care a depășit această limită a fost biciul obișnuit, care a fost inventat de vechii chinezi în urmă cu aproape 7 mii de ani. Aproape până la inventarea fotografiei instant în 1927, nimeni nu bănuia că pocnitul unui bici era un boom sonic în miniatură. Un leagăn ascuțit formează o buclă, iar viteza crește brusc, ceea ce confirmă clicul. Bariera sonoră este depășită la o viteză de aproximativ 1200 km/h.

Misterul celui mai zgomotos oraș

Nu e de mirare că locuitorii orașelor mici sunt șocați când văd capitala pentru prima dată. Abundență de transport, sute de restaurante și centre de divertismentîncurcă și scoate din rutina obișnuită. Începutul primăverii în capitală este de obicei datat aprilie, nu viscolul rebel martie. În aprilie, cerul este senin, pâraiele curg și mugurii se deschid. Oamenii, obosiți de iarna lungă, deschid larg ferestrele spre soare, iar zgomotul străzii izbucnește în case. Păsările ciripesc asurzitor pe stradă, artiștii cântă, studenții veseli recită poezii, ca să nu mai vorbim de zgomotul din ambuteiajele și din metrou. Angajații departamentelor de igienă notează că a fi într-un oraș zgomotos pentru o perioadă lungă de timp este nesănătos. Fundalul sonor al capitalei este format din transport,
zgomot din aviație, industrial și casnic. Cel mai dăunător este doar zgomotul mașinii, deoarece avioanele zboară suficient de sus, iar zgomotul de la întreprinderi este dizolvat în clădirile lor. Zumzetul constant al mașinilor pe autostrăzile deosebit de aglomerate le depășește pe toate norme admisibile de două ori. Cum se depășește bariera sunetului în capitală? Moscova este periculoasă din cauza abundenței de sunete, așa că locuitorii capitalei instalează geamuri termopan pentru a înăbuși zgomotul.

Cum se depășește bariera sunetului?

Până în 1947, nu existau date reale despre bunăstarea unei persoane în cabina de pilotaj a unei aeronave care zboară mai repede decât sunetul. După cum sa dovedit, spargerea barierei sunetului necesită o anumită putere și curaj. În timpul zborului devine clar că nu există garanții de supraviețuire. Nici măcar un pilot profesionist nu poate spune cu siguranță dacă designul aeronavei va rezista la atacul elementelor. În câteva minute, avionul se poate prăbuși pur și simplu. Ce explică asta? Trebuie remarcat faptul că mișcarea la viteză subsonică creează unde acustice care se împrăștie ca niște cercuri dintr-o piatră căzută. Viteza supersonică excită unde de șoc, iar o persoană care stă pe pământ aude un sunet similar cu o explozie. Fără computere puternice, era dificil să rezolvi probleme complexe și trebuia să se bazeze pe modele de suflare în tunelurile de vânt. Uneori, cu o accelerație insuficientă a aeronavei, unda de șoc atinge o asemenea putere încât ferestrele zboară din casele peste care zboară aeronava. Nu toată lumea va putea depăși bariera de sunet, deoarece în acest moment întreaga structură tremură, iar fixarea aparatului poate suferi daune semnificative. Prin urmare, sănătatea bună și stabilitatea emoțională sunt atât de importante pentru piloți. Dacă zborul este lin și bariera sonoră este depășită cât mai repede posibil, atunci nici pilotul, nici posibilii pasageri nu se vor simți prea mult disconfort. În special pentru cucerirea barierei sunetului, în ianuarie 1946 a fost construită o aeronavă de cercetare. Crearea mașinii a fost inițiată printr-un ordin al Ministerului Apărării, dar în loc de arme, aceasta a fost umplută cu echipamente științifice care monitorizează funcționarea mecanismelor și instrumentelor. Această aeronavă era ca o rachetă de croazieră modernă cu un motor de rachetă încorporat. Depășirea barierei sunetului de către o aeronavă s-a produs când viteza maxima 2736 km/h.

Monumente verbale și materiale ale cuceririi vitezei sunetului

Realizările în depășirea barierei sunetului sunt foarte apreciate astăzi. Așadar, avionul cu care Chuck Yeager l-a depășit pentru prima dată este acum expus la Muzeul Național al Aerului și Spațiului, care se află în Washington. Dar parametrii tehnici ai acestei invenții umane ar valora puțin fără meritele pilotului însuși. Chuck Yeager a urmat școala de zbor și a luptat în Europa, după care s-a întors în Anglia. Suspendarea nedreaptă de la zbor nu a rupt spiritul lui Yeager și a obținut o numire la comandantul șef al trupelor Europei. În anii care au mai rămas înainte de sfârșitul războiului, Yeager a participat la 64 de ieșiri, în timpul cărora a doborât 13 avioane. Chuck Yeager s-a întors în patria sa cu gradul de căpitan. Caracteristicile sale indică o intuiție fenomenală, un calm incredibil și rezistență în situații critice. De mai multe ori, Yeager a stabilit recorduri în avionul său. Cariera sa ulterioară a fost în Forțele Aeriene, unde a pregătit piloți. Ultima dată când Chuck Yeager a spart bariera sunetului a fost la 74 de ani, la cea de-a cincizecea aniversare a istoriei zborului său și în 1997.

Sarcini complexe ale creatorilor de aeronave

Renumitul avion MiG-15 a început să fie creat într-un moment în care dezvoltatorii și-au dat seama că era imposibil să se bazeze doar pe spargerea barierei sunetului, dar complex sarcini tehnice. Drept urmare, o mașină a fost creată cu atâta succes încât modificările sale au fost puse în funcțiune. tari diferite. Mai multe birouri de proiectare diferite s-au alăturat într-un fel de concurență, în care premiul a fost un brevet pentru cea mai de succes și funcțională aeronavă. Avioane dezvoltate cu aripi înclinate, ceea ce a reprezentat o revoluție în designul lor. Aparatul ideal ar trebui să fie puternic, rapid și incredibil de rezistent la orice daune externe. Aripile înclinate ale aeronavei au devenit un element care le-a ajutat să tripleze viteza sunetului. Mai departe, a continuat să crească, ceea ce s-a explicat prin creșterea puterii motorului, utilizarea de materiale inovatoare și optimizarea parametrilor aerodinamici. Depășirea barierei sunetului a devenit posibilă și reală chiar și pentru un neprofesionist, dar nu devine mai puțin periculoasă din această cauză, așa că orice căutător extrem ar trebui să-și evalueze în mod rațional punctele forte înainte de a se decide asupra unui astfel de experiment.

Uneori, când un avion cu reacție zboară pe cer, poți auzi o bubuitură puternică care sună ca o explozie. Această „explozie” este rezultatul spargerii de către aeronava a barierei sunetului.

Ce este o barieră acustică și de ce auzim o explozie? Și care a spart primul bariera sunetului ? Vom lua în considerare aceste întrebări mai jos.

Ce este o barieră acustică și cum se formează?

Barieră aerodinamică a sunetului - o serie de fenomene care însoțesc mișcarea oricărei aeronave (aeronave, rachete etc.), a căror viteză este egală sau depășește viteza sunetului. Cu alte cuvinte, „bariera de sunet” aerodinamică este saltul brusc al rezistenței aerului care are loc atunci când o aeronavă atinge viteza sunetului.

Undele sonore se deplasează prin spațiu cu o anumită viteză, care variază în funcție de altitudine, temperatură și presiune. De exemplu, la nivelul mării, viteza sunetului este de aproximativ 1220 km/h, la o altitudine de 15 mii de metri - până la 1000 km/h etc. Când viteza unei aeronave se apropie de viteza sunetului, asupra ei acţionează anumite sarcini. La viteze normale (subsonice), nasul aeronavei „conduce” un val de aer comprimat în fața sa, a cărui viteză corespunde vitezei sunetului. Viteza undei este mai mare decât viteza normală a aeronavei. Ca urmare, aerul curge liber pe întreaga suprafață a aeronavei.

Dar, dacă viteza aeronavei corespunde vitezei sunetului, unda de compresie nu se formează pe nas, ci în fața aripii. Ca urmare, se formează o undă de șoc, care crește sarcina pe aripi.

Pentru ca o aeronavă să depășească bariera sunetului, pe lângă o anumită viteză, trebuie să aibă un design special. De aceea, designerii de aeronave au dezvoltat și aplicat în construcția de aeronave un profil aerodinamic special de aripă și alte trucuri. În momentul spargerii barierei sunetului, pilotul unei aeronave supersonice moderne simte vibrații, „sărituri” și „impact aerodinamic”, pe care le percepem la sol ca o bubuitură sau o explozie.

Cine a fost primul care a spart bariera sunetului?

Întrebarea „pionierii” barierei sunetului este aceeași cu întrebarea primilor cuceritori ai spațiului. La intrebarea " Cine a fost primul care a spart bariera supersonică ? pot fi date diferite răspunsuri. Aceasta este prima persoană care sparge bariera sunetului și prima femeie și, în mod ciudat, primul dispozitiv...

Primul care a spart bariera sunetului a fost pilotul de testare Charles Edwood Yeager (Chuck Yeager). Pe 14 octombrie 1947, aeronava sa experimentală cu rachetă Bell X-1 a atins viteza sunetului într-o scufundare blândă de la o înălțime de 21379 m deasupra Victorville (California, SUA). Viteza aeronavei în acel moment era de 1207 km/h.

De-a lungul carierei sale, pilotul militar a avut o mare contribuție la dezvoltarea nu numai a aviației militare americane, ci și a astronauticii. Charles Elwood Yeager și-a încheiat cariera de general în Forțele Aeriene ale SUA, după ce a călătorit în multe părți ale lumii. Experiența unui pilot militar a fost utilă chiar și la Hollywood atunci când a pus în scenă cascadorii aeriene spectaculoase în lungmetrajul Pilot.

Povestea lui Chuck Yeager despre spargerea barierei sunetului este spusă de filmul The Right Guys, care a câștigat patru premii Oscar în 1984.

Alți „cuceritori” ai barierei sunetului

Pe lângă Charles Yeager, care a spart primul bariera sunetului, au mai existat și alți deținători de recorduri.

1. Primul pilot de testare sovietic - Sokolovsky (26 decembrie 1948).
2. Prima femeie a fost americanca Jacqueline Cochran (18 mai 1953). Zburând peste baza Edwards Air Force (California, SUA), aeronava ei F-86 a spart bariera sunetului cu o viteză de 1223 km/h.
3. Prima aeronavă civilă a fost avionul american de pasageri Douglas DC-8 (21 august 1961). Zborul său, care a avut loc la o altitudine de aproximativ 12,5 mii de metri, a fost experimental și organizat cu scopul de a colecta date necesare pentru proiectarea viitoare a marginilor anterioare ale aripilor.
4. Prima mașină care a spart bariera sunetului - Thrust SSC (15 octombrie 1997).
5. Prima persoană care a spart bariera sunetului în cădere liberă a fost americanul Joe Kittinger (1960), care a sărit cu o parașută de la o înălțime de 31,5 km. Totuși, după aceasta, zburând pe 14 octombrie 2012 deasupra orașului american Roswell (New Mexico, SUA), austriacul Felix Baumgartner a stabilit un record mondial plecând balon cu parașuta la o altitudine de 39 km. În același timp, viteza sa a fost de aproximativ 1342,8 km/h, iar coborârea la sol, cea mai mare parte în cădere liberă, a durat doar 10 minute.
6. Recordul mondial pentru spargerea barierei sunetului cu o aeronavă aparține rachetei aerobalistice hipersonice aer-sol X-15 (1967), care este acum în serviciu cu armata rusă. Viteza rachetei la o altitudine de 31,2 km a fost de 6389 km/h. Aș dori să remarc faptul că viteza maximă posibilă a mișcării umane în istoria aeronavelor cu pilot este de 39897 km/h, care a fost atinsă în 1969 de către americanul. nava spatiala„Apollo 10”.

Prima invenție pentru a sparge bariera sunetului

Destul de ciudat, dar prima invenție care a spart bariera sunetului a fost... un simplu bici, inventat de vechii chinezi acum 7 mii de ani.

Până la invenția fotografiei instantanee în 1927, nimeni nu și-ar fi putut imagina că pocnitul unui bici nu era doar o curea care lovea un mâner, ci o pocnitură supersonică în miniatură. În timpul unei balansări ascuțite, se formează o buclă, a cărei viteză crește de câteva zeci de ori și este însoțită de un clic. Bucla sparge bariera sonoră la o viteză de aproximativ 1200 km/h.

Drepturi de autor pentru imagine SPL

Despre fotografii impresionante avioane de luptă cu reacțieîntr-un con dens de vapori de apă, se spune adesea că acesta este, spun ei, un avion care sparge bariera sunetului. Dar aceasta este o greșeală. Browserul vorbește despre adevărata cauză a fenomenului.

Acest fenomen spectaculos a fost surprins în mod repetat de fotografi și videografi. Un avion militar cu reacție trece peste pământ cu viteză mare, câteva sute de kilometri pe oră.

Pe măsură ce luptătorul accelerează, în jurul lui începe să se formeze un con dens de condensare; se pare că avionul se află în interiorul unui nor compact.

Legendele fantastice captivante sub astfel de fotografii susțin adesea că avem în fața noastră - dovezi vizuale ale unui boom sonic atunci când aeronava atinge viteza supersonică.

De fapt, acest lucru nu este adevărat. Observăm așa-numitul efect Prandtl-Gloert - un fenomen fizic care apare atunci când o aeronavă se apropie de viteza sunetului. Nu are nimic de-a face cu spargerea barierei sunetului.

• Alte articole BBC Future în rusă

Pe măsură ce industria aeronautică s-a dezvoltat, formele aerodinamice au devenit din ce în ce mai raționalizate, iar viteza aeronavelor a crescut constant - aeronavele au început să facă lucruri cu aerul din jurul lor pe care predecesorii lor mai lenți și mai voluminosi nu le-au putut face.

Undele de șoc misterioase care se formează în jurul aeronavelor care zboară joase pe măsură ce se apropie de viteza sunetului și apoi sparg bariera sonoră, indică faptul că aerul la astfel de viteze se comportă într-un mod foarte ciudat.

Deci, ce sunt acești nori misterioși de condens?

Drepturi de autor pentru imagine getty Legendă imagine Efectul Prandtl-Gloert este cel mai pronunțat atunci când zbori într-o atmosferă caldă și umedă.

Potrivit lui Rod Irwin, președintele grupului de aerodinamică la Royal Aeronautics Society, condițiile în care apare conul de vapori preced imediat o aeronavă care sparge bariera sunetului. Cu toate acestea, acest fenomen este de obicei fotografiat la viteze ceva mai mici decât viteza sunetului.

Straturile de aer de suprafață sunt mai dense decât atmosfera altitudini mari. Când zboară la altitudini joase, există frecare și rezistență crescută.

Apropo, piloților le este interzis să spargă bariera sunetului de pe uscat. „Puteți trece supersonic peste ocean, dar nu pe o suprafață solidă”, explică Irwin. „Apropo, această circumstanță a fost o problemă pentru linia supersonică de pasageri Concorde - interdicția a fost introdusă după ce a fost pusă în funcțiune și echipajului i s-a permis să dezvolte viteză supersonică numai pe suprafața apei”.

Mai mult, este extrem de dificil să înregistrezi vizual un boom sonic atunci când o aeronavă atinge viteza supersonică. Nu se vede cu ochiul liber - doar cu ajutorul unor echipamente speciale.

Pentru fotografiarea modelelor suflate cu viteze supersonice în tunelurile de vânt, oglinzile speciale sunt de obicei folosite pentru a detecta diferența de reflexie a luminii cauzată de formarea unei unde de șoc.

Drepturi de autor pentru imagine getty Legendă imagine Când presiunea aerului scade, temperatura aerului scade, iar umiditatea conținută în acesta se transformă în condens.

Fotografiile obținute prin așa-numita metodă schlieren (sau metoda Toepler) sunt folosite pentru a vizualiza undele de șoc (sau, așa cum sunt numite și undele de șoc) care se formează în jurul modelului.

În timpul purificării, în jurul modelelor nu se creează conuri de condens, deoarece aerul folosit în tunelurile de vânt este uscat în prealabil.

Conurile de vapori de apă sunt asociate cu unde de șoc (și există mai multe dintre ele) care se formează în jurul aeronavei pe măsură ce acesta crește viteză.

Când viteza unei aeronave se apropie de viteza sunetului (aproximativ 1234 km/h la nivelul mării), în aerul care curge în jurul ei apare o diferență locală de presiune și temperatură.

Ca urmare, aerul își pierde capacitatea de a reține umiditatea și se formează condens sub formă de con, ca pe acest videoclip.

„Conul vizibil de abur este cauzat de o undă de șoc, care creează o diferență de presiune și temperatură în jurul aeronavei”, spune Irwin.

Multe dintre cele mai bune fotografii ale fenomenului arată avioane ale Marinei SUA - și acest lucru nu este surprinzător, având în vedere că căldura, aer umed lângă suprafața mării, de regulă, contribuie la o manifestare mai pronunțată a efectului Prandtl-Gloert.

Astfel de cascadorii sunt adesea efectuate de vânătoare-bombardiere F/A-18 Hornet, principala aeronavă a americanului. aviaţia navală.

Drepturi de autor pentru imagine SPL Legendă imagine Unda de șoc la ieșirea aeronavei către supersonic este greu de detectat cu ochiul liber

Membrii echipei de acrobații acrobaticii US Navy Blue Angels zboară în aceleași vehicule de luptă, executând cu măiestrie manevre în care se formează un nor de condens în jurul aeronavei.

Datorită naturii spectaculoase a fenomenului, este adesea folosit pentru popularizarea aviației navale. Piloții manevrează în mod deliberat peste mare, unde condițiile pentru apariția efectului Prandtl-Gloert sunt cele mai optime, iar fotografi navali profesioniști sunt de serviciu în apropiere - la urma urmei, este imposibil să faci o fotografie clară a unui avion cu reacție care zboară cu o viteză de 960 km/h pe un smartphone obișnuit.

Norii de condensare arată cel mai impresionant în așa-numitul mod de zbor transonic, când aerul curge parțial în jurul aeronavei la viteză supersonică și parțial la subsonic.

„Aeronava nu zboară neapărat la viteze supersonice, dar aerul curge în jurul suprafeței superioare a aripii sale cu o viteză mai mare decât cea inferioară, ceea ce duce la o undă de șoc locală”, spune Irwin.

Potrivit acestuia, pentru ca efectul Prandtl-Gloert să se producă, sunt necesare anumite condiții climatice (și anume, aer cald și umed), pe care luptătorii care se bazează pe portavion le întâlnesc mai des decât alte avioane.

Tot ce trebuie să faci este să ceri o favoare fotograf profesionist, și - voila! - aeronava ta a fost surprinsă înconjurată de un nor spectaculos de vapori de apă, pe care mulți dintre noi îl considerăm din greșeală un semn că ajungem la supersonic.

• Îl puteți citi pe site

În prezent, problema „ruperii barierei sunetului” pare să fie în esență sarcina motoarelor puternice. Dacă există suficientă forță pentru a depăși creșterea rezistenței întâmpinate până la și direct peste bariera de sunet, astfel încât aeronava să poată trece rapid prin intervalul critic de viteză, atunci nu ar trebui să fie de așteptat o mare dificultate. Poate că ar fi mai ușor pentru o aeronavă să zboare în intervalul de viteză supersonică decât în ​​intervalul de tranziție între viteze subsonice și supersonice.

Astfel, situația este oarecum asemănătoare cu cea care predomina la începutul acestui secol, când frații Wright au putut dovedi posibilitatea zborului activ, deoarece aveau un motor ușor cu suficientă tracțiune. Dacă am avea motoarele potrivite, atunci zborul supersonic ar deveni destul de obișnuit. Până de curând, spargerea barierei sunetului în zborul la nivel a fost realizată doar folosind sisteme de propulsie destul de neeconomice, cum ar fi motoarele de rachetă și ramjet cu un consum foarte mare de combustibil. Avioanele experimentale precum X-1 și Sky-rocket sunt echipate cu motoare de rachetă care sunt fiabile doar pentru câteva minute de zbor, sau motoare cu turboreacție cu postcombustie, dar la momentul scrierii acestui articol există puține aeronave care pot zbura din viteza supersonică timp de o jumătate de oră. Dacă ai citit în ziar că o aeronavă „a trecut prin bariera sonoră” înseamnă adesea că a făcut-o prin scufundări. În acest caz, gravitația a completat forța de tracțiune insuficientă.

Există un fenomen ciudat asociat cu aceste acrobații pe care aș dori să-l subliniez. Să presupunem că avionul

se apropie de observator cu viteza subsonică, se scufundă, atingând viteza supersonică, apoi iese din scufundare și din nou continuă să zboare cu viteza subsonică. În acest caz, observatorul de la sol aude adesea două sunete puternice de bubuituri, urmându-se destul de repede: „Bum, bum!” Unii savanți au propus explicații pentru originea dublului zgomot. Akeret din Zurich și Maurice Roy din Paris au sugerat ambii că zumzetul se datorează acumulării de impulsuri sonore, cum ar fi zgomotul motorului, emise în timp ce aeronava trecea prin viteza sonică. Dacă aeronava se deplasează spre observator, atunci zgomotul emis de aeronava va ajunge la observator într-un interval de timp mai scurt comparativ cu intervalul în care a fost emis. Astfel, există întotdeauna o anumită acumulare de impulsuri sonore, cu condiția ca sursa sonoră să se deplaseze către observator. Totuși, dacă sursa de sunet se mișcă cu o viteză apropiată de viteza sunetului, atunci acumularea crește infinit. Acest lucru devine evident dacă presupunem că tot sunetul emis de o sursă care se deplasează exact cu viteza sunetului direct către observator va ajunge la acesta din urmă într-un moment scurt în timp, și anume, atunci când sursa sonoră s-a apropiat de locația observatorului. Motivul este că sunetul și sursa sonoră vor călători cu aceeași viteză. Dacă sunetul s-ar deplasa în această perioadă de timp cu viteză supersonică, atunci succesiunea impulsurilor sonore percepute și emise ar fi inversată; observatorul va distinge semnalele emise mai târziu înainte de a percepe semnalele emise mai devreme.

Procesul dublu zumzet, în conformitate cu această teorie, poate fi ilustrat prin diagrama din Fig. 58. Să presupunem că aeronava se deplasează drept către observator, dar cu o viteză variabilă. Curba AB arată mișcarea aeronavei în funcție de timp. Panta tangentei la curbă indică viteza instantanee a aeronavei. Liniile paralele prezentate în diagramă indică propagarea sunetului; unghiul de înclinare în aceste linii drepte corespunde vitezei sunetului. În primul rând, în secțiune, viteza aeronavei este subsonică, apoi în secțiune - supersonică și, în sfârșit, în secțiune - din nou subsonică. Dacă observatorul se află la distanța inițială D, atunci punctele afișate pe linia orizontală corespund secvenței percepute de el.

Orez. 58. Diagrama distanță-timp a unei aeronave care zboară cu viteză variabilă. Liniile paralele cu un unghi de înclinare în arată propagarea sunetului.

impulsuri sonore. Observăm că sunetul emis de aeronavă în timpul celei de-a doua treceri a barierei de sunet (punctul ) ajunge la observator mai devreme decât sunetul emis în timpul primei treceri (punctul ). În aceste două momente, observatorul percepe, după un interval infinitezimal de timp, impulsuri emise într-o perioadă limitată de timp. Prin urmare, el aude un zumzet asemănător unei explozii. Între două sunete de zumzet, el percepe simultan trei impulsuri emise în momente diferite de către aeronavă.

Pe fig. 59 arată schematic intensitatea zgomotului la care se poate aștepta în acest caz simplificat. Trebuie remarcat faptul că acumularea de impulsuri sonore în cazul unei surse de sunet care se apropie este același proces care este cunoscut sub numele de efect Doppler; cu toate acestea, caracterizarea acestui din urmă efect este de obicei limitată de modificarea înălțimii asociată cu procesul de acumulare. Intensitatea zgomotului perceput este greu de calculat deoarece depinde de mecanismul de producere a sunetului, care nu este bine cunoscut. În plus, procesul este complicat de forma traiectoriei, posibilele ecouri, precum și undele de șoc care sunt observate în diferite părți ale aeronavei în timpul zborului și a căror energie este transformată în unde sonore după ce aeronava reduce viteza. În unele

Orez. 59. Reprezentarea schematică a intensității zgomotului perceput de observator.

Lucrări recente pe această temă au atribuit acestor unde de șoc fenomenul de zumzet dublu, uneori triplu, observat în scufundări de mare viteză.

Problema „ruperea barierei sunetului” sau „zidul sunetului” pare să excite imaginația publicului (un film englezesc numit Breaking the Sound Barrier oferă o idee despre provocările pe care le implică zborul printr-un singur Mach); piloții și inginerii discută problema atât în ​​serios, cât și în glumă. Următorul „raport științific” al zborului transonic demonstrează o combinație minunată de cunoștințe tehnice și libertăți poetice:

Am alunecat lin prin aer cu 540 de mile pe oră. Mi-a plăcut întotdeauna micul XP-AZ5601-NG pentru comenzile sale simple și pentru faptul că indicatorul Prandtl-Reynolds este ascuns în colțul din dreapta sus al panoului. Am verificat instrumentele. Apă, combustibil, RPM, eficiență Carnot, viteză la sol, entalpie. Toate ok. Îndreptare 270°. Completitudinea arderii este normală - 23 la sută. Vechiul turboreactor toarcă la fel de calm ca întotdeauna, iar dinții lui Tony abia clănțăneau de la cele 17 uși aruncate peste Schenectady. Din motor s-a scurs doar un firicel subțire de ulei. Asta e viaţa!

Știam că un motor de avion este bun pentru viteze peste orice am încercat vreodată să dezvoltăm. Vremea era atât de senină, cerul atât de albastru, aerul atât de calm încât nu am putut rezista și am adăugat viteză. Am mișcat încet pârghia înainte cu o poziție. Regulatorul s-a clătinat doar puțin și, după aproximativ cinci minute, totul a fost liniștit. 590 mph. Am apăsat din nou maneta. Doar două duze sunt înfundate. Am apăsat dispozitivul de curățare a găurilor înguste. Deschide din nou. 640 mph. Liniște. Țeava de eșapament era aproape complet îndoită, câțiva centimetri pătrați pe o parte încă deschisă. Mâinile m-au mâncărit pe pârghie și am apăsat-o din nou. Avionul a accelerat la 690 de mile pe oră, trecând printr-o secțiune critică fără a sparge niciun geam. Cabina se încălzește, așa că am mai pus puțin aer în răcitorul cu hidromasaj. Max 0,9! Nu am zburat niciodată mai repede. Am văzut puțin tremurând în afara ferestrei hubloului, așa că am ajustat forma aripii și a dispărut.

Tony moțea acum, iar eu am suflat fum din pipa lui. Nu am putut rezista și am adăugat viteză încă un nivel. Exact în zece minute am ajuns din urmă cu Mach 0,95. Înapoi în camerele de ardere, presiunea totală a scăzut diabolic. Asta era viata! Indicatorul lui Karman era roșu, dar nu mi-a păsat. Lumânarea lui Tony încă ardea. Știam că gamma era la zero, dar nu-mi păsa.

Eram amețit de emoție. Mai mult! Mi-am pus mâna pe pârghie, dar tocmai în acel moment Tony și-a întins mâna și genunchiul lui s-a lovit de mâna mea. Pârghia a sărit până la zece niveluri! La dracu '! Avionul s-a cutremurat pe toată lungimea sa, iar o pierdere colosală de viteză ne-a aruncat pe Tony și pe mine în panou. Parcă ne-am lovit de un zid de cărămidă solidă! Am putut vedea că botul avionului era mototolit. M-am uitat la machometru și am înghețat! 1.00! Doamne, într-o clipă m-am gândit, suntem la maxim! Dacă nu îl fac să încetinească înainte să alunece, vom fi în scădere a rezistenței! Prea tarziu! Mach 1.01! 1.02! 1.03! 1.04! 1.06! 1.09! 1.13! 1.18! Eram disperată, dar Tony știa ce să facă. Cât ai clipi, a dat înapoi

mișcare! Aerul cald a intrat în țeava de evacuare, a fost comprimat în turbină, a intrat din nou în camere, a extins compresorul. Combustibilul a început să curgă în rezervoare. Contorul de entropie a oscilat spre zero complet. Mach 1.20! 1.19! 1.18! 1.17! Suntem mântuiți. A alunecat înapoi, s-a mutat înapoi în timp ce Tony și cu mine ne-am rugat ca separatorul de flux să nu se blocheze. 1.10! 1.08! 1.05!

La dracu '! Ne-am lovit de cealaltă parte a zidului! Suntem prinși în capcană! Nu este suficientă forță negativă pentru a reveni!

În timp ce ne ghemuiam de frica de perete, coada avionului s-a prăbușit și Tony a strigat: „Trage cu rachetele de amplificare!” Dar au întors drumul greșit!

Tony întinse mâna și îi împinse înainte, liniile Mach curgând din degetele lui. Le-am dat foc! Lovitura a fost uluitoare. Ne-am pierdut cunoștința.

Când mi-am revenit în fire, micul nostru avion, tot stricat, tocmai trecea prin Mach zero! L-am scos pe Tony afară și am căzut greu la pământ. Avionul a încetinit în est. După câteva secunde, am auzit un bubuit, de parcă s-ar fi lovit de un alt perete.

Nu a fost găsit niciun șurub. Tony s-a apucat de țesut plasă, iar eu am plecat la MIT.