Подолання звукового бар'єру над червоною площею. Звуковий бар'єр. Перетворення ударної хвилі

14 жовтня 1947 року людство подолало черговий рубіж. Рубіж цілком об'єктивний, виражається у конкретній фізичної величині — швидкості звуку повітря, що у умовах земної атмосфери залежить від її температури та тиску не більше 1100–1200 км/ч. Надзвукова швидкість підкорилася американському пілоту Чаку Йегеру (Charles Elwood "Chuck" Yeager) - молодому ветерану Другої світової, що мав неабияку відвагу і відмінну фотогенічність, завдяки чому він негайно став популярний у себе на батьківщині так само, як через 14 років.

А відвага для переходу через звуковий бар'єр справді була потрібна. Радянський пілот Іван Федоров, який повторив досягнення Єгера через рік, в 1948 році, згадував тодішні свої відчуття: «Перед польотом на подолання звукового бар'єру стало очевидним, що гарантії вижити після нього немає ніякої. Ніхто не знав практично, що це таке і чи конструкція літака витримає натиск стихії. Але про це намагалися не думати.

Дійсно, повної ясності щодо того, як поведеться машина на надзвуковій швидкості, не було. У авіаконструкторів були ще свіжі в пам'яті спогади про раптову напасть 30-х років, коли зі зростанням швидкостей літаків довелося терміново вирішувати проблему флаттера - автоколивань, що виникають як у жорстких конструкціях літака, так і в його обшивці, за лічені хвилини розривають літак на частини. Процес розвивався лавиноподібно, швидко, пілоти не встигали змінити режим польоту, і машини розсипалися в повітрі на частини. Досить довго математики та конструктори у різних країнах билися над вирішенням цієї проблеми. Зрештою, теорію явища створив тоді ще молодий російський математик Мстислав Всеволодович Келдиш (1911–1978), згодом президент АН СРСР. З допомогою цієї теорії вдалося знайти спосіб назавжди позбавитися неприємного явища.

Цілком зрозуміло, що таких же неприємних сюрпризів очікували і від звукового бар'єру. Чисельне вирішення складних диференціальних рівнянь аеродинаміки без потужних обчислювальних машин було неможливо, і доводилося покладатися на «продування» моделей в аеродинамічних трубах. Але з якісних міркувань було ясно, що при досягненні швидкості звуку поблизу літака виникає ударна хвиля. Найбільш відповідальний момент – подолання звукового бар'єру, коли швидкість літака порівнюється зі швидкістю звуку. У цей момент різниця тисків по різні сторонифронту хвилі швидко наростає, і якщо момент триватиме довше за мить, літак може розвалитися не гірше ніж від флаттера. Іноді при подоланні звукового бар'єру з недостатнім прискоренням створена літаком ударна хвиля навіть вибиває шибки з вікон будинків на землі під ним.

Ставлення швидкості літака до швидкості звуку називають числом Маха (на ім'я знаменитого німецького механіка та філософа Ернста Маха). При проходженні звукового бар'єру пілоту здається, що число М перескакує через одиницю стрибкоподібно: Чак Йегер побачив, як стрілка махометра стрибнула з 0,98 на 1,02, після чого в кабіні настала «божественна» тиша — насправді, здавалося б: просто рівень звукового тиску в кабіні літака падає у кілька разів. Цей момент «очищення від звуку» дуже підступний, він коштував життя багатьом випробувачам. Але небезпека розвалитися для літака Х-1 була невелика.

Літак Х-1, виготовлений компанією Bell Aircraft у січні 1946 року, був суто дослідницьким літальним апаратом, призначеним для підкорення звукового бар'єру і ні на що більше. Незважаючи на те, що машина була замовлена ​​міністерством оборони, замість зброї її нашпигували науковою апаратурою, яка відстежувала режими роботи вузлів, приладів та механізмів. Х-1 був схожим на сучасну крилату ракету. Мав один ракетний двигун Reaction Motors тягою 2722 кг. Максимальна злітна вага – 6078 кг. Довжина – 9,45 м, висота – 3,3 м, розмах крил – 8,53 м. Максимальна швидкість – на висоті 18290 м 2736 км/год. Машина запускалася зі стратегічного бомбардувальника В-29, а приземлялася на сталеві «лижі» на сухому соляному озері.

Не менш вражають і «тактико-технічні параметри» її пілота. Чак Єгер народився 13 лютого 1923 року. Після школи пішов у льотне училище, і після його закінчення вирушив воювати до Європи. Збив один Мессершміт-109. Сам був збитий у небі Франції, але його врятували партизани. Як ні в чому не бувало повернувся на базу до Англії. Проте пильна служба контррозвідки, не повіривши чудесному рятуванню від полону, усунула пілота від польотів і направила його в тил. Честолюбний Єгер досяг прийому у головнокомандувача союзними військами в Європі генерала Ейзенхауера, який Єгеру повірив. І не помилився — молодий пілот за півроку, що залишалися до закінчення війни, здійснив 64 бойові вильоти, збив 13 ворожих літаків, причому 4 в одному бою. І повернувся на батьківщину в званні капітана з прекрасним досьє, в якому значилося, що він має феноменальну льотну інтуїцію, неймовірну холоднокровність і дивовижну витримку в будь-якій критичній ситуації. Завдяки такій характеристиці він потрапив у команду випробувачів-надзвуковиків, яких відбирали і готували так само ретельно, як згодом астронавтів.

Перейменувавши Х-1 на «Полонну Гленіс» (Glamorous Glennis) на честь своєї дружини, Єгер неодноразово встановлював на ньому рекорди. Наприкінці жовтня 1947 року впав колишній рекорд висоти - 21 372 м. У грудні 1953 року нова модифікація машини - X-1A розвинула швидкість 2,35 М - майже 2800 км/год, а через півроку піднялася на висоту 27 430 м. А до того були випробування ряду винищувачів, що запускалися в серію, і обкатка нашого МіГ-15, захопленого і переправленого в Америку під час корейської війни. Згодом Єгер командував різними випробувальними підрозділами ВПС як у США, так і на американських базах у Європі та Азії, брав участь у бойових діях у В'єтнамі, тренував пілотів. У відставку він вийшов у лютому 1975 року в званні бригадного генерала, налітавши за час доблесної служби 10 тис. годин, обкатавши 180 різних надзвукових моделей і зібравши унікальну колекцію орденів та медалей. У середині 80-х років був знятий фільм, заснований на біографії бравого хлопця, який першим у світі підкорив звуковий бар'єр, і після цього Чак Єгер став навіть не героєм, а загальнонаціональною реліквією. Востаннє він сів за штурвал F-16 14 жовтня 1997 року та подолав звуковий бар'єр на п'ятдесяту річницю свого історичного польоту. Було Єгеру тоді 74 роки. Загалом, як сказав поет, цвяхи робити з цих людей.

Таких людей чимало й з іншого боку океану… Радянські конструктори почали примірятись до підкорення звукового бар'єру одночасно з американськими. Але їм це було не самоціллю, а актом цілком прагматичним. Якщо Х-1 був суто дослідницькою машиною, то ми звуковий бар'єр штурмували на прототипах винищувачів, які передбачалося запустити в серію для укомплектування ними частин ВПС.

У змагання включилися кілька конструкторських бюро - ОКБ Лавочкіна, ОКБ Мікояна та ОКБ Яковлєва, - в яких паралельно розроблялися літаки зі стрілоподібним крилом, що тоді було революційним конструктивним рішенням. До надзвукового фінішу вони дійшли у такому порядку: Ла-176 (1948), МіГ-15 (1949), Як-50 (1950). Однак там проблема вирішувалася в досить складному контексті: військова машина повинна мати не тільки високою швидкістю, Але і безліччю інших якостей - маневреність, живучість, мінімальний час передпольотної підготовки, потужне озброєння, значний боєкомплект і т.д. і т.п. Слід зазначити й те, що за радянських часів на рішення державних приймальних комісій часто впливали не лише об'єктивні фактори, а й суб'єктивні моменти, пов'язані з політичними маневрами розробників. Уся ця сукупність обставин призвела до того, що в серію було запущено винищувач МіГ-15, який чудово показав себе на локальних аренах воєнних дій 50-х років. Саме цю машину, захоплену в Кореї, як було сказано вище, «об'їжджав» Чак Йегер.

У Ла-176 була застосована рекордна на той час стріловидність крила, що дорівнює 45 градусам. Турбореактивний двигун ВК-1 забезпечував тягу 2700 кг. Довжина – 10,97 м, розмах крил – 8,59 м, площа крила 18,26 кв.м. Злітна маса - 4636 кг. Стеля – 15 000 м. Дальність польоту – 1000 км. Озброєння – одна 37-мм гармата та дві 23-мм. Машина була готова восени 1948 року, у грудні розпочалися її льотні випробування у Криму на військовому аеродромі поблизу міста Саки. Серед тих, хто керував випробуваннями, був і майбутній академік Володимир Васильович Струмінський (1914–1998), пілотами експериментального літака були капітан Олег Соколовський та полковник Іван Федоров, який згодом отримав звання Героя Радянського Союзу. Соколовський з безглуздого випадку загинув під час четвертого польоту, забувши закрити ліхтар кабіни.

Звуковий бар'єр полковник Іван Федоров подолав 26 грудня 1948 року. Піднявшись на висоту 10 тис. метрів, він відхилив ручку управління від себе та почав розганятися на пікіруванні. «З великої висоти розганяю свій 176-й, – згадував пілот. — Чути нудний тихий свист. Нарощуючи швидкість, літак мчить до землі. На шкалі махометра стрілка із тризначних цифр переходить на чотиризначні. Літак тремтить, мов у лихоманці. І раптом – тиша! Взято звуковий бар'єр. Наступне розшифрування осцилограм показало, що число М перевалило за одиницю». Сталося це на висоті 7000 метрів, де була зафіксована швидкість 1,02М.

Надалі швидкість пілотованих літаків продовжувала неухильно нарощуватися за рахунок збільшення потужності двигунів, застосування нових матеріалів та оптимізації аеродинамічних параметрів. Однак цей процес не безмежний. З одного боку, він гальмується міркуваннями раціональності, коли враховується витрата палива, вартість розробки, безпека польоту та інші пусті міркування. І навіть у військовій авіації, де гроші і безпека пілота не такі вже й значущі, швидкості найбільш «швидких» машин знаходяться в діапазоні від 1,5 до 3м. Більше ніби не потрібно. (Рекорд швидкості для пілотованих апаратів з реактивними двигунами належить американському літаку-розвіднику SR-71 і становить 3,2 М.)

З іншого боку, існує непереборний тепловий бар'єр: при певній швидкості нагрівання корпусу машини тертям повітря відбувається настільки швидко, що неможливо відведення тепла з його поверхні. Розрахунки показують, що з нормальному тиску це має відбуватися швидкості порядку 10М.

Тим не менш, межа в 10М все-таки була досягнута все на тому ж полігоні Едвардс. Сталося це у 2005 році. Рекордсменом став безпілотний ракетний літак Х-43А, виготовлений у рамках 7-річної грандіозної програми Hiper-X з відпрацювання технологій нового типу, покликаних радикально змінити вигляд ракетно-космічної техніки майбутнього. Його вартість становить $230 млн. Рекорд було встановлено на висоті 33 тис. метрів. У безпілотнику використано нова системарозгону. Спочатку відпрацьовує традиційна твердопаливна ракета, за допомогою якої Х-43А досягає швидкості 7М, а потім включається двигун нового типу - гіперзвуковий прямоточний повітряно-реактивний двигун (ГПВРД, або скрамджет), в якому як окислювач використовується звичайне атмосферне повітря, а паливом є газо водень (прямо класична схема некерованого вибуху).

Відповідно до програми були виготовлені три безпілотні моделі, які після виконання завдання були втоплені в океані. Наступний етап передбачає створення пілотованих машин. Після їх випробування отримані результати будуть враховані під час створення найрізноманітніших «корисних» апаратів. Крім літальних апаратів для потреб NASA створюватимуться гіперзвукові військові машини — бомбардувальники, розвідники та транспортники. Boeing, яка бере участь у програмі Hiper-X, планує до 2030-2040 років створити гіперзвуковий авіалайнер на 250 пасажирів. Цілком зрозуміло, що ілюмінаторів, які на таких швидкостях ламають аеродинаміку та не витримують теплового нагріву, у ньому не буде. Замість ілюмінаторів передбачаються екрани з відеозаписом хмар, що пропливають.

Сумніватися не доводиться, цей вид транспорту буде затребуваний, оскільки дедалі більше дорожчає час, що вміщає дедалі більше в одиницю часу емоцій, зароблених доларів та інших компонентів сучасного життя. У зв'язку з цим не доводиться сумніватися й у тому, що колись люди перетворяться на метеликів-одноденок: один день буде насичений як усе нинішнє (швидше вже вчорашнє) людське життя. І можна припустити, що хтось або щось реалізує щодо людства програму Hiper-X.

Що ми уявляємо, коли чуємо вираз «звуковий бар'єр»? Якась межа і якою може серйозно вплинути на слух та самопочуття. Зазвичай звуковий бар'єр співвідносять з підкоренням повітряного простору та

Подолання цієї перешкоди здатне спровокувати розвиток застарілих хвороб, больових синдромів та алергічних реакцій. Чи правильні ці уявлення або вони є стереотипами? Чи мають вони під собою фактичну основу? Що таке звуковий бар'єр? Як і чому вона виникає? Все це і деякі додаткові аспекти, також історичні факти, пов'язані з цим поняттям, ми спробуємо з'ясувати в цій статті.

Ця таємнича наука – аеродинаміка

У науці аеродинаміці, покликаної роз'яснити явища, що супроводжують рух
літального апарату, існує поняття «звуковий бар'єр» Це ряд явищ, що виникають під час руху надзвукових літаків або ракет, що пересуваються на швидкостях, наближених до швидкості звуку або великих.

Що таке ударна хвиля?

У процесі обтікання апарату надзвуковим потоком в аеродинамічній трубі виникає ударна хвиля. Її сліди можна помітити навіть неозброєним оком. На землі вони виражені жовтою лінією. Поза конусом ударної хвилі, перед жовтою лінією, на землі літак навіть не чутно. При швидкості, що перевищує звукову, тіла піддаються обтіканню звуковим потоком, що спричиняє ударну хвилю. Вона може бути не одна, що залежить від форми тіла.

Перетворення ударної хвилі

Фронт ударної хвилі, який іноді називають стрибком ущільнення, має досить малу товщину, що дозволяє проте відстежити стрибкоподібні зміни властивостей потоку, зниження його швидкості щодо тіла та відповідне зростання тиску та температури газу в потоці. При цьому кінетична енергія частково перетворюється на внутрішню енергію газу. Кількість цих змін залежить від швидкості надзвукового потоку. У міру того, як ударна хвиля віддаляється від апарата, зменшуються перепади тиску, і ударна хвиля перетворюється на звукову. Вона може досягти стороннього спостерігача, який почує характерний звук, що нагадує вибух. Існує думка, що це свідчить про досягнення апаратом швидкості звуку, коли звуковий бар'єр літак залишає позаду.

Що насправді відбувається?

Так званий момент подолання звукового бар'єру на практиці є проходженням ударної хвилі з наростаючим гулом двигунів літака. Тепер апарат випереджає звук, що супроводжує його, тому гул двигуна буде чутний після нього. Наближення швидкості до швидкості звуку стало можливим ще в ході Другої світової війни, але пілоти відзначали тривожні сигнали в роботі літаків.

Після закінчення війни чимало авіаконструкторів та льотчиків прагнули досягти швидкості звуку та подолати звуковий бар'єр, але багато з цих спроб закінчувалися трагічно. Песимістично налаштовані вчені стверджували, що ця межа перевершити неможливо. Не експериментальним, але науковим шляхом вдалося пояснити природу поняття «звуковий бар'єр» і знайти способи його подолання.

Безпечні польоти на навколозвукових і надзвукових швидкостях можливі при уникненні хвильової кризи, виникнення якої залежить від аеродинамічних параметрів літака та висоти польоту. Переходи з одного рівня швидкості на інший повинні виконуватися максимально оперативно із застосуванням форсажу, що допоможе уникнути тривалого польоту в зоні хвильової кризи. Хвильова криза як поняття прийшла з водного транспорту. Виникав він у момент руху суден із швидкістю, близькою до швидкості хвиль на поверхні води. Попадання в хвильову кризу спричиняє утруднення зростання швидкості, і якщо максимально просто подолати хвильову кризу, то можна вийти на режим гліссування або ковзання по водній гладі.

Історія в керуванні літаками

Перша людина, яка досягла надзвукової швидкості польоту на експериментальному літаку, - це американський льотчик Чак Єгер. Його досягнення в історії 14 жовтня 1947 року. На території СРСР звуковий бар'єр був подоланий 26 грудня 1948 Соколовським і Федоровим, які керували досвідченим винищувачем.

З цивільних подолав звуковий бар'єр пасажирський лайнер Douglas DC-8, який 21 серпня 1961 досяг швидкості 1.012 М, або 1262 км/год. Політ мав на меті збирання даних для проектування крила. Серед літальних апаратів світовий рекорд поставила гіперзвукова аеробалістична ракета "повітря-земля", що знаходиться на озброєнні російської армії. На висоті 31,2 кілометра ракета розвинула швидкість 6389 км/год.

Через 50 років після подолання звукового бар'єру у повітрі англієць Енді Грін здійснив аналогічне досягнення на автомобілі. У вільному падінні пробував побити рекорд американець Джо Кіттінгер, який підкорив висоту 31,5 кілометра. У наші дні, 14 жовтня 2012 року, Фелікс Баумгартнер поставив світовий рекорд без допомоги транспорту у вільному падінні з висоти 39 кілометрів, подолавши звуковий бар'єр. Швидкість його досягла 1342,8 кілометра на годину.

Найнезвичайніше подолання звукового бар'єру

Дивно подумати, але першим у світі винаходом, який подолав цю межу, став звичайний батіг, який придумали давні китайці майже 7 тисяч років тому. Практично до винаходу миттєвої фотографії у 1927 році ніхто і не підозрював, що клацання батога - це мініатюрний звуковий удар. Різкий помах формує петлю, а швидкість різко зростає, що й підтверджує клацання. Звуковий бар'єр долається на швидкості близько 1200 км/год.

Загадка найгучнішого міста

Не дарма мешканці маленьких міст зазнають шоку, побачивши столицю вперше. Велика кількість транспорту, сотні ресторанів та розважальних центрівзбивають з пантелику і вибивають зі звичної колії. Початок весни в столиці зазвичай датується квітнем, а не бунтівним хуртовим березнем. У квітні тут чисте небо, біжать струмки та розпускаються бруньки. Люди, що втомилися від довгої зими, широко відчиняють вікна назустріч сонцю, і в будинки вривається вуличний шум. На вулиці оглушливо щебечуть птахи, співають артисти, декламують вірші веселі студенти, не кажучи вже про шум у пробках та метро. Співробітники відділів гігієни відзначають, що довго перебувати у галасливому місті є шкідливим для здоров'я. Звуковий фон столиці складається з транспортних,
авіаційних, промислових та побутових шумів. Найбільш шкідливим є автомобільний шум, тому що літаки літають досить високо, а шум від підприємств розчиняється в їх будинках. Постійний гул автомобілів на особливо жвавих магістралях перевищує все допустимі нормив два рази. Як у столиці долається звуковий бар'єр? Москва небезпечна великою кількістю звуків, тому мешканці столиці встановлюють склопакети, щоб приглушити шум.

Як здійснюється штурм звукового бар'єру?

До 1947 року не було фактичних даних про самопочуття людини в кабіні літака, який летить швидше за звук. Як виявилося, подолання звукового бар'єру потребує певних сил та відваги. У процесі польоту стає зрозумілим, що немає жодних гарантій вижити. Навіть професійний пілот не може точно сказати, чи конструкція літака витримає атаку стихії. За лічені хвилини літак може просто розвалитися на частини. Чим це пояснюється? Слід зазначити, що рух із дозвуковою швидкістю створює акустичні хвилі, що розбігаються як кола від каменя, що впав. Надзвукова швидкість збуджує ударні хвилі, а людина, що стоїть на землі, чує звук, схожий на вибух. Без потужних обчислювальних машин складно було вирішити складні та доводилося спиратися на продування моделей в аеродинамічних трубах. Іноді при недостатньому прискоренні літака ударна хвиля досягає такої сили, що вилітають вікна з будинків, над якими пролітає літак. Подолати звуковий бар'єр зможе далеко не кожен, адже в цей момент трясе всю конструкцію, значні пошкодження можуть отримати кріплення апарату. Тому для пілотів так важливо міцне здоров'я та емоційна стабільність. Якщо політ йде м'яко, а звуковий бар'єр подоланий максимально швидко, то ні пілот, ні можливі пасажири не відчують особливо неприємних відчуттів. Спеціально для підкорення звукового бар'єру було споруджено дослідний літальний апарат у січні 1946 року. Створення машини було ініційоване замовленням міністерства оборони, але замість зброї її напхали науковою апаратурою, яка відстежувала режим роботи механізмів і приладів. Цей літак був схожий на сучасну крилату ракету з вбудованим ракетним двигуном. Подолання літаком звукового бар'єру відбувалося за максимальної швидкості 2736 км/год.

Вербальні та матеріальні пам'ятники підкоренню швидкості звуку

Досягнення подолання звукового бар'єру високо цінуються і сьогодні. Так, літак, на якому Чак Єгер вперше його подолав, зараз виставлений у Національному музеї повітроплавання та космонавтики, що знаходиться у Вашингтоні. Але технічні параметри цього людського винаходу мало коштували без достоїнств самого пілота. Чак Єгер пройшов льотне училище і воював у Європі, після чого повернувся до Англії. Несправедливе відсторонення від польотів не зламало дух Єгера, і він домігся прийому у головнокомандувача військ Європи. За роки, що залишилися до кінця війни, Єгер брав участь у 64 бойових вильотах, під час яких збив 13 літаків. На батьківщину Чак Єгер повернувся зі званням капітана. У його характеристиці зазначена феноменальна інтуїція, неймовірна холоднокровність та витримка у критичних ситуаціях. Неодноразово Єгер встановлював рекорди своєму літаку. Його подальша кар'єра йшла у підрозділах ВПС, де він здійснював тренінг пілотів. Востаннє Чак Єгер подолав звуковий бар'єр у 74 роки, що припало на п'ятдесяту річницю його історії польотів та на 1997 рік.

Комплексні завдання творців літальних апаратів

Відомі на весь світ літаки МіГ-15 стали створювати в той момент, коли розробники зрозуміли, що неможливо базуватися лише на подоланні звукового бар'єру, а вирішувати комплексні технічні завдання. В результаті була створена машина настільки вдала, що її модифікації стали на озброєння різних країн. Декілька різних конструкторських бюро включилися в своєрідну конкурентну боротьбу, призом у якій був патент на найуспішніший і найфункціональніший літальний апарат. Розроблялися літаки зі стрілоподібними крилами, що було революцією у їх конструкції. Ідеальний апарат повинен був бути потужним, швидким та неймовірно стійким до будь-яких пошкоджень ззовні. Стрілоподібні крила у літаків стали елементом, що допомагав їм утричі підвищувати швидкість звуку. Далі продовжувала наростати, що пояснювалося збільшенням потужності двигунів, застосуванням інноваційних матеріалів та оптимізацією аеродинамічних параметрів. Подолання звукового бар'єру стало можливим і реальним навіть для непрофесіонала, але менш небезпечним воно від цього не стає, тому будь-який екстремал має тверезо оцінювати свої сили, перш ніж зважитися на такий експеримент.

Іноді, коли в небі пролітає реактивний літак, можна почути гучну бавовну, яка по звуку нагадує вибух. Цей «врив» є наслідком подолання літаком звукового бар'єру.

Що таке звуковий бар'єр, і чому ми чуємо вибух? І хто першим подолав звуковий бар'єр ? Ці питання ми розглянемо нижче.

Що таке звуковий бар'єр, і як він утворюється?

Аеродинамічний звуковий бар'єр – ряд явищ, що супроводжують рух будь-якого літального апарату (літака, ракети тощо), швидкість якого дорівнює або перевищує швидкість звуку. Іншими словами, аеродинамічний «звуковий бар'єр» - це різкий стрибок опору повітря, що виникає при досягненні літаком швидкості звуку.

Звукові хвилі переміщуються у просторі з певною швидкістю, яка змінюється залежно від висоти, температури та тиску. Наприклад, лише на рівні моря швидкість звуку становить приблизно 1220 км/год, на висоті 15 тис. м – до 1000 км/год тощо. Коли швидкість літака наближається до швидкості звуку, нього діють певні навантаження. На звичайних швидкостях (дозвукових) ніс літака «жене» перед собою хвилю стисненого повітря, швидкість якої відповідає швидкості звуку. Швидкість руху хвилі більша, ніж звичайна швидкість літака. В результаті цього повітря вільно обтікає всю поверхню літака.

Але якщо швидкість літака відповідає швидкості звуку, хвиля стиснення утворюється не на носі, а перед крилом. Внаслідок цього утворюється ударна хвиля, що збільшує навантаження на крила.

Щоб літальний апарат зміг подолати звуковий бар'єр, крім певної швидкості, він повинен мати особливу конструкцію. Саме тому авіаконструктори розробили та застосували у літакобудуванні спеціальний аеродинамічний профіль крила та інші хитрощі. У момент подолання звукового бар'єру пілот сучасного надзвукового літального апарату відчуває вібрації, «стрибки» та «аеродинамічний удар», який на землі ми сприймаємо як бавовну чи вибух.

Хто першим подолав звуковий бар'єр?

Питання «першопрохідців» звукового бар'єру так само, як і питання перших підкорювачів космосу. На питання " Хто першим подолав надзвуковий бар'єр ?» можна дати різні відповіді. Це і перша людина, яка подолала звуковий бар'єр, і перша жінка, і, як не дивно, перший пристрій.

Першим, хто подолав звуковий бар'єр, був льотчик-випробувач Чарльз Едвурд Єгер (Чак Ігер). 14 жовтня 1947 його експериментальний літак Bell X-1, оснащений ракетним двигуном, вийшовши в пологе пікірування з висоти 21379 м над Вікторвілл (Каліфорнія, США), досяг швидкості звуку. Швидкість літака на цей час становила 1207 км/год.

Протягом своєї кар'єри військовий льотчик зробив великий внесок у розвиток як американської військової авіації, а й космонавтики. Чарльз Елвуд Єгер закінчив свою кар'єру в званні генерала ВПС США, побувавши в багатьох куточках планети. Досвід військового льотчика став у нагоді навіть у Голлівуді при постановці ефектних повітряних трюків у художньому фільмі «Льотчик».

Історію Чака Йегера про подолання звукового бар'єру розповідає фільм «Хлопці все», який у 1984 році отримав чотири статуетки Оскар.

Інші «підкорювачі» звукового бар'єру

Окрім Чарльза Єгера, який першим подолав звуковий бар'єр, були інші рекордсмени.

1. Перший радянський льотчик-випробувач - Соколовський (26 грудня 1948).
2. Перша жінка - американка Жаклін Кохран (18 травня 1953). Пролітаючи над військово-повітряною базою Едвардс (Каліфорнія, США), її літак F-86 подолав звуковий бар'єр на швидкості 1223 км/год.
3. Перший цивільний літак - американський пасажирський авіалайнер Douglas DC-8 (21 серпня 1961). Його політ, що проходив на висоті близько 12,5 тис. м, був експериментальним і організовувався для збору даних, необхідних для майбутнього проектування передніх кромок крил.
4. Перший автомобіль, що подолав звуковий бар'єр – Thrust SSC (15 жовтня 1997 р.).
5. Перша людина, яка подолала звуковий бар'єр у вільному падінні – американець Джо Кіттінгер (1960 р.), що стрибнув із парашутом з висоти 31,5 км. Однак після нього, пролітаючи 14 жовтня 2012 р. над американським містом Розуелл (Нью-Мексико, США), австрієць Фелікс Баумгартнер поставив світовий рекорд, залишивши повітряна куляз парашутом на висоті 39 км. Його швидкість при цьому склала близько 1342,8 км/год, а спуск на землю, більша частина шляху якого проходила у вільному падінні, зайняв лише 10 хвилин.
6. Світовий рекорд подолання звукового бар'єру літальним апаратом належить гіперзвуковій аеробалістичній ракеті Х-15 класу «повітря-земля» (1967 р.), що зараз на озброєнні російської армії. Швидкість ракети на висоті 31,2 км. склала 6389 км/год. Хотілося б відзначити, що максимально можлива швидкість пересування людини в історії пілотованих літальних апаратів – 39897 км/год, яку 1969 р. досяг американський космічний корабель"Аполлон-10".

Перший винахід, який подолав звуковий бар'єр

Як не дивно, але першим винаходом, що подолав звуковий бар'єр був… простий батіг, придуманий стародавніми китайцями 7 тис. років тому.

До винаходу в 1927 році миттєвої фотографії, ніхто не міг подумати, що клацання батога - це не просто удар ремінця об рукоятку, а мініатюрне надзвукове клацання. Під час різкого помаху формується петля, швидкість якої збільшується у кілька десятків разів та супроводжується клацанням. Петля долає звуковий бар'єр на швидкості близько 1200 км/год.

Правовласник ілюстрації SPL

Про вражаючі фотографії реактивних винищувачіву щільному конусі водяної пари часто кажуть, що це, мовляв, літак долає звуковий бар'єр. Але це помилка. Оглядач розповідає про справжню причину феномену.

Це ефектне явище неодноразово знімали фотографи та відеооператори. Військовий реактивний літак проходить над землею на великій швидкості, кілька сотень кілометрів на годину.

У міру того, як винищувач прискорюється, навколо нього починає формуватися щільний конус конденсату; Складається враження, що літак - усередині компактної хмари.

Підписи під такими фотографіями, що хвилюють фантазію, часто стверджують, що перед нами - візуальне свідчення звукового удару при виході літака на надзвукову швидкість.

Насправді це не зовсім так. Ми спостерігаємо так званий ефект Прандтля-Глоєрта – фізичне явище, що виникає при наближенні літака до швидкості звуку. З подоланням звукового бар'єру воно не пов'язане.

• Інші статті сайту BBC Future російською мовою

З розвитком авіабудування аеродинамічні форми ставали дедалі обтічнішими, а швидкість літальних апаратів неухильно зростала – літаки почали робити з навколишнім повітрям такі речі, куди були здатні їх більш тихохідні і громіздкі попередники.

Загадкові ударні хвилі, що формуються навколо літаків, що низько летять, у міру наближення до швидкості звуку, а потім і подолання звукового бар'єру, свідчать про те, що повітря на таких швидкостях поводиться дуже дивним чином.

То що ж це за таємничі хмари конденсату?

Правовласник ілюстрації Getty Image caption Ефект Прандтля-Глоєрта найяскравіше виражений при польотах у теплій, вологій атмосфері

За словами Рода Ірвіна, голови аеродинамічної групи Королівського товариства повітроплавання, умови, за яких виникає конус пари, безпосередньо передують подоланню літаком звукового бар'єру. Однак фотографують це явище зазвичай на швидкості трохи менше швидкості звуку.

Приземні шари повітря щільніші, ніж атмосфера великих висотах. При польотах на малих висотах виникає підвищені тертя та лобовий опір.

До речі, льотчикам заборонено долати звуковий бар'єр над суходолом. "Виходити на надзвук можна над океаном, але не над твердою поверхнею, - пояснює Ірвін. - Між іншим, ця обставина була проблемою для надзвукового пасажирського лайнера Concorde - заборону ввели вже після введення його в експлуатацію, і екіпажу дозволялося розвивати надзвукову швидкість тільки над водною поверхнею".

Понад те, візуально зареєструвати звуковий удар при виході літака на надзвук надзвичайно важко. Неозброєним оком його не побачити – лише за допомогою спеціального обладнання.

Для фотографування моделей, що продуваються на надзвукових швидкостях в аеродинамічних трубах, зазвичай використовують спеціальні дзеркала, щоб засікти різницю у відображенні світла, викликану формуванням ударної хвилі.

Правовласник ілюстрації Getty Image caption При перепаді повітряного тиску температура повітря знижується, і волога, що міститься в ньому, перетворюється на конденсат

Фотографії, отримані так званим шлірен-методом (або методом Теплера), використовують для візуалізації ударних хвиль (або, як їх ще називають, стрибків ущільнення), що утворюються навколо моделі.

У ході продувок навколо моделей не створюються конуси конденсату, оскільки повітря, що використовується в аеродинамічних трубах, попередньо осушується.

Конуси водяної пари пов'язані зі стрибками ущільнення (а їх кілька), що формуються навколо літака в міру набору ним швидкості.

Коли швидкість літального апарату наближається до швидкості звуку (близько 1234 км/год лише на рівні моря), у його повітрі виникає перепад місцевого тиску і температури.

Як наслідок, повітря втрачає здатність утримувати вологу, і формується конденсат у формі конуса, як на цьому відео.

"Видимий конус пари викликаний стрибком ущільнення, при якому виникає перепад тиску і температури навколишнього літака повітря", - говорить Ірвін.

На багатьох із найвдаліших фотографій цього явища відбиті літаки ВМС США - і це не дивно, враховуючи, що теплий, вологе повітряу поверхні моря, як правило, сприяє яскравішому прояву ефекту Прандтля-Глоєрта.

Такі трюки часто роблять винищувачі-бомбардувальники F/A-18 Hornet – це основний тип літаків палубного базування американської морської авіації.

Правовласник ілюстрації SPL Image caption Стрибок ущільнення при виході літака на надзвук важко виявити неозброєним оком

На таких же бойових машинах літають члени пілотажної групи ВМС США Blue Angels, які майстерно виконують маневри, при яких навколо літака утворюється хмара конденсації.

Через видовищність явища його нерідко використовують із популяризації морської авіації. Льотчики навмисно маневрують над морем, де умови для виникнення ефекту Прандтля-Глоєрта найбільш оптимальні, а поблизу напоготові чергують професійні флотські фотографи - адже зробити чіткий знімок реактивного літака, що летить зі швидкістю 960 км/год, на звичайний смартфон неможливо.

Найбільш ефектно конденсаційні хмари виглядають на так званому трансзвуковому режимі польоту, коли повітря частково обтікає літак на надзвуковій швидкості, а частково - на дозвуковій.

"Літак при цьому необов'язково летить на надзвуковій швидкості, але повітря обтікає верхню поверхню його крила з більшою швидкістю, ніж нижню, що призводить до місцевого стрибка ущільнення", - каже Ірвін.

За його словами, для виникнення ефекту Прандтля-Глоєрта необхідні певні кліматичні умови (а саме – тепле та вологе повітря), з якими винищувачі палубної авіації стикаються частіше за інші літаки.

Все, що вам залишається зробити - попросити про послугу професійного фотографа, і – вуаля! - ваш літак зафіксували в оточенні ефектної хмари водяної пари, яку багато хто з нас помилково сприймає як ознаку виходу на надзвук.

• Прочитати можна на сайті

Нині проблема «подолання звукового бар'єру», очевидно, є завданням потужних силових двигунів. Якщо є достатня сила тяги для подолання зростання опору, що зустрічається до звукового бар'єру і безпосередньо на ньому, так що літак може швидко пройти через критичний діапазон швидкостей, то не слід очікувати на особливі труднощі. Можливо, літаку було б легше літати у надзвуковому діапазоні швидкостей, ніж у перехідному діапазоні між дозвуковою та надзвуковою швидкістю.

Таким чином, ситуація частково аналогічна тій, яка переважала на початку цього століття, коли брати Райт змогли довести можливість активного польоту, бо мали легкий двигун з достатньою тягою. Якби ми мали відповідні двигуни, то надзвуковий політ став досить звичайним. Донедавна подолання звукового бар'єру в горизонтальному польоті здійснювалося лише з використанням досить неекономічних рухових установок, таких як ракетні та прямоточні повітряно-реактивні двигуни (ПВРД) з дуже високим споживанням палива. Експериментальні літаки типу Х-1 і Скай-рокет (Sky-rocket) оснащені ракетними двигунами, які надійні лише протягом декількох хвилин польоту, або турбореактивними двигунами з форсажними камерами, але на момент написання цієї книги створено кілька літаків, які можуть літати з надзвуковою швидкістю протягом півгодини. Якщо ви прочитаєте в газеті, що літак пройшов через звуковий бар'єр, то це часто означає, що він зробив це за допомогою пікірування. І тут сила тяжкості доповнила недостатню силу тяги.

Існує дивне явище, пов'язане з цими фігурами найвищого пілотажу, яке я хотів би відзначити. Припустимо, що літак

наближається до спостерігача на дозвуковій швидкості, пікірує, досягнувши надзвукової швидкості, потім виходить із пікірування і знову продовжує політ на дозвуковій швидкості. У цьому випадку спостерігач на землі найчастіше чує два гучні лункі звуки, що досить швидко наступають один за одним: «Бум, бум!» Деякі вчені запропонували пояснення походження подвійного гулу. Акерет у Цюріху та Моріс Руа в Парижі обидва припустили, що гул виникає завдяки накопиченню звукових імпульсів, таких як шум двигуна, що видаються в той час, коли літак проходив через звукову швидкість. Якщо літак рухається у напрямку до спостерігача, то шум, що видається літаком, досягне спостерігача за більш короткий проміжок часу в порівнянні з інтервалом, в якому він був виданий. Таким чином, завжди відбувається накопичення звукових імпульсів за умови, що джерело звуку рухається до спостерігача. Однак якщо джерело звуку рухається зі швидкістю близькою до швидкості звуку, накопичення нескінченно посилюється. Це стає очевидним, якщо вважати, що весь звук, що видається джерелом, що рухається точно зі швидкістю звуку прямо до спостерігача, досягне останнього в один короткий момент часу, а саме, коли джерело звуку наблизилося до місцезнаходження спостерігача. Причина полягає в тому, що звук та джерело звуку пересуватимуться з однаковою швидкістю. Якби звук рухався в цей період часу з надзвуковою швидкістю, то послідовність звукових імпульсів, що сприймаються і видаються, була б зворотною; спостерігач розрізнить сигнали, видані пізніше, як він сприйме сигнали, видані раніше.

Процес подвійного гулу, відповідно до цієї теорії, можна проілюструвати діаграмою на рис. 58. Припустимо, що літак рухається прямо до спостерігача, але зі змінною швидкістю. Крива АВ показує рух літака в залежності від часу. Кут нахилу дотичної до кривої вказує на миттєву швидкість літака. Паралельні прямі, показані на діаграмі, вказують на поширення звуку; кут нахилу цих прямих відповідає швидкості звуку. Спочатку на ділянці швидкість літака дозвукова, потім на ділянці – надзвукова, і нарешті на ділянці – знову дозвукова. Якщо спостерігач знаходиться на початковій відстані D, то точки, показані на горизонтальній лінії, відповідають послідовності сприйманих ним

Рис. 58. Діаграма відстані-часу літака, що летить зі змінною швидкістю. Паралельні лінії з кутом нахилу показують поширення звуку.

звукові імпульси. Ми бачимо, що звук, що видається літаком під час другого проходження звукового бар'єру (точка), досягає спостерігача раніше, ніж звук, що видається під час першого проходження (точка). У ці дві миті спостерігач сприймає через нескінченно мінімальний інтервал часу імпульси, що видаються під час обмеженого періоду часу. Відтак він чує гул, схожий на вибух. Між двома звуками гулу він одночасно сприймає три імпульси, що видаються в різні часи літаком.

На рис. 59 схематично показана інтенсивність шуму, яку можна очікувати у цьому спрощеному випадку. Слід зазначити, що накопичення звукових імпульсів у разі джерела звуку, що наближається, є тим же процесом, який відомий як ефект Доплера; проте характеристика останнього ефекту зазвичай обмежена зміною висоти тону, що з процесом накопичення. Інтенсивність шуму, що сприймається, важко розрахувати, оскільки вона залежить від механізму утворення звуку, який не дуже добре відомий. До того ж процес ускладнюється формою траєкторії, можливою луною, а також ударними хвилями, що спостерігаються в різних частинах літака під час польоту та енергія яких перетворюється на звукові хвилі після того, як літак зменшить швидкість. В деяких

Рис. 59. Схематичне уявлення інтенсивності шуму, що сприймається спостерігачем.

В останніх статтях з цієї теми явище подвійного гулу, іноді потрійного, що спостерігається в надшвидкісному пікіруванні, приписується цим ударним хвиль.

Проблема «подолання звукового бар'єру» або «звукової стіни», мабуть, хвилює уяву громадськості (англійський фільм під назвою «Руйнування звукового бар'єру» дає певне уявлення про завдання, пов'язані з польотом через одиничний Мах); льотчики та інженери обговорюють проблему як серйозно, так і жартома. Наступна «наукова доповідь» навколозвукового польоту демонструє чудове поєднання технічних знань та поетичних вольностей:

Ми плавно ковзали повітрям зі швидкістю 540 миль на годину. Мені завжди подобався маленький XP-AZ5601-NG за його просте керування, і за те, що індикатор Прандтля-Рейнольдса захований у правому кутку зверху панелі. Я перевірив прилади. Воду, паливо, оберти за хвилину, ККД Карно, шляхову швидкість, ентальпію. Все ОК. Курс 270 °. Повнота згоряння в нормі – 23 відсотки. Старина ТРД бурчала спокійно як завжди, і зуби Тоні ледь постукували від його 17 стулок, перекинутих ним над Шенектаді. З двигуна просочувалася тільки тонка цівка масла. Оце житття!

Я знав, що двигун літака гарний для швидкостей вище за ті, які ми коли-небудь намагалися розвивати. Погода була така ясна, небо таке блакитне, повітря таке спокійне, що я не встояв і додав швидкості. Я повільно пересунув важіль уперед на одну позицію. Регулятор тільки трохи хитнувся, і через п'ять хвилин або близько того все було спокійно. 590 миль на годину. Я знову натиснув на важіль. Засміялися лише два сопла. Я натиснув на очисник вузьких отворів. Знову відкриті. 640 миль на годину. Тихо. Вихлопна труба мало не зігнулася, кілька квадратних дюймів з одного боку все ще відкриті. Руки в мене так і свербіли на важелі, і я знову натиснув на нього. Літак розігнався до 690 миль на годину, пройшовши через критичний відрізок, не зламавши жодного ілюмінатора. У кабіні ставало тепло, тому я подав ще трохи повітря у вихровий холодильник. Мах 0,9! Я ніколи не літав швидше. Я міг бачити невеликий струс за вікном ілюмінатора, тому відрегулював форму крила, і він зник.

Тоні тепер дрімав, і я випустив димок із його трубки. Я не міг устояти і додав швидкість ще на один рівень. Рівно за десять хвилин ми зрівнялися з Махом 0,95. Ззаду в камерах згоряння загальний тиск диявольськи падало. Оце було життя! Індикатор Кармана показував червоний, але мені було байдуже. Свічка Тоні все ще горіла. Я знав, що гама на нулі, але мені було начхати.

Від збудження у мене паморочилося в голові. Ще трошки! Я поклав руку на важіль, але саме Тоні потягнувся, і його коліно зачепило мою руку. Важіль підстрибнув на цілих десять рівнів! Трах! Невеликий літак здригнувся на всю довжину, а колосальна втрата швидкості відкинула нас з Тоні на панель. Здавалося, що ми вдарилися об тверду цегляну стіну! Я міг бачити, що ніс літака був зім'ятий. Я глянув на махометр і завмер! 1,00! Боже, в одну мить подумав я, ми на максимумі! Якщо я не примушу його зменшити швидкість, перш ніж він зісковзне, ми опинимося у спадному опорі! Занадто пізно! Мах 1,01! 1,02! 1,03! 1,04! 1,06! 1,09! 1,13! 1,18! Я був у розпачі, але Тоні знав, що робити. Миттю він дав задній

хід! Гаряче повітря кинулося у вихлопну трубу, воно стиснуте в турбіні, знову прорвалося в камери, розширив компресор. Паливо почало надходити в баки. Вимірювач ентропії хитнувся до повному нулю. Мах 1,20! 1,19! 1,18! 1,17! Ми врятовані. Він сповз назад, він усунувся назад, поки Тоні і я молилися, щоб не залип дільник потоку. 1,10! 1,08! 1,05!

Трах! Ми вдарили об інший бік стіни! Ми в пастці! Бракує негативної тяги, щоб прорватися назад!

Коли ми зіщулилися від страху перед стіною, хвіст маленького літака розвалився і Тоні крикнув: "Запалюй ракетні прискорювачі!" Але ж вони повернули не в той бік!

Тоні простяг руку і підштовхнув їх уперед, лінії Маха струменіли з його пальців. Я підпалив їх! Удар був приголомшливим. Ми знепритомніли.

Коли я прийшов до тями, наш маленький літак, весь покручений, якраз проходив через нульовий Мах! Я витяг Тоні, і ми тяжко впали на землю. Літак сповільнював хід Сході. Через кілька секунд ми почули гуркіт, ніби він ударився об іншу стіну.

Не було знайдено жодного гвинта. Тоні зайнявся плетінням сітки, а я побрів до МТІ.