Звуковой барьер и сверхзвуковой полёт

Републикую свой старый текст на тему “звукового барьера”:

Оказывается, одним из широко распространённых околоавиационных заблуждений является так называемый “звуковой барьер”, который “преодолевают” самолёты.

Даже больше: со сверхзвуковым полётом связан целый букет заблуждений. Как же обстоит дело в реальности? (Рассказ с фотографиями.)

Заблуждение первое: “хлопок”, якобы сопровождающий “преодоление звукового барьера” (ранее, ответ на этот вопрос опубликован на сайте “Элементы”).

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

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

supsonicflyby.jpg

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

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

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

Заблуждение второе: “срыв тумана”.

Если о “хлопке” почти все знают, то с “туманом” ситуация несколько более “специальная”. Есть множество снимков, где летящий самолёт (обычно это истребитель) как бы “выскакивает” из туманного конуса. Смотрится очень эффектно:

sonicf141.jpg

Туман и относят к “звуковому барьеру”. Мол, это на фотографии как раз запечатлён момент “преодоления”, а туман и есть “тот самый барьер”.

sonicf18shornet.jpg

На самом же деле, возникновение тумана связано лишь с резким перепадом давления, сопровождающим полёт самолёта. В результате аэродинамических эффектов за элементами конструкции самолёта образуются не только области повышенного давления, но и области разрежения воздуха (возникают колебания давления). Именно в этих областях разрежения (протекающего, фактически, без теплообмена с окружающей средой, так как процесс “очень быстрый”) и конденсируется водяной пар. Причиной этому служит резкое падение “локальной температуры”, приводящее к резкому смещению так называемой “точки росы”.

Так что, если влажность воздуха и температура подходят, то такой туман – вызванный интенсивной конденсацией атмосферной влаги – сопровождает весь полёт самолёта. И не обязательно на сверхзвуковой скорости. Например, на фотографии ниже, бомбардировщик B-2, а это дозвуковой самолёт, сопровождается характерной дымкой:

f15b2.jpg

Конечно, так как фотография фиксирует один миг полёта, то, в случае со сверхзвуковыми самолётами, создаётся ощущение “выскакивающего” из тумана истребителя. Особенно выраженного эффекта можно достичь при полёте на небольших высотах над морем, так как в этом случае атмосфера обычно очень влажная.

sonicf18shornet2.jpg

Именно поэтому большинство “художественных” снимков сверхзвукового полёта сделано с борта того или иного корабля, а запечатлены на снимках самолёты палубной авиации.

sonicf14d.jpg

(Использованы фотографии U.S. Navy News Service и U.S. Air Force Press Service)

(Отдельное спасибо Игорю Иванову за ценное замечание по физике образования тумана.)

()

Похожие записки:



Далее - мнения и дискуссии

(Сообщения ниже добавляются читателями сайта, через форму, расположенную в конце страницы.)

Комментарии читателей блога: 17

  • 1. 29th January 2008, 02:18 // Читатель spark написал:

    А обычный пассажирский лайнер до какой скорости может безопасно разгоняться? Я недавно летал, там показывали на экранчике скорость (правда относительно земли), так она иногда поднималась до 1020 км/ч = 283 м/с. А скорость звука при температуре -55С составляет примерно 300 м/с (а может, и того меньше). Получается почти 0,95М.

    У меня, кстати, ссылка на блог изменилась — я сейчас переехал на igorivanov.blogspot.com.

  • 2. 29th January 2008, 09:43 // Александр Венедюхин ответил:

    Около 0.8-0.9M – нормально для современных реактивных лайнеров.

    (Ссылку я поправил.)

  • 3. 29th January 2008, 21:43 // Читатель barbaris написал:

    Спасибо, хорошо расписано – а ведь все думают именно о хлопке в момент достижения звуковой скорости…

  • 4. 31st January 2008, 16:22 // Читатель mogga написал:

    Добавили б комментарии на “Элементах”, а то некоторые там такого поотписывали…

  • 5. 31st January 2008, 23:08 // Александр Венедюхин ответил:

    Добавили б комментарии на “Элементах”

    Да, собственно, особенно мне добавить к тексту нечего, а бороться с очевидными небылицами – нет ни времени, ни желания.

  • 6. 4th February 2008, 12:06 // Читатель dxdt.ru: занимательный… написал:

    […] Что такое “звуковой барьер”; […]

  • 7. 8th February 2008, 13:43 // Читатель dxdt.ru: занимательный… написал:

    […] Фото на тему о “звуковых барьерах“: […]

  • 8. 11th February 2008, 23:23 // Читатель сергей написал:

    поучительно….кстати темку на реферат и в школу 5 баллов сразу))

  • 9. 23rd February 2008, 01:46 // Читатель ROSS_OlegDa написал:

    Немного поправлю – лётчкик в кабине истребителя абсолютно ничего не чувствует при преодолении зв.барьера . С уважением .

  • 10. 23rd February 2008, 09:47 // Александр Венедюхин ответил:

    Немного поправлю – лётчкик в кабине истребителя абсолютно ничего не чувствует при преодолении зв.барьера

    Ну, в принципе, я это слышал от испытателей, что чувствуют преодоление. Потом там же волновой кризис наступает и всё такое. Но, наверное, более правильно будет сказать, что ситуация зависит от типа самолёта и характера пилота.

  • 11. 27th February 2008, 20:19 // Читатель MASTERPLUS написал:

    Видел как-то по TV программу о преодолении звукового барьера – И, наконец, впервые наземное средство транспорта ? реактивный автомобиль ? преодолело звуковой барьер. Грин на Thrust SSC развил 15 октября 1997 года скорость 1227,985 километров в час Раскатистый удар от перехода звукового барьера был слышен в городке примерно в 20 километрах от места заезда, и в домах задрожали стены. Меня интересует вопрос – как распространялись звуковые волны в этом случае и люди стоящие на старте тоже слышали звуковой удар?’

  • 12. 8th March 2008, 16:28 // Читатель Бздонский написал:

    здорово! Можно добавить, что абсолютно дозвуковые Ла-5 и Ла-7 в пикировании, если лётчик давал макс. обороты, преодолевали звук. барьер до 9 мая 1945 года и разваливаться не думали.

  • 13. 21st April 2008, 08:46 // Читатель Chariot82 написал:

    Хм интересно а как тогда они выходили из таково пикированья на такой скорости? как там можно выйтис такой скорости на таком самолёте? и чтоб он не развалился наш то “фанерный” самолётик…

  • 14. 18th September 2008, 23:20 // Читатель Алексей написал:

    Про хлопок слышал, оказыветься имел не правильное представление =) А вот про дымку никогда не слышал.

  • 15. 16th January 2009, 13:34 // Читатель skelterer написал:

    по поводу “первого заблуждения” вы написали ерунду. Вы ввели в заблуждение половину интернета! С какой стати у вас звуковые волны на рисунке распространяются не сферически? Если вы нарисуете правильно, то увидите, что внутри конуса ПРИСУТСТВУЕТ звук – то есть человек, попав в конус, слышит рокот (звук двигателя, сильно пониженный в тоне за счет эффекта допплера).

  • 16. 16th January 2009, 17:23 // Александр Венедюхин ответил:

    звуковые волны на рисунке распространяются не сферически

    Смешно, спасибо. Там, кстати, ещё и самолёт дозвуковой нарисован – разберите его модель, пожалуйста. Ага.

    (В заблуждение, конечно, рисунок никого не вводит, потому что схема верная.)

  • 17. 16th January 2009, 20:06 // Читатель зашел в гости написал:

    “…абсолютно дозвуковые Ла-5 и Ла-7 в пикировании, если лётчик давал макс. обороты, преодолевали звук. барьер до 9 мая 1945 года и разваливаться не думали…”

    Ну-Ну. Прям так вот и преодолевали.
    В 40-х/50-х годах англичане экспериментировали с максимальной скоростью “спитфайра” и ничего хорошего не добились. Экспериментальные самолеты были специально переоборудованы для этих полетов (например, специально сконструированными пропеллерами). С трудом верится, что строевой Ла-5/7 с легкостью делал то, чего не мог достичь экспериментальный “спитфайр”…