Чому при подоланні звукового бар’єру чується бавовна?
Чому при подоланні звукового бар’єру чується бавовна?
Напевно багатьом доводилося чути про таємниче звуковий бар’єр, який долають винищувачі і бомбардувальники, а також надзвукові ракети. Що це за бар’єр, можна його побачити візуально і що є причиною гучного вибухоподібного звуку?
Що таке звуковий бар’єр?
Звуковий бар’єр в області аеродинаміки – це технічні труднощі, які виникають в результаті явищ, пов’язаних з пересуванням літального апарату на швидкості дорівнює або перевищує швидкість звуку.
Потрібно розуміти, що це не реальна перешкода, яку повинен подолати літак, ніби якусь невидиму стіну, а більше абстрактне поняття. Воно виникло в той час, коли в авіації лише замислювалися про літальних апаратах, які можуть переміщатися на високій швидкості – надзвуковий. Багато хто навіть наполягали на недосяжності подібних результатів.
Що таке швидкість звуку?
Швидкість звуку – це швидкість, з якою поширюються пружні хвилі в певному середовищі. Даний показник змінюється в залежності від середовища. Наприклад, швидкість звуку в повітрі – 331 м/с або 1191,6 км/год.
Подолання швидкості звуку
Як же відбувається подолання звукового бар’єру? Літак злітає і поступово розганяється все сильніше. Його обтікає надзвуковий повітряний потік, в результаті чого в носовій частині утворюється ударна хвиля. Їх може бути декілька – в залежності від форми літального апарату.
Схема утворення ударної хвилі
В даній галузі тиск і щільність повітряного середовища різко підвищується. У момент, коли літак перевищує швидкість звуку, він проходить через цю область і виникає звук гучного бавовни, який схожий на постріл. Пілот в кабіні ніяких звуків не чує – про подолання звукового бар’єру він дізнається тільки за спеціальним датчикам. Також відчутні зміни в плані керування літаком.
Гучний вибух бавовна – це звуковий удар. Його можна почути, стоячи на поверхні землі, коли літак летить на надзвуковій швидкості неподалік. Ударні хвилі, які він утворює, візуально можна представити у вигляді конуса, супроводжуючого літальний апарат. Вершина конуса розташований в носовій частині. Хвилі поширюються від неї на великі відстані.
Слух людини, що стоїть на землі, вловлює межі цього уявного конуса. Різкий стрибок тиску сприймається як вибухоподібний бавовна. З моменту подолання бар’єру звуковий удар постійно супроводжує літак. Однак бавовна буде чути кожен раз, коли він пролітає над фіксованою точкою поверхні.
Так як літак рухається швидше звуку, спершу спостерігач почує бавовна і тільки після цього шум двигуна.
Звуковий удар досягає спостерігачаЦікавий факт: з подоланням звукового бар’єру часто пов’язують виникнення білого хмари у хвостовій частині літака. Однак до звукового бар’єра воно відношення не має. Йдеться про ефект Прандтля-Глоерта – конденсації вологи відразу за рухомим літаком.
Проблеми надзвукового польоту
Як би не розганявся звичайний літак, він не зможе тривалий час летіти на надзвуковій швидкості. Дозвукові літаки відрізняються більш плавними і округленими формами. А при польоті на надзвуковий швидкості виникають інші аеродинамічні умови.
Різко збільшується опір повітря, корпус літака нагрівається через тертя. В результаті звичайний літак втратить стабільне управління і може почати руйнуватися прямо в повітрі.
Активно розвиватися надзвукова авіація розпочала в 50-60-х роках. Першим надзвуковим літаком, який випускався серійно, став винищувач North American F-100 Super Sabre. Дана модель вперше здійснила політ у 1953 році.
Створювалися і надзвукові пасажирські літаки, які виконували регулярні рейси. Але їх було всього 2: радянський Ту-144 і англо-французький Concorde.
Надзвуковий пасажирський літак Ту-144
Перевага таких літаків – це подолання великих відстаней за короткий проміжок часу. Також надзвуковий літак переміщається на більшій висоті порівняно із звичайними. Відповідно, повітряний простір не завантажено. Але від їх використання незабаром відмовилися через кілька недоліків:
- ударна хвиля;
- велика витрата палива;
- складність експлуатації;
- шум над аеродромом.
Гучний хлопок – це різкий стрибок тиску перед літаком, що утворюється у момент, коли літак починає рухатися з надзвуковою швидкістю (долає звуковий бар’єр). Ударна хвиля, що виникає перед літаком, поширюється конусоподібна. Людина, що спостерігає за польотом літака, чує бавовна, коли ця хвиля досягає його, і лише після цього можна почути роботу двигуна. Ударна хвиля постійно супроводжує літак на надзвуковій швидкості. Однак хлопки буде чути лише під час проходження літака в певній точці – поблизу з спостерігачем.