Волновой кризис

Звуковой барьер — образное название ряда разных явлений, сопровождающих движение летательного аппарата на скоростях близких к скорости звука или превышающих её. В научной практике этого названия избегают.

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Фотография ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе. (Аэродинамическая лаборатория NASA)

Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом.
Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны самолёт не слышен.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна, (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.
На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока – его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (10-30М) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьезные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями, (например, Спэйс Шаттл «Коламбия» погиб 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).
Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α связан с числом Маха соотношением:

$sin(\alpha)=\frac {1} {M}$

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенное заблуждение, будто бы это – следствие достижениия самолётом в этот момент скорости звука, «преодоление звукового барьера». На самом деле это – прохождение мимо наблюдателя ударной волны, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолета, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им.

Волновой кризис

Волновой кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. (Скорость звука зависит от температуры газовой среды, и на высоте свыше 5000м, где температура опускается ниже -20°С, может оказаться ниже 300м/с т.е менее 1080км/час, смотри также число Маха). При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время, и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

«Сэр, наши самолеты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем «Мустанге» спикировал на Me-109. Мой самолет затрясся, словно пневматический молоток и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину...» [1]

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки – скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни выражение, не лишённое мистики, – «звуковой барьер» (На французском языке — «Mur du son» — «звуковая стена». Так же переводится и немецкое «Schallmauer».). Пессимисты утверждали, что это предел – «его же не преи́деши». Энтузиасты, рискуя жизнью, бесстрашно бросались на штурм магического «барьера», умножая число жертв. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока. (Благодаря этим зонам и образуется подъёмная сила летательного аппарата на дозвуковых скоростях.) Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука. Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно — с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика — перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация. Это явление получило название волнового кризиса. Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой (число Маха M>1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (См.Ударная волна, вызванная летательным аппаратом).

Пилоты, пытавшиеся преодолеть «звуковой барьер», пикируя с большой высоты, чтобы воспользоваться сложением тяги двигателя с силой тяжести самолёта, становились жертвами волнового кризиса – попав в него, они не могли вывести из пикирования самолёт, потерявший управление.

Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные, как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, – в частности – треугольное в плане крыло с ромбовидым или треугольным профилем. (Cм. Ту-144)

Дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (более 800км/час.), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. (Cм. Ту-134. Сравнить с прямыми крыльями истребителей Второй мировой «Мустанга» и Me-109. У них на высоте волновой кризис начинался со скоростей 700-750 км/час. Реактивный Мессершмитт Me.262 имел стреловидное крыло, благодаря чему он без проблем развивал скорость свыше 800 км/час, и получил прозвище «Швальбе» — ласточка.)

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полетов вкратце сводятся к следующим:

• На дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис. (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта)
• Винтовой самолёт в горизонтальном полёте не может достичь скорости, превышающей скорость звука, поскольку воздушный винт в зонах волнового кризиса и ударной волны недейственен.
• Переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.

Исторический факт

Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом горизонтальном полёте, был американский лётчик-испытатель Чак Йегер, на экспериментальном самолёте Bell X-1 с ракетным двигателем XLR-11. Это произошло 14 октября 1947 года.

Библиография

См. также

• Ударная волна
• Скорость звука
• Сверхзвуковая скорость
• Эффект Прандтля — Глоерта

Ссылки

• Теоретические и инженерные основы аэрокосмической техники.
• Волновой кризис.
• Что такое звуковой барьер