Сверхзвуковая скорость км ч: что такое звуковой барьер, что за хлопок происходит во время его преодоления самолетом

что такое звуковой барьер, что за хлопок происходит во время его преодоления самолетом

Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва.

В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.

Величина сверхзвуковой скорости полета

Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто.

Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.

Величина сверхзвуковой скорости полета

На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.

Особенности сверхзвукового полета

Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению.

Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.

После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.

Чарльз Йегер

На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.

Вы когда-нибудь слышали хлопок от самолета, переходящего сверхзвуковой барьер?

ДаНет

Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?

Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).

Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.

Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.

Российский пассажирский сверхзвуковой самолет

Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.

ТУ-144

 

Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия

Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.

Валькирия» XB-70

Когда вернутся в небо сверхзвуковые пассажирские самолеты — Российская газета

Самолеты летают сегодня не быстрее 900 км/ч. А расчеты специалистов показывают: сверхзвуковой бизнес-джет может преодолевать за час 1900 км. И даже больше. Какие перспективы для делового мира! Однако просто поднять скорость в 2-2,5 раза еще полдела: новый сверхзвуковой пассажирский самолет должен быть тихим. Чтобы пролетел — не заметили. Задача суперамбициозная, над которой ломают головы авиаконструкторы всего мира. Но до нее ли в пандемию? Об этом говорим с генеральным директором ЦАГИ, член-корреспондентом РАН Кириллом Сыпало.

Кирилл Иванович, из-за пандемии коронавируса мировая авиация переживает настоящий коллапс. До сверхзвуковых ли самолетов сегодня?

Кирилл Сыпало: Да, авиакомпании несут огромные убытки. Но, как ни странно, именно пандемия акцентировала внимание на развитии авиации малой вместимости. Бизнес-авиация в сверхзвуковом исполнении очень интересна как раз с точки зрения экономической, социальной перспективы. Про большие самолеты мы пока не говорим. Там слишком много нерешенных проблем. Хотя всем очевидно: создание нового коммерчески эффективного сверхзвукового пассажирского самолета — самый большой вызов для современной мировой гражданской авиации.

А сверхзвуковой бизнес-джет — на сколько пассажиров?

Кирилл Сыпало: По разным оценкам, от четырех до 18. В зависимости от ряда решенных научно-технических проблем и существующих технологий.

После Ту-144 и «Конкорда» попытки создать небольшой пассажирский сверхзвуковик не оставляют в разных странах. Чем наш самолет будет отличаться от западных аналогов?

Кирилл Сыпало:

К маю будущего года мы должны представить примерные облики таких летательных аппаратов. Это предусмотрено планом научно-исследовательской работы «Комплексный научно-технологический проект разработки научно-технического задела в обеспечение создания сверхзвукового гражданского самолета», к которой в текущем году приступил НИЦ «Институт им. Н.Е. Жуковского».

Бизнес-авиация в сверхзвуковом исполнении очень интересна с точки зрения экономической, социальной перспективы

В рамках заключенного с минпромторгом госконтракта формируется соответствующий набор критических технологий. Именно они будут отличать наш вариант самолета. Это уникальные воздухозаборники для двигателей, расположенных сверху на фюзеляже. Это уникальная аэродинамическая форма. Это уникальные сопловые аппараты реактивного двигателя в хвостовой части самолета. Все основные компоненты направлены на снижение уровня как шума, так и уровня звукового удара.

ИКАО до сих пор не приняла международные нормы уровня звукового удара. Хотя говорится об этом уже давно. Почему все затянулось?

Кирилл Сыпало: Это очень серьезный момент. Свой взгляд на развитие сверхзвуковой авиации есть у Европы. Свой взгляд у США, Австралии, Японии, которые летают над океаном. Свой взгляд у нашей страны с ее огромными пространствами. В силу разности территориально-экономических, социальных подходов и нет пока единой позиции у ИКАО как международной организации гражданской авиации.

Формирование норм является первоочередной задачей, в том числе и национальной. Чтобы утвердить приоритет наших исследований, технологий и разработок для данного класса техники. Сейчас превалирует подход: тот, кто успел полетать на демонстраторах или на опытных экземплярах, кто получил уровни шума и звукового удара, тот их и внес в нормы.

Вот так выглядит картина.

А кто-то уже полетал на демонстраторах?

Кирилл Сыпало: Пока никто. Американцы со своими двумя проектами говорили о планах на конец 2020 — начало 2021 года. Но из-за пандемии сроки будут, конечно, смещены.

Говорят, с хорошим двигателем и ворота полетят. Какой мотор нужен для пассажирского сверхзвуковика?

Кирилл Сыпало: Пока в мире оптимальных и рациональных двигателей для сверхзвукового пассажирского самолета нет нигде. Ни в Европе, ни в Штатах, ни у нас. Двигатель, так же как и аэродинамическая форма самолета, должен соответствовать компромиссу: с одной стороны, иметь хорошую экономику, то есть низкий расход топлива, с другой — пониженный уровень шума. Причем на всех этапах полета, начиная со взлета и заканчивая посадкой. В данном случае — не звукового удара, а именно шума. И это довольно противоречивое требование с точки зрения конструкции.

А наш новейший двигатель ПД-14 для дозвукового самолета не может быть здесь кандидатом?

Кирилл Сыпало: Не исключено. Это современнейший двигатель, который не уступает новейшим западным образцам. Создан исключительно российской школой конструкторов. Но для сверхзвуковой машины его надо будет дорабатывать.

Сейчас в рамках нашего Центра мирового уровня «Сверхзвук» поставлена задача — отработать фундаментальные принципы построения таких двигателей. Определить облик двигателя для демонстратора делового самолета, который был бы хотя бы приближен к идеальному компромиссу. Отработкой конструктивных решений занят ЦИАМ им. Баранова, НИЦ им. Жуковского совместно с предприятиями Объединенной двигателестроительной корпорации.

На какие инновационные материалы делают основную ставку ученые и конструкторы?

Кирилл Сыпало: Ставка даже не на материалы, а на синергию материалов, технологий и конструкций, которые обеспечат заданные качества. Прежде всего мы говорим о металлокомпозитных конструкциях. Это отдельная новелла в области авиационных материалов. Потому что надо одновременно научиться работать и со свойствами металлов, и со свойствами композитов, объединенных воедино, в том числе в нетрадиционных конструктивно-силовых схемах. Например, пробионического дизайна.

Форма носовой части самолета не предполагает остекление кабины пилотов. Картинка будет создаваться при помощи систем искусственного зрения

Форма нового сверхзвукового самолета предполагает достаточно вытянутый нос, который с учетом современных требований обеспечения прочности, жесткости конструкции тоже очень сложно сделать в традиционных решениях. Допустим, в том же металле. С другой стороны, на сверхзвуке конструкция начинает нагреваться. Происходит ее удлинение. Для алюминиевых конструкций при скорости свыше двух Махов оно может достигать 30 сантиметров. Это тоже необходимо учитывать. Поэтому проблема комплексная. Она связана с применением оптимальных материалов, оптимальных конструкций и таких же оптимальных технологий.

Как может выглядеть российский сверхзвуковой бизнес-джет? По мнению дизайнеров, и так тоже. Варианты прорабатываются разные.

Вы упомянули пробионические конструкции. Хотя бы в

Сверхзвуковая скорость — Supersonic speed

Скорость, превышающая скорость звука

Сверхзвуковая скорость — это скорость объекта, превышающая скорость звука (  1 Мах ). Для объектов, движущихся в сухом воздухе с температурой 20 ° C (68 ° F) на уровне моря , эта скорость составляет приблизительно 343,2 м / с (1126 футов / с; 768 миль / ч; 667,1 узлов; 1236 км / ч). Скорости, превышающие скорость звука более чем в пять раз (5 Махов), часто называют гиперзвуковой . Полеты, во время которых только некоторые части воздуха, окружающего объект, например концы лопастей ротора, достигают сверхзвуковой скорости, называются трансзвуковыми . Обычно это происходит где-то между 0,8 и 1,2 Маха.

Звуки — это бегущие колебания в виде волн давления в упругой среде. В газах звук распространяется в продольном направлении с разными скоростями, в основном в зависимости от молекулярной массы и температуры газа, а давление оказывает незначительное влияние. Поскольку температура и состав воздуха значительно зависят от высоты, числа Маха для самолетов могут изменяться, несмотря на постоянную скорость движения. В воде при комнатной температуре сверхзвуковой скоростью можно считать любую скорость, превышающую 1440 м / с (4724 фут / с). В твердых телах звуковые волны могут быть поляризованы продольно или поперечно и иметь еще более высокие скорости.

Сверхзвуковое разрушение — это движение трещины быстрее скорости звука в хрупком материале.

Раннее значение

В начале 20 века термин «сверхзвуковой» использовался в качестве прилагательного для описания звука, частота которого превышает диапазон нормального человеческого слуха. Современный термин для этого значения — « ультразвуковой ».

Этимология : Слово сверхзвуковое происходит от двух слов, производных от латинского языка; 1) super: выше и 2) sonus: звук, которые вместе означают выше звука или, другими словами, быстрее звука.

Сверхзвуковые объекты

Считается, что наконечник кнута является первым искусственным объектом, который преодолел звуковой барьер, что привело к характерной «трещине» (на самом деле, небольшой звуковой удар ). Волновое движение путешествия через кнут, что делает его способным достичь сверхзвуковой скорости.

Большинство современных истребителей — это сверхзвуковые самолеты, но были и сверхзвуковые пассажирские самолеты , а именно Конкорд и Туполев Ту-144 . И эти пассажирские самолеты, и некоторые современные истребители также способны совершать суперкруизные движения — условие длительного сверхзвукового полета без использования форсажной камеры . Из-за своей способности выполнять суперкруиз в течение нескольких часов и относительно высокой частоты полетов на протяжении нескольких десятилетий, Concorde тратил больше времени на сверхзвуковые полеты, чем все другие самолеты вместе взятые, со значительным отрывом. После последнего вылета Concorde, совершенного 26 ноября 2003 г., сверхзвуковых пассажирских самолетов в эксплуатации не осталось. Некоторые большие бомбардировщики , такие как Туполев Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer , также обладают сверхзвуковой способностью.

Большинство пуль современного огнестрельного оружия являются сверхзвуковыми, при этом винтовочные снаряды часто движутся со скоростью, приближающейся, а в некоторых случаях значительно превышающей 3 Маха .

Большинство космических кораблей , в первую очередь космический челнок, являются сверхзвуковыми, по крайней мере, на некоторых этапах их входа в атмосферу, хотя влияние на космический корабль уменьшается из-за низкой плотности воздуха. Во время всплытия ракеты-носители обычно избегают перехода на сверхзвуковой уровень ниже 30 км (~ 98 400 футов), чтобы уменьшить сопротивление воздуха.

Обратите внимание, что скорость звука несколько уменьшается с высотой из-за более низких температур (обычно до 25 км). На еще больших высотах температура начинает повышаться, с соответствующим увеличением скорости звука.

Когда надутый шар лопается, оторванные куски латекса сжимаются со сверхзвуковой скоростью, что способствует резкому и громкому хлопку.

Сверхзвуковые наземные машины

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально путешествовал со сверхзвуковой скоростью. Это ThrustSSC , управляемый Энди Грином , который удерживает мировой рекорд скорости на суше, достигнув средней скорости на своем двунаправленном беге 1228 км / ч (763 миль / ч) в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года.

В рамках проекта Bloodhound LSR в 2020 году планируется попытка установления рекорда на месторождении Хакскин Пан в Южной Африке с комбинированным реактивным двигателем и гибридным ракетным двигателем. Цель состоит в том, чтобы побить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, во время которых команда надеется достичь скорости до 1600 км / ч (1000 миль в час). Первоначально эту работу возглавлял Ричард Ноубл, который был лидером проекта ThrustSSC, однако после проблем с финансированием в 2018 году команда была куплена Яном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. В новом проекте сохранены многие из первоначального инженерного состава Bloodhound SSC, а Энди Грин по-прежнему является лидером в попытках установить рекорд, а испытания на высоких скоростях, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.

Сверхзвуковой полет

Сверхзвуковая аэродинамика проще, чем дозвуковая аэродинамика, потому что воздушные листы в разных точках по плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетным кораблям требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолевать дополнительное аэродинамическое сопротивление в околозвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут мягко направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение поперечной площади ниже по транспортному средству приводит к возникновению ударных волн вдоль корпуса. Дизайнеры используют правило сверхзвуковой площади и правило площади Уиткомба, чтобы минимизировать резкие изменения размера.

Источник звука преодолел барьер скорости звука и движется со скоростью, в 1,4 раза превышающей скорость звука, c (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он фактически опережает продвигающийся волновой фронт. Источник звука пройдет мимо неподвижного наблюдателя до того, как наблюдатель действительно услышит создаваемый им звук.

Однако в практических приложениях сверхзвуковой самолет должен стабильно работать как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом профиле, поэтому аэродинамический дизайн более сложен.

Одной из проблем при длительном сверхзвуковом полете является выделение тепла во время полета. На высоких скоростях может происходить аэродинамический нагрев , поэтому самолет должен быть спроектирован для работы и работы при очень высоких температурах. Дюралюминий , материал, традиционно используемый в авиастроении, начинает терять прочность и деформироваться при относительно низких температурах и не подходит для непрерывного использования на скоростях выше 2,2–2,4 Маха. Такие материалы, как титан и нержавеющая сталь, позволяют работать при гораздо более высоких температурах. Например, реактивный самолет Lockheed SR-71 Blackbird может непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что может привести к тому, что температура в некоторых частях самолета может превысить 315 ° C (600 ° F).

Еще одна область, вызывающая беспокойство при устойчивом высокоскоростном полете, — это работа двигателя. Реактивные двигатели создают тягу за счет повышения температуры всасываемого воздуха, и по мере того, как самолет набирает скорость, процесс сжатия на впуске вызывает повышение температуры до того, как она достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопных газов определяется материалами турбины в задней части двигателя, поэтому по мере увеличения скорости самолета разница во впускных и выхлопных температурах, которую двигатель может создать за счет сжигания топлива, уменьшается, как и тяга. Более высокую тягу, необходимую для сверхзвуковых скоростей, приходилось восстанавливать за счет сжигания дополнительного топлива в выхлопе.

Дизайн воздухозаборника также был серьезной проблемой. Необходимо рекуперировать как можно больше доступной энергии поступающего воздуха, что называется рекуперацией на впуске, с использованием ударных волн в процессе сверхзвукового сжатия на впуске. На сверхзвуковых скоростях воздухозаборник должен обеспечивать замедление скорости воздуха без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударных волн , косые / плоские, чтобы расчетная скорость самолета сжимала и замедляла воздух до дозвуковой скорости, прежде чем он достигнет двигателя. Ударные волны размещаются с помощью аппарели или конуса, который может потребоваться регулировка в зависимости от компромисса между сложностью и требуемыми характеристиками самолета.

Самолет, способный работать в течение продолжительных периодов времени на сверхзвуковых скоростях, имеет потенциальное преимущество по дальности полета по сравнению с аналогичной конструкцией, работающей на дозвуковых частотах . Большая часть сопротивления, которое самолет видит при ускорении до сверхзвуковой скорости, происходит чуть ниже скорости звука из-за аэродинамического эффекта, известного как волновое сопротивление . Самолет, который может разогнаться выше этой скорости, значительно снижает сопротивление и может летать на сверхзвуковой скорости с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается сверхзвуковыми средствами, отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, компенсируя или опрокидывая это преимущество.

Ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма самолета в целом, чтобы он был длинным и тонким и приближался к «идеальной» форме, как корпус фон Кармана или Сирс-Хаака . Это привело к тому, что почти каждый сверхзвуковой крейсерский самолет выглядел очень похожим на все остальные, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. Д. Хотя эта форма не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования на бомбардировщиках.

История сверхзвукового полета

Авиационные исследования во время Второй мировой войны привели к созданию первых самолетов с ракетными и реактивными двигателями. Впоследствии появилось несколько заявлений о преодолении звукового барьера во время войны. Однако первый признанный полет с превышением скорости звука пилотируемым самолетом в управляемом горизонтальном полете был выполнен 14 октября 1947 года экспериментальным исследовательским ракетным самолетом Bell X-1, пилотируемым Чарльзом «Чаком» Йегером . Первым серийным самолетом, преодолевшим звуковой барьер, стал F-86 Canadair Sabre с первой «сверхзвуковой» женщиной-пилотом Жаклин Кокран за штурвалом. По словам Дэвида Мастерса, прототип DFS 346, захваченный в Германии Советским Союзом, после того, как был выпущен с B-29 на высоте 32800 футов (10000 м), в конце 1945 года достиг скорости 1100 км / ч, что превышало скорость Мах. 1 на такой высоте. Пилотом этих полетов был немец Вольфганг Цизе.

21 августа 1961 года Douglas DC-8-43 (регистрационный N9604Z) превысил скорость 1 Мах в управляемом пикировании во время испытательного полета на базе ВВС Эдвардс. В состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер-испытатель). Это был первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера, кроме « Конкорда» и Ту-144 .

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

Гиперзвуковая скорость — Hypersonic speed

Сверхзвуковая скорость

CFD- изображение NASA X-43A на скорости 7 Маха Моделирование гиперзвуковой скорости (5 Махов)

В аэродинамике гиперзвуковая скорость — это скорость, которая намного превышает скорость звука , часто указываемую как скорость, равную 5 Махам и выше.

Точное число Маха, при котором можно сказать, что аппарат летит с гиперзвуковой скоростью, варьируется, поскольку отдельные физические изменения в воздушном потоке (например, молекулярная диссоциация и ионизация ) происходят с разными скоростями; в совокупности эти эффекты становятся важными около 5-10 Маха. Гиперзвуковой режим также можно альтернативно определить как скорости, при которых удельная теплоемкость изменяется с температурой потока, поскольку кинетическая энергия движущегося объекта преобразуется в тепло.

Характеристики потока

Хотя определение гиперзвукового потока может быть довольно расплывчатым и, как правило, спорным (особенно из-за отсутствия разрыва между сверхзвуковыми и гиперзвуковыми потоками), гиперзвуковой поток может характеризоваться определенными физическими явлениями, которые нельзя более аналитически игнорировать, как в сверхзвуковом потоке. . Особенности гиперзвуковых течений заключаются в следующем:

1. Ударный слой
2. Аэродинамический обогрев
3. Энтропийный слой
4. Эффекты реального газа
5. Эффекты низкой плотности
6. Независимость аэродинамических коэффициентов от числа Маха.

Малое расстояние отрыва от удара

По мере увеличения числа Маха тела плотность за головной ударной волной, создаваемой телом, также увеличивается, что соответствует уменьшению объема за ударной волной из-за сохранения массы . Следовательно, расстояние между головной ударной волной и телом уменьшается с увеличением числа Маха.

Энтропийный слой

По мере увеличения числа Маха, то энтропия изменения поперек шока также увеличивается, что приводит к сильному энтропии градиента и высоко вихревое поток , который смешивается с пограничным слоем .

Вязкое взаимодействие

Часть большой кинетической энергии, связанной с потоком при высоких числах Маха, преобразуется во внутреннюю энергию в жидкости из-за эффектов вязкости. Увеличение внутренней энергии реализуется как повышение температуры. Поскольку градиент давления, нормальный к потоку внутри пограничного слоя, приблизительно равен нулю для гиперзвуковых чисел Маха от низких до умеренных, повышение температуры через пограничный слой совпадает с уменьшением плотности. Это вызывает расширение нижней части пограничного слоя, так что пограничный слой над телом становится толще и часто может сливаться с ударной волной вблизи передней кромки тела.

Высокотемпературный поток

Высокие температуры из-за проявления вязкой диссипации вызывают неравновесные свойства химического потока, такие как колебательное возбуждение, диссоциацию и ионизацию молекул, что приводит к конвективному и лучистому тепловому потоку .

Классификация режимов Маха.

Хотя «дозвуковой» и «сверхзвуковой» обычно обозначают скорости ниже и выше местной скорости звука соответственно, аэродинамики часто используют эти термины для обозначения определенных диапазонов значений Маха. Это происходит потому, что « околозвуковой режим» существует около M = 1, где приближения уравнений Навье – Стокса, используемых для дозвукового расчета, больше не применимы, отчасти потому, что поток локально превышает M = 1, даже когда число Маха набегающего потока ниже этого значения.

«Сверхзвуковой режим» обычно относится к набору чисел Маха, для которого может использоваться линеаризованная теория; например, там, где поток ( воздуха ) не вступает в химическую реакцию и где теплопередача между воздухом и транспортным средством может быть разумно не учтена в расчетах. Обычно НАСА определяет «высокий» гиперзвуковой как любое число Маха от 10 до 25, а скорость входа в атмосферу — как любое число, превышающее 25 Маха. Среди самолетов, работающих в этом режиме, есть Space Shuttle и (теоретически) различные развивающиеся космические самолеты .

В следующей таблице указаны «режимы» или «диапазоны значений Маха» вместо обычных значений «дозвуковой» и «сверхзвуковой».

Режим	Скорость				Общие характеристики самолета
	Мах Нет	миль / ч	км / ч	РС
Дозвуковой	<0,8	<614	<988	<274	Чаще всего винтовые и коммерческие турбовентиляторные самолеты с большим удлинением (тонкими) крыльями и закругленными элементами, такими как носовая часть и передние кромки.
Трансзвуковой	0,8–1,2	614–921	988–1482	274–412	Трансзвуковые летательные аппараты почти всегда имеют стреловидные крылья, которые задерживают расхождение сопротивления, сверхкритические крылья для задержки начала волнового сопротивления и часто имеют конструкции, соответствующие принципам правила площади Уиткомба .
Сверхзвуковой	1,2–5	921–3836	1482–6174	412–1715	Самолет рассчитан на полет на сверхзвуковых скоростях показывают большие различия в их аэродинамической конструкции из — за радикальных различий в поведении потоков жидкости выше Маха 1. Острые края, тонких аэродинамических профилей -сечений, и все движущиеся стабилизатором / утками являются общими. Современные боевые самолеты должны идти на компромисс, чтобы поддерживать управляемость на малых скоростях; «Настоящие» сверхзвуковые разработки включают истребители F-104 и BAC / Aérospatiale Concorde .
Гиперзвуковой	5–10	3836–7673	6174–12350	1715–3430	Охлажденная никелевая или титановая кожа; конструкция является высоко интегрированной, а не собранной из отдельных независимо разработанных компонентов, из-за преобладания эффектов интерференции, когда небольшие изменения в любом из компонентов вызывают большие изменения воздушного потока вокруг всех других компонентов, что, в свою очередь, влияет на их поведение. В результате ни один компонент не может быть спроектирован, не зная, как все другие компоненты повлияют на все воздушные потоки вокруг летательного аппарата, и любые изменения любого компонента могут потребовать перепроектирования всех других компонентов одновременно; маленькие крылья. См. Boeing X-51 Waverider , BrahMos-II , X-41 Common Aero Vehicle , DF-ZF , Hypersonic Technology Demonstrator Vehicle , Шаурья
Высокогиперзвуковой	10–25	7673–19180	12350–30870	3430–8507	Температурный контроль становится основным соображением при проектировании. Конструкция должна быть спроектирована для работы в горячем состоянии или защищена специальной силикатной плиткой или аналогичным материалом. Химически реагирующий поток также может вызвать коррозию обшивки автомобиля, поскольку свободный атомарный кислород присутствует в очень высокоскоростных потоках. Примеры включают 53T6 (17 Махов), Hypersonic Technology Vehicle 2 (20 Махов), DF-41 (25 Махов), HGV-202F (20 Махов), Agni-V (24 Махов) и Авангард (27 Махов). Гиперзвуковые конструкции часто приобретают тупые формы из-за аэродинамического нагрева, повышающегося с уменьшенным радиусом кривизны .
Скорость повторного входа	> 25	> 19030	> 30870	> 8575	Абляционный тепловой экран; маленькие или без крыльев; тупая форма.

Параметры подобия

Категоризация воздушного потока основана на ряде параметров подобия , которые позволяют упростить почти бесконечное количество тестовых примеров в группы подобия. Для трансзвукового и сжимаемого течения только числа Маха и Рейнольдса позволяют хорошо классифицировать многие случаи течения.

Однако для гиперзвуковых течений требуются другие параметры подобия. Во-первых, аналитические уравнения для угла наклона скачка уплотнения почти не зависят от числа Маха при высоких (~> 10) числах Маха. Во-вторых, образование сильных толчков вокруг аэродинамических тел означает, что число Рейнольдса набегающего потока менее полезно для оценки поведения пограничного слоя над телом (хотя оно все еще важно). Наконец, повышенная температура гиперзвуковых потоков означает, что эффекты реального газа становятся важными. По этой причине исследования в области гиперзвука часто называют аэротермодинамикой , а не аэродинамикой .

Введение эффектов реального газа означает, что для полного описания состояния газа требуется больше переменных. В то время как неподвижный газ может быть описан тремя переменными ( давление , температура , показатель адиабаты ), а движущийся газ — четырьмя ( скорость потока ), горячий газ в химическом равновесии также требует уравнений состояния для химических компонентов газа, и газ в неравновесном состоянии решает эти уравнения состояния, используя время как дополнительную переменную. Это означает, что для неравновесного потока может потребоваться от 10 до 100 переменных для описания состояния газа в любой момент времени. Кроме того, разреженные гиперзвуковые потоки (обычно определяемые как потоки с числом Кнудсена выше 0,1) не подчиняются уравнениям Навье – Стокса .

Гиперзвуковые потоки обычно классифицируются по их общей энергии, выраженной как общая энтальпия (МДж / кг), полное давление (кПа-МПа), давление торможения (кПа-МПа), температура торможения (K) или скорость потока (км / с). .

Уоллес Д. Хейс разработал параметр подобия, аналогичный правилу площади Уиткомба , который позволял сравнивать похожие конфигурации.

Режимы

Гиперзвуковое течение приближенно можно разделить на несколько режимов. Выбор этих режимов грубый из-за размытия границ, где можно обнаружить тот или иной эффект.

Идеальный газ

В этом режиме газ можно рассматривать как идеальный газ . Расход в этом режиме все еще зависит от числа Маха. Моделирование начинает зависеть от использования стенки с постоянной температурой, а не адиабатической стенки, обычно используемой при более низких скоростях. Нижняя граница этой области составляет около 5 Махов, когда ПВРД становятся неэффективными, а верхняя граница — около 10-12 Махов.

Двухтемпературный идеальный газ

Это подмножество режима идеального газа, в котором газ можно считать химически совершенным, но вращательную и колебательную температуры газа следует рассматривать отдельно, что приводит к двум температурным моделям. См., В частности, моделирование сверхзвуковых сопел, где важно вибрационное замораживание.

Диссоциированный газ

В этом режиме двухатомные или многоатомные газы (газы, присутствующие в большинстве атмосфер) начинают диссоциировать, когда они вступают в контакт с головной ударной волной, создаваемой телом. Катализ поверхности играет роль в расчете нагрева поверхности, а это означает, что тип материала поверхности также влияет на поток. На нижней границе этого режима любой компонент газовой смеси сначала начинает диссоциировать в точке торможения потока (которая для азота составляет около 2000 K). На верхней границе этого режима эффекты ионизации начинают сказываться на потоке.

Ионизированный газ

В этом режиме заселенность ионизированных электронов застойного потока становится значительной, и электроны необходимо моделировать отдельно. Часто температуру электронов обрабатывают отдельно от температуры остальных компонентов газа. Эта область встречается при скоростях набегающего потока около 3-4 км / с. Газы в этой области моделируются как неизлучающая плазма .

Режим с преобладанием излучения

При скорости выше 12 км / с передача тепла транспортному средству меняется с преобладающей кондуктивной на радиационную. Моделирование газов в этом режиме делится на два класса:

1. Оптически тонкий : газ не поглощает повторно излучение, исходящее от других частей газа.
2. Оптически толстый: излучение следует рассматривать как отдельный источник энергии.

Моделирование оптически тонких газов чрезвычайно сложно, поскольку из-за расчета излучения в каждой точке вычислительная нагрузка теоретически увеличивается экспоненциально с увеличением количества рассматриваемых точек.

Смотрите также

Двигатели

Ракеты

Другие режимы потока

Рекомендации

внешние ссылки

THRUST SSC SUPER SONIC МИР НАЗЕМНЫЙ РЕКОРД САМЫЙ БЫСТРЫЙ РЕАКТИВНЫЙ АВТОМОБИЛЬ

Supersonic Race Status — среда 9 июля 2003 г.

Установлен первый сверхзвуковой мировой рекорд скорости на суше — 763,035 миль в час. 15 октября 1997 года Энди Грин в Thrust SSC, на Black Rock Пустыня Невада. На суше скорость звука превзошла Энди Грин и ThrustSSC. впервые в истории 13 октября 1997 года.

Тяга SSC на скорости в пустыне Джафр, Иордания

ТягаSSC ( S uper S onic C ar) — британский спроектирован и построен реактивный автомобиль разработан Ричардом Благородный, Глинн Баушер, Рон Эйерс и Джерри Блаженство, которое держит землю мира рекорд скорости, установленный 15 октября 1997 года, когда он достиг скорости 1228 км / ч (763 миль / ч) и стал первым наземным транспортным средством, официально преодолеть звуковой барьер, не считая ранее, но бездоказательное требование Budweiser Ракета.

Машиной управлял командир звена Энди. Зеленый в пустыне Блэк-Рок в Неваде, США. Он был оснащен двумя форсажными двигателями Rolls-Royce Spey, которые использовались в Британские истребители F-4 Phantom II. Его длина составляет 16,5 м (54 фута), Ширина 3,7 м (12 футов), вес 10,5 тонн. Двойные двигатели развил тягу 223 кН (50000 фунтов) и сгорел около 4 Имперские галлоны в секунду (18,2 л / с или 4,8 галлона США / с). Преобразованный в обычные для пробега автомобиля, исходя из его максимальной скорости, топливо расход был около 5 500 л / 100 км или 0.04 миль на галлон.

После того, как рекорд был установлен, World Motor Спортивный совет выпустил следующее сообщение:

Сертифицирован Всемирным советом автоспорта новые мировые рекорды наземной скорости, установленные командой ThrustSSC Ричарда Ноубл, водитель Энди Грин, 15 октября 1997 года в пустыне Блэк-Рок, штат Невада. (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ). Впервые в истории наземный транспорт превысил скорость звука.Новые рекорды следующие:

При установке рекорда звуковой барьер был разбит как на севере, так и на юге.

В 1983 году Ричард Нобл сломал мир рекорд скорости на его более ранней машине Thrust2, который достиг скорости 1018 км / ч (633 миль / ч). И ThrustSSC, и Thrust2 выставлены в Транспортном музее Ковентри в Ковентри, Англия.

В настоящее время американский проект работает над North American Eagle, который был разработан, чтобы сломать ThrustSSC мировой рекорд.

г. Команда ThrustSSC вернулась в Великобританию, выполнив свои задача. Команда Spirit of America покинула Black Rock Desert с приближением погоды. ThrustSSC достиг максимальной скорости через измеренную милю до 766 миль в час с завершенными пробегами. Дух Америки достигла 636 миль в час с запланированными пробегами в будущее.

Spirit of America достиг максимальной скорости 675 миль в час на Черной скале. Пустыня, штат Невада, до аварии во время рекордной попытки в октябре 1996 года.

Thrust SSC — самый мощный и необычный автомобиль из когда-либо созданных разработан для атаки на Land Speed ​​Record, а также как SSC (Super Sonic Car) в названии указывает, что он также является одним из первых с реальным потенциалом нарушить звуковой барьер.

В разрезе чертеж Thrust SSC

Где Thrust 2 использовал тягу 17000 фунтов Двигатель Rolls-Royce Avon 302 от истребителя Lightning, Thrust SSC — первая машина, использующая два турбореактивные. Первоначально это будут Rolls-Royce Spey 202 от Истребитель-фантом, каждый из которых производит тягу 20 000 фунтов. Ричард Ноубл имеет приобрел два из них, но есть еще два еще более мощных 205 единицы (Тяги 25000 фунтов) для использования, когда ThrustSSC зарекомендовал себя в околозвуковой тестирование.Таким образом, Thrust SSC имеет мощность 1000 Ford Escorts или 145 Formula. Один вагон …

Он весит 10 тонн, и оценки производительности подтверждают, что он будет разгоняться от места до 100 миль / ч (161 км / ч) за четыре секунды или 0-600 миль / ч (1000 км / ч) в 16 секунд. В пределах пяти миль (8 км) он достигнет максимальной скорости 850 миль в час за полминуты.

Ричард Благородная автобиография

Всего Дизайн Двигатели Заднее колесо Рулевая кабина Парашют Тормозная система
Колеса 2, камни 0 — удар между твердыми алюминиевыми колесами о пустынный камень

Энди Зеленый демонтаж Thrust SSC

Ричард Благородный

А — Z СПРАВОЧНИК ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ МОТОРОВ

Снижение воздействия звуковой стрелы за счет рассеивания ударных волн

1. Введение

Первым пилотируемым самолетом, который превысил скорость звука в горизонтальном полете, был американский самолет X-1 производства Bell Aircraft Corporation [1]. 14 октября 1947 года самолет Х-1 был запущен с воздуха на высоте 7000 м из бомбового отсека Боинга В-29 и затем поднялся на испытательную высоту 13000 м. Пилотируемый Чаком Йегером, самолет в горизонтальном полете развил скорость 1127 км / ч (1,06 Маха). С момента первого полета самолет выполнил 78 вылетов и 26 марта 1948 года достиг скорости 1540 км / ч (Мах = 1.45) на высоте 21900 м.

Поскольку в то время ни один реактивный двигатель не был достаточно мощным, самолет Bell X-1 оснащался четырехкамерным ракетным двигателем XLR-11, который создавал статическую тягу 26,5 кН. Это был первый случай, когда звуковой удар был обнаружен как естественное явление, создаваемое самолетом, преодолевшим звуковой барьер. По сути, звуковой удар — это проявление ударных волн, создаваемых сверхзвуковым самолетом, воспринимаемых на уровне земли.

После этого важного события было разработано и серийно выпущено множество сверхзвуковых самолетов исключительного военного назначения в наиболее технологически развитых странах.Одновременно явление звукового удара интенсивно исследовалось с теоретической и экспериментальной точек зрения [2, 3, 4, 5, 6].

Вначале из-за того, что сверхзвуковые полеты интересовали исключительно военного назначения, экологическое воздействие звукового удара не принималось во внимание.

Однако 2 марта 1969 г. состоялся первый полет сверхзвукового пассажирского самолета «Конкорд». Этот самолет производили французская компания Aerospatiale и British Aircraft Corporation (BAC).Concorde был достаточно большим самолетом (намного больше, чем обычный военный сверхзвуковой самолет), чтобы выявить чрезвычайно сильное негативное воздействие на окружающую среду звукового удара [7]:

Длина: 62,19 м

Размах крыла: 25,6 м

Высота: 12,19 м

Масса пустого: 79 260 кг

Вместимость: макс. 144 пассажира

Максимальная скорость: 2,04 Маха (≈2179 км / ч) на крейсерской высоте

Крейсерская скорость: 2,02 Маха (≈2158 км / ч) на крейсерской высоте

Дальность полета: 7222.8 км

Практический потолок: 18 290 м

24 октября 2003 г. Concorde выполнила свой последний рейс, покинув рынок самолетов и воздушное пространство. Важной причиной было воздействие произведенного звукового удара на окружающую среду / сообщество.

Этот факт повысил интерес к уменьшению воздействия звукового удара. Так, по этой теме были написаны важные статьи [8, 9, 10, 11], а ряд решений по уменьшению звукового удара был запатентован [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18].

В последнее время на рынке самолетов произошло важное изменение: начался высокий спрос на сверхзвуковые бизнес-джеты и постоянный рост интереса к сверхзвуковым пассажирским перевозкам, сверхзвуковым и гиперзвуковым авиалайнерам.

Важной проблемой, создаваемой сверхзвуковыми самолетами, является эффект звукового удара на уровне земли. Звуковая стрела представляет собой N-образное распределение давления, которое охватывает землю, когда самолет летит со сверхзвуковой скоростью. Чем ниже высота полета, тем выше материальный ущерб и неудобства, причиняемые сообществу.

Эта проблема на долгое время блокировала развитие сверхзвуковой гражданской авиации.

Современное состояние решений по уменьшению воздействия звукового удара на уровне земли представлено в главе 2 вместе с недостатками этих решений.

В следующих пунктах этой главы авторы подчеркивают некоторые важные характеристики ударной волны, которые подтверждают новое возможное решение для смягчения воздействия звуковой стрелы на уровне земли: распространение ударной волны в основном за счет вибрации носовой поверхности самолета и передней части крыла. к краю поверхности. Объяснение простое: ударная волна — это установившийся эффект, который возникает при движении самолета с постоянной скоростью. Если эта установившаяся характеристика полета отменяется за счет вибрации указанных поверхностей, ударная волна рассеивается, и ее влияние на уровне земли (известное как «звуковой удар») значительно уменьшается.

2. Уровень техники

Для уменьшения эффекта звукового удара на уровне земли такие компании, как Supersonic Aerospace International, Lockheed, в сотрудничестве с NASA, Boeing, Airbus, Dassault и Aerion Corporation предложили самолеты, имеющие тонкую или изогнутую (форму ) фюзеляжи, и другие конструкторы предложили самолет бипланного типа.

Некоторые конструктивные решения представлены на рисунках 1 и 2 [19]. Длинный самолет с небольшим поперечным сечением (рис. 1) требует слишком большой посадочной дистанции, а пространство для пассажиров внутри фюзеляжа мало.Тем не менее, похоже, что в настоящее время авиастроители стали отдавать предпочтение этому решению. Это предпочтение объясняется низкими производственными затратами, поскольку не требуется значительного изменения существующей технологии.

Рисунок 1.

Усовершенствованная концепция Lockheed Martin [19].

Рисунок 2.

Продвинутая концепция Northrop Grumman [19].

Очевидно, изогнутый фюзеляж (рис. 2) сильно мешает воздушному потоку, обтекающему самолет.В результате для полета требуется больше мощности. В то же время изогнутый фюзеляж значительно увеличивает стоимость производства самолетов.

В течение очень долгого времени предпочтительным было решение «формования». Согласно этому решению, формирование фюзеляжа приводит к изменению формы волны «N» на уровне земли и смягчению ее воздействия.

Теория смягчения звукового удара посредством формирования была создана в 1960–1970-х годах в статьях, написанных Сибассом, Карлсоном и Дарденом [8, 20, 21].Эта теория не была доказана до 2002 года.

В 2002 году Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) выбрало несколько компаний для участия в Фазе II программы Тихой сверхзвуковой платформы (QSP) [22]. Выделенные средства на исследования составили около 9 миллионов долларов США. Были выбраны следующие компании:

• Lockheed Martin, Advanced Development Company, Палмдейл, Калифорния

• Northrop Grumman Corporation, Эль-Сегундо, Калифорния

• Государственный университет Аризоны, Темпе, Аризона

• General Electric , Цинциннати, Огайо

Эти системные интеграторы обновили конструкции и технологии своих самолетов и двигателей; выполнили проверку их дизайна, полезности и анализа затрат; и разработаны дорожные карты развития технологий.

Корпорация Northrop Grumman Corporation получила дополнительные средства для проведения демонстрационных полетов по устранению воздействия прямого звукового удара с использованием модифицированного самолета F-5E.

Специальная носовая перчатка была разработана для модификации самолета для создания профиля звуковой стрелы определенной формы с меньшим воздействием на землю. Перед демонстрацией полета испытания, проведенные в аэродинамической трубе, подтвердили расчетные предсказания сигнатуры звукового удара для модифицированного самолета F-5E. Серия летных испытаний подтвердила прогнозируемую устойчивость акустических ударов определенной формы.

Эта программа была очень важной, потому что она впервые продемонстрировала, что самолет соответствующей формы может смягчить звуковой удар.

Экспериментальный самолет F-5E, модифицированный Northrop Grumman Corporation (названный F-5 Shaped Sonic Boom Demonstrator (SSBD)), представлен на Рисунке 3 [23].

Рис. 3.

Самолет F-5E, модифицированный Northrop Grumman [23].

Теория доказала свою работоспособность при практическом проектировании, производстве, полете и атмосферных условиях.Результаты испытаний подтвердили, что формирование было успешным в изменении сигнатуры звукового удара на земле. Наземные измерения совпали с прогнозами (измененная форма волны с плоской вершиной относительно немодифицированного транспортного средства с N-волной, рис. 4) [23]. На рисунке 4 видно, что волна «N» больше не является резкой в ​​случае фигурной носовой части F-5 SSBD (синяя линия) по сравнению с немодифицированным самолетом F-5E (красная линия). Во время этого эксперимента технология уменьшения звукового удара работала, создавая звуковой удар определенной формы, подтверждая, что удары могут быть предотвращены от слияния до земли.

Рис. 4.

Первое измерение самолета со звуковой стрелой в форме F-5E, модифицированного Northrop Grumman [23].

Изображение модифицированного самолета с рис. 3 сразу показывает важные недостатки этого решения, влияющие на аэродинамические характеристики, прочность, вес, полезный объем и стоимость изготовления самолета. Приемлемого компромисса найти трудно, особенно в случае больших пассажирских самолетов.

Эти недостатки формообразующего решения привели авиастроителей к созданию сверхзвуковых самолетов с очень тонкими фюзеляжами.Ожидается, что первым сверхзвуковым бизнес-джетом станет Aerion AS2, который выйдет на рынок в 2023 году (рис. 5) [24].

Рис. 5.

Сверхзвуковой бизнес-джет Aerion [24].

Основные характеристики этого самолета [24]:

Суперкруизный режим: 1,4 Маха

Крейсерский полет без стрелы: 1,1–1,2 Маха

Крейсерский полет на большие расстояния: 0,95 Маха

Макс. дальность, 1,4 Маха: 7780 км

Макс. дальность, Маха 0,95: 10000 км

Площадь крыла: 140 кв.м

Внутренние размеры:

Высота: 1.9 м

Ширина: 2,2 м

Длина кабины: 9,1 м

Внешние размеры:

Длина: 51,8 м

Размах крыла: 23,5 м

Высота: 6,7 м

Количество топлива: 26 800 кг

Взгляд на длины кабины (9,1 м) и самолета (51,8 м), можно сразу увидеть один из наиболее важных недостатков этого решения: пространство для пассажиров чрезвычайно мало из-за того, что фюзеляж самолета должен быть очень тонким и долго.

3. Теория акустики: краткий обзор

В 1918 году румынский ученый Джордж Константинеску опубликовал Теорию акустики [25].В этой книге представлена ​​новая теория использования волн в производстве, переносе и преобразовании механической энергии, а также экспериментальное подтверждение. Константинеску применил свою теорию к продольным волнам давления, распространяющимся через жидкости, которые заполняют металлические каналы. Эти каналы действуют как «волноводы» (см. Рисунок 6). Поршень 1 колеблется синусоидально и создает продольные волны давления a. Эти волны распространяются через жидкость b, которая заполняет канал 2, и приводит в действие ведомый поршень 3.Поршни 1 и 3 будут колебаться с одинаковой частотой. Кривошипные передачи 4 обеспечивают непрерывное движение поршней. Этот метод передачи энергии основан на сжимаемости жидкости. Разность фаз между поршнями 1 и 3 зависит от соотношения длины канала и длины волны. Если это соотношение является нечетным числом, поршни 3 и 1 колеблются противоположно (т. Е. Разность фаз равна π). Количество передаваемой мощности пропорционально давлению жидкости в воздуховоде.Наконец, Джордж Константинеску продемонстрировал, что звуковые волны действуют как переменный ток, и построил множество волновых генераторов и звуковых двигателей мощностью в десятки кВт. Частоты звуковых волн, используемых для передачи энергии, могут составлять от нескольких десятков до десятков тысяч Гц.

Рисунок 6.

Основной принцип теории акустики [25].

4. Новое решение для подавления звукового удара

Это новое решение было впервые предложено в предыдущей статье авторов [26].Он заключается в рассеивании ударной волны во время ее генерации самолетом в сверхзвуковом полете, что приводит к распространению волны «N» (звуковой удар) на гораздо большую площадь на уровне земли. Таким образом, влияние звукового удара на сообщество значительно снижается.

Это решение предлагает авиаконструкторам возможность создавать сверхзвуковые летательные аппараты с большим пространством в фюзеляже и перевозкой большего количества пассажиров.

4.1 Основы нового решения

Новое предлагаемое решение для уменьшения воздействия звукового удара основано на следующих наблюдениях:

1. Ударная волна представляет собой стационарный эффект, который появляется, когда скорость самолета превышает скорость звука в воздухе.

2. Для низких значений числа Маха. (M = 1,… 1,8), малое изменение полуугла α клина, помещенного в сверхзвуковой поток, приводит к большему изменению угла скачка уплотнения β.

Толщина ударной волны крайне мала. Эта толщина зависит от числа Маха, как показано на рисунке 7 [27]. По этой причине, когда ударная волна ударяется о землю, возникает внезапное повышение местного давления воздуха.

Рисунок 7.

Толщина скачка уплотнения [27].

Согласно наблюдению 1, в нормальных условиях ударная волна не может быть устранена, потому что это физический эффект, управляемый законами природы. Однако, если обстоятельства меняются, например, установившееся состояние заменяется переходным состоянием; воздействие звуковой стрелы на поверхность земли будет значительно уменьшено.

Взяв в качестве примера наклонную ударную волну, создаваемую клином, имеющим полуугол α (рис. 8), полуугол β ударной волны определяется формулой. (1) [28].Глядя на уравнение. Из (1) видно, что β зависит от полуугла α и скорости самолета, заданной числом Маха, M:

Рисунок 8.

Косая ударная волна.

cotα = tanβk + 1M22M2sin2β − 1−1E1

Переходное состояние может быть создано двумя способами:

1. Увеличение и уменьшение скорости самолета (число Маха, M)

2. Быстрое увеличение и уменьшение полу- угол α.

Первый способ (а) невозможен по инерции.На самом деле, для всех очевидно, что самолет не может быстро ускоряться и замедляться, потому что тяга двигателей не может быстро увеличиваться и уменьшаться.

Второй способ (б) доступен, если сверхзвуковой самолет оборудован оборудованием для рассеивания ударной волны при полете над населенными пунктами.

В этом случае распространение ударной волны, то есть изменение угла β, происходит за счет периодического изменения полуугла α поверхностей самолета, которые генерируют ударные волны, т. е.е., носовая часть, передняя кромка крыла (LE) и горизонтальное оперение LE.

При горизонтальном полете сверхзвукового самолета его нос создает коническую ударную волну, а крыло и горизонтальное оперение создают наклонные ударные волны.

Таким образом, на уровне земли должны быть слышны три удара, но второй и третий удары расположены очень близко, и практически слышны только два удара.

Во время прохождения трех ударных волн к земле, N-образная волна формируется за счет слияния, ударяясь о землю в виде звукового удара.Эта «N» волна состоит из зоны высокого давления, где максимальное давление составляет + P ₀ , за которой следует зона депрессии, где минимальная депрессия составляет -P ₀ .

4.2 Механическое рассеивание ударной волны с использованием эластичных мембран

В нормальном случае толщина ударной волны δ чрезвычайно мала, как показано на рисунке 7, а длина пятна d «N» волны на уровне земли примерно в два раза больше длина самолета.

Для простоты предположим, что крыло самолета имеет крыло LE в виде клина, которое может непрерывно вибрировать с определенной частотой ν (рисунок 9) [26].

Рисунок 9.

Рассеивание ударной волны по вибрирующим поверхностям [26].

Вибрация поверхности ЛЭ крыла в этом случае осуществляется упругой мембраной, натянутой на ЛЭ крыла. Между крылом и мембраной вводится тонкий слой гидравлической жидкости. Когда импульсы давления определенной частоты ν вводятся в жидкость через отверстия в крыле LE, мембрана начинает вибрировать с той же частотой ν. Импульсы давления могут создаваться звуковым оборудованием, как показано на рисунке 6.В этом случае ведомый поршень 3 на фиг. 6 заменен эластичной мембраной.

Для достижения большой амплитуды вибрации частота инжекции импульсов должна совпадать с первой резонансной частотой мембраны. Резонансная частота мембраны зависит от величины растягивающего усилия этой мембраны над крылом LE.

На рисунке 9 видно, что с увеличением полуугла α увеличивается полуугол β ударной волны, и ударная волна рассеивается на большей площади D> d. Из-за рассеивания толщина ударной волны у земли (S) намного больше, чем толщина ударной волны (δ) в отсутствие вибрации (S >> δ). Распространение ударной волны на большую площадь на уровне земли позволяет значительно снизить максимальное давление p ₀ <

0 и воздействие звукового удара на население.

Согласно наблюдению 2, если число Маха находится в пределах от 1 до 1,8 (случай наиболее продолжающихся проектов сверхзвуковых бизнес-джетов), небольшое изменение полуугла α приводит к большому изменению полуугла β.В зависимости от числа Маха изменение β может быть даже в несколько раз больше, чем изменение α. Этот физический эффект дает важное преимущество: на уровне земли рассеянная ударная волна распространяется на сотни метров. Например, если самолет летит горизонтально со скоростью M = 1,3, а полуугол крыла LE равен α = 5 °, полуугол β, рассчитанный по формуле. (1) составляет β = 59,96 ° [29]. Если полуугол равен α = 6 °, полуугол β рассчитывается по формуле. (1) составляет β = 63,46 ° [29].Таким образом, если изменение полуугла клина составляет Δα = 6 ° — 5 ° = 1 °, изменение полуугла β составляет Δβ = 63,46 ° — 59,96 ° = 3,5 °, то есть намного больше, чем Δα.

Предположим, что M = 1,3, Δα = 1 ° и Δβ = 3,5 ° (0,061 рад). Если самолет летит на высоте H = 15 000 м, дисперсия ударной волны определяется формулой. (2):

S = H ∙ Δβ = 15000 ∙ 0,061 = 915mE2

Если сверхзвуковой самолет имеет длину 20 м, естественный след волны «N» от земли составляет 40 м. Нетрудно увидеть, что за счет рассеивания зона покрытия увеличивается примерно в 23 раза с 40 до 915 м.

Однако можно получить еще большие расстояния рассеяния S, если конструктивно принять полуугол α крыла LE равным α _lim для отрыва косой ударной волны. Для данной сверхзвуковой крейсерской скорости M, если полуугол α крыла LE увеличивается за счет вибрации, лишь немногим больше α _lim , создается чрезвычайно большое изменение полуугла β ударной волны. Это происходит потому, что, когда полуугол α превышает α _lim , наклонная ударная волна отрывается, как показано на рисунке 10 [26].

Рисунок 10.

Отрыв ударной волны [26].

Результаты расчетов с использованием [29] приведены в таблице 1.

501

M	α lim [°]	β перед [°]	β после [°]	Δβ [°]	S [м]
1,300	6,650	68,59	90	21,41	5602
12,125	65,80	90	24,20	6332

Таблица 1.

Изменение β при α = α _lim .

Как видно из таблицы 1, дисперсия ударной волны на уровне земли составляет тысячи метров.

Для M = 1,501, если угол конуса равен α = 12,125 °, изменение Δα = 0,025 ° теоретически приводит к преобразованию наклонной ударной волны в отделившуюся ударную волну (головную ударную волну).

Конечно, держать под контролем такой процесс — прекрасная задача, но ее можно решить, если управлять им с бортового компьютера самолета.

Важный вопрос заключается в следующем:

Какая частота колебаний ν может быть наиболее эффективной? Это трудный вопрос. Совершенно очевидно, что влияние низкой частоты, скажем 1 Гц, не оказывает значительного влияния на дисперсию ударной волны, потому что вибрация слишком медленная. Продолжительность естественной волны «N» составляет около 0,1 с. Вероятно, период колебаний мембраны T должен быть меньше 0,1 с, то есть частота колебаний должна быть больше ν = 1 / T = 1 / 0,1 с = 10 Гц.

В настоящее время нет теории относительно того, сколько может быть этой частоты. По этой причине эксперименты — следующий необходимый шаг. Некоторые эксперименты, имеющие приемлемую цену, представлены в пункте 5.

4.3 Механическое рассеивание ударной волны с помощью упругих обтекателей

Очевидно, что нанесение эластичных мембран на носовую часть и крыло ЛЭ самолета — сложная технология. Вместо этого дизайна новый можно увидеть на рисунках 11 и 12 [30]. На этот раз мембрану заменяет эластичный обтекатель из тонкого композитного углеродного волокна, фиксируемый носовой частью самолета или крылом LE.При изменении давления в воздушном коллекторе (например, синусоидальное изменение с частотой ν = 10 Гц) на упругий обтекатель возникают местные силы, определяющие его колебания. Изменение давления должно быть равным резонансной частоте упругого обтекателя для получения максимальной амплитуды колебаний при минимальной пневматической мощности.

Рис. 11.

Принципиальная схема распространения ударной волны за счет вибрации упругих обтекателей сжатым воздухом [30].

Рисунок 12.

Вид на крыло с упругими обтекателями на ЛЭ для рассеивания ударной волны [30].

Тестирование такого решения имеет приемлемую цену при использовании следующих двух методов.

5. Предлагаемые экспериментальные испытания для проверки концепции

Эффект рассеивания ударной волны за счет механических колебаний может быть испытан в сверхзвуковой аэродинамической трубе. В пунктах 4.1 и 4.2 предлагается два испытательного оборудования.

Существующие методы, такие как шлирен-фотография, хороши для наблюдения за дисперсией ударных волн в сверхзвуковой аэродинамической трубе.

5.1 Испытательное оборудование № 1

В этом оборудовании используется клин, состоящий из двух упругих пластин, приводимых в действие электромагнитом (см. Рисунок 13) [26].

Рисунок 13.

Схема испытательного оборудования №1. 1 [26].

Состав экспериментального оборудования № 1:

При питании электромагнита переменным током с частотой ν, равной резонансной частоте ламелей, ламели вибрируют с максимальной амплитудой. Частоту вибрации можно изменить, если изменить массу двух стальных деталей.При увеличении веса стальной детали резонансная частота ламелей уменьшается, и наоборот. Другая роль стальной детали заключается в увеличении силы притяжения электромагнита на ламели.

Во-первых, ударная волна наблюдается в окне сверхзвукового аэродинамического туннеля на различных скоростях, когда электромагнит не включен. Положение ударной волны сфотографировано шлиреном для различных значений числа Маха.

После этого электромагнит приводится в действие переменным током, имеющим частоту ν, равную резонансной частоте ламели, и ударная волна снимается шлирен-фотографией с тем же числом Маха, что и раньше (когда электромагнит не был задействован).

Для каждого измерения ударная волна должна иметь переменный конус и толщину в зависимости от частоты вибрации и числа Маха.

5.2 Испытательное оборудование № 2

№ испытательного оборудования. 2 сложнее, чем испытательное оборудование № 2. 1. Обычно его следует использовать в качестве второго шага, если во время использования оборудования № 1.

Это оборудование представлено на рисунке 14 [26]. Компонентов экспериментального оборудования нет. 2:

Рисунок 14.

Испытательное оборудование № 2 [26].

Звуковой генератор посылает импульсы давления в главный канал, содержащий гидравлическую жидкость. Импульсы давления propa

Сверхзвуковая скорость | Статья о сверхзвуковой скорости от The Free Dictionary

«Баумгартнер потенциально может побить четыре мировых рекорда, таких как достижение сверхзвуковой скорости в свободном падении (преодоление звукового барьера), самый высокий пилотируемый полет на воздушном шаре, самый длинный свободный полет и свободное падение с большой высоты», — заявил вчера представитель Red Bull.Ракета совершила крутое пикирование со сверхзвуковой скоростью. После прыжка с заданной высоты будет выпущен тормозной парашют, чтобы стабилизировать тело Баумгартнера под постоянным углом, пока он свободно падает со сверхзвуковой скоростью; в то время как наземный экипаж будет отслеживать его положение во время полета с помощью технологии GPS и множества телескопов; Самолет будет определять местонахождение его на земле. Новые заводы будут оснащены центрифугами нового поколения, которые вращаются со сверхзвуковой скоростью для обогащения урана, а объекты будут спрятаны в горах, чтобы защитить их от «любых атак», — добавил он.Япония стремилась приобрести F-22 в качестве основного истребителя следующего поколения из-за способности малозаметного реактивного самолета уклоняться от обнаружения радаров, его мобильности на сверхзвуковой скорости и его использования в США. Ни один звук не достигнет его. Его тишина нарушается только местными звуками из кабины (которая также распространяется со сверхзвуковой скоростью). Базирующаяся в Оксфорде, Англия, компания PowderMed разработала технологию, которая доставляет покрытые ДНК частицы золота в кожу со сверхзвуковой скоростью.Достигнув кожи, частицы активируют клетки, которые, в свою очередь, вызывают иммунный ответ. Водителем является командир крыла Энди Грин, который в 1997 году установил мировой рекорд наземной скорости, проехав ThrustSSC на сверхзвуковой скорости 763,035 миль в час.