Zvuková bariéra

Zvuková bariéra  v aerodynamice je název pro řadu technických potíží způsobených jevy, které doprovázejí pohyb letadla (například nadzvukové letadlo , rakety ) rychlostí blízkou nebo přesahující rychlost zvuku .

Rázová vlna způsobená letadlem

Při proudění nadzvukového proudu vzduchu kolem pevného tělesa se na jeho náběžné hraně vytvoří rázová vlna (někdy i více, podle tvaru tělesa). Na fotografii vlevo jsou rázové vlny vytvořené na špičce trupu modelu, na náběžné a odtokové hraně křídla a na zadním konci modelu.

Na čele rázové vlny (někdy též nazývané rázová vlna), která má velmi malou tloušťku (zlomky milimetru), dochází téměř náhle ke kardinálním změnám vlastností proudění - jeho rychlost vůči tělu klesá a stává se podzvukové, tlak v proudu a teplota plynu se prudce zvýší. Část kinetické energie proudění se přemění na vnitřní energii plynu. Všechny tyto změny jsou tím větší, čím vyšší je rychlost nadzvukového proudění. Při hypersonických rychlostech ( Machovo číslo = 5 a více) dosahuje teplota plynu několik tisíc kelvinů , což způsobuje vážné problémy vozidlům pohybujícím se takovou rychlostí (například raketoplán Columbia zkolaboval 1. února 2003 kvůli poškození tepelné ochrany skořápka, která vznikla během letu).

Čelo rázové vlny, jak se vzdaluje od aparatury, postupně nabývá téměř pravidelného kuželovitého tvaru, tlaková ztráta na ní klesá s rostoucí vzdáleností od vrcholu kužele a rázová vlna se mění ve zvukovou vlnu. Úhel mezi osou a tvořící přímkou ​​kužele je vztažen k Machovu číslu vztahem

Když tato vlna dorazí k pozorovateli, který je například na Zemi, uslyší hlasitý zvuk, podobný výbuchu. Obvyklá mylná představa je, že jde o důsledek toho, že letadlo dosáhlo rychlosti zvuku nebo „prolomilo zvukovou bariéru“. Ve skutečnosti v tuto chvíli kolem pozorovatele prochází rázová vlna, která neustále doprovází letadlo pohybující se nadzvukovou rychlostí. Obvykle ihned po „puknutí“ může pozorovatel slyšet hučení motorů letadla, které před průchodem rázové vlny není slyšet, protože letadlo se pohybuje rychleji než zvuky, které vydává. Velmi podobné pozorování probíhá při podzvukovém letu - letadlo letící nad pozorovatelem ve velké výšce (více než 1 km) není slyšet, respektive slyšíme se zpožděním: směr ke zdroji zvuku se neshoduje s směr k viditelnému letadlu pro pozorovatele ze země.

Podobný jev lze pozorovat i při dělostřelecké palbě: pozorovatel pár kilometrů před dělem nejprve uvidí záblesk výstřelu, po chvíli uslyší „hřmění“ letící střely (a pár sekund na to – hluk, který vytváří).

Wave Crisis

Vlnová krize  - změna charakteru proudění vzduchu kolem letadla, když se rychlost letu blíží rychlosti zvuku , doprovázená zpravidla zhoršením aerodynamických charakteristik zařízení - zvýšení odporu , snížení zdvih , výskyt vibrací atd.

Již během druhé světové války se rychlost stíhaček začala blížit rychlosti zvuku. Piloti přitom občas začali pozorovat tehdy nepochopitelné a hrozivé jevy, které se u jejich aut při letu nejvyšší rychlostí vyskytují. Emotivní zpráva pilota amerického letectva jeho veliteli generálu Arnoldovi se zachovala:

Pane, naše letadla jsou už teď velmi přísná. Pokud budou auta s ještě vyššími rychlostmi, nebudeme s nimi moci létat. Minulý týden jsem se potápěl na Me-109 v mém Mustangu . Moje letadlo se otřáslo jako pneumatické kladivo a přestalo poslouchat kormidla. Nemohl jsem ho dostat z jeho ponoru. Jen tři sta metrů od země jsem auto stěží srovnal...

- Wave Crisis // Encyklopedie zbraní [1] .

Po válce, kdy se mnoho leteckých konstruktérů a zkušebních pilotů vytrvale pokoušelo dosáhnout psychologicky významné známky – rychlosti zvuku, se tyto nepochopitelné jevy staly normou a mnohé z těchto pokusů skončily tragicky. Tím ožil výraz „zvuková bariéra“ ( fr.  mur du son , německy  Schallmauer  – zvuková stěna), který nepostrádá mystiku. Pesimisté tvrdili, že není možné překročit tento limit, ačkoli nadšenci, kteří riskují své životy, se o to opakovaně pokoušeli. Rozvoj vědeckých představ o nadzvukovém pohybu plynu umožnil nejen vysvětlit podstatu "zvukové bariéry", ale také najít prostředky k jejímu překonání.

Při podzvukovém proudění kolem trupu, křídla a ocasní plochy letounu se na konvexních úsecích jejich obrysů objevují zóny lokálního zrychlení proudění [2] . Když se rychlost letu letadla blíží rychlosti zvuku, může místní rychlost vzduchu v zónách zrychlení proudění mírně překročit rychlost zvuku (obr. 1a). Po průchodu zrychlovací zónou se proudění zpomaluje s nevyhnutelným vytvořením rázové vlny (toto je vlastnost nadzvukových toků: přechod z nadzvukové na podzvukovou rychlost vždy probíhá nespojitě - s tvorbou rázové vlny). Intenzita těchto rázových vln je nízká - tlaková ztráta na jejich čelech je malá, ale vznikají okamžitě ve velkém množství, na různých místech povrchu aparátu a společně prudce mění charakter jeho proudění se zhoršením v letových vlastnostech: vztlak křídla padá, vzduchová kormidla a křidélka ztrácejí účinnost, aparát se stává neovladatelným, a to vše je extrémně nestabilní, dochází k silným vibracím . Tento jev se nazývá vlnová krize . Když se rychlost vozidla stane nadzvukovou ( M > 1), proudění se opět ustálí, i když se jeho charakter zásadně změní (obr. 1b).

Rýže. 1a. Křídlo v blízkosti toku zvuku. Rýže. 1b. Křídlo v nadzvukovém proudění.

U křídel s relativně tlustým profilem se za podmínek vlnové krize střed tlaku posouvá prudce dozadu, v důsledku čehož se nos letadla „ztěžká“. Piloti pístových stíhaček s takovým křídlem, kteří se snažili vyvinout maximální rychlost ve střemhlavém letu z velké výšky při maximálním výkonu, se při přiblížení ke „zvukové bariéře“ stali obětí vlnové krize – jakmile se do ní dostali, nebylo možné se dostat ven ponoru bez hasicí rychlosti, což je zase při ponoru velmi obtížné. Nejznámějším případem ponoru do střemhlavého letu z horizontálního letu v historii ruského letectví je katastrofa Bachchivandzhi při testu rakety BI-1 v maximální rychlosti. Nejlepší přímočaré stíhačky druhé světové války, jako P-51 Mustang nebo Me-109 , měly vlnovou krizi ve velké výšce při rychlostech 700-750 km/h. Proudové Messerschmitt Me.262 a Me.163 z téže doby přitom měly vymetené křídlo, díky kterému bez problémů dosahovaly rychlosti přes 800 km/h. Letadlo s tradiční vrtulí ve vodorovném letu nemůže dosáhnout rychlosti blízké rychlosti zvuku, protože listy vrtule vstupují do zóny vlnové krize a ztrácejí účinnost mnohem dříve než letadlo. Tento problém dokážou vyřešit nadzvukové vrtule s šavlovými listy, ale v současnosti jsou takové vrtule příliš technicky složité a velmi hlučné, takže se v praxi nepoužívají.

Moderní podzvuková letadla s cestovní rychlostí dostatečně blízkou rychlosti zvuku (přes 800 km/h) jsou obvykle provozována se šikmými křídly a ocasními plochami s tenkými profily, což umožňuje posunout rychlost, při které začíná vlnová krize, směrem k vyšším hodnoty. Nadzvuková letadla, která při nabírání nadzvukové rychlosti musí projít úsekem vlnové krize, mají konstrukční odlišnosti od podzvukových, spojené jak s vlastnostmi nadzvukového proudění vzdušného média, tak s potřebou odolávat zatížení vznikajícím při nadzvukový let a vlnová krize, zejména trojúhelníkové křídlo s kosočtvercovým nebo trojúhelníkovým profilem .

Doporučení pro bezpečný transsonický a nadzvukový let jsou následující:

Termín vlnová krize je také aplikován na plavidla pohybující se rychlostí blízkou rychlosti vln na hladině vody. Rozvoj vlnové krize znesnadňuje zvýšení rychlosti. Překonání vlnové krize lodí znamená vstup do klouzavého režimu (smýkání trupu po hladině vody).

Motory

Konstrukce proudového motoru se mezi nadzvukovými a podzvukovými letadly značně liší. Proudové motory jako třída mohou poskytovat zlepšenou palivovou účinnost při nadzvukových rychlostech, i když je jejich specifická spotřeba paliva vyšší při vyšších rychlostech. Protože jejich rychlost nad zemí je větší, toto snížení účinnosti je menší než úměrné rychlosti, dokud nepřekročí Mach 2 a spotřeba na jednotku vzdálenosti je nižší.

Turboventilátorové motory zlepšují účinnost tím, že zvyšují množství nízkotlakého studeného vzduchu, který urychlují, přičemž využívají část energie běžně používané k urychlování horkého vzduchu u klasického turboproudového motoru bez obtoku . Vrcholným vyjádřením této konstrukce je turbovrtulový pohon , ve kterém je téměř veškerý proudový pohon využíván k pohonu velmi velkého ventilátoru, vrtule . Křivka účinnosti návrhu ventilátoru znamená, že stupeň obtoku , který maximalizuje celkovou účinnost motoru, závisí na dopředné rychlosti, která klesá od vrtulí k ventilátorům a při zvyšování rychlosti se vůbec nemění na obtok. Navíc velká přední plocha, kterou zabírá nízkotlaký ventilátor v přední části motoru, zvyšuje odpor vzduchu , zejména při nadzvukových rychlostech [3] .

Například rané Tu-144 byly poháněny turbodmychadlem s nízkým obtokovým poměrem a byly mnohem méně účinné než proudové letouny Concorde při nadzvukovém letu. Pozdější modely měly proudové motory se srovnatelnou účinností. Tato omezení znamenala, že konstrukce nadzvukových dopravních letadel nebyly schopny využít masivního zlepšení spotřeby paliva, které motory s vysokým obtokem přinesly na trh podzvukových motorů, ale byly již efektivnější než jejich protějšky s podzvukovým turbodmychadlem.

Strukturální problémy

Rychlosti nadzvukových vozidel vyžadují užší konstrukce křídla a trupu a jsou vystaveny většímu zatížení a teplotám. To vede k problémům s aeroelasticitou , které vyžadují těžší struktury pro minimalizaci nežádoucího ohybu. Nadzvuková dopravní letadla také vyžadují mnohem pevnější (a tedy i těžší) konstrukci, protože jejich trup musí být přetlakován s větší tlakovou ztrátou než podzvuková letadla, která neoperují ve velkých výškách potřebných pro nadzvukový let. Všechny tyto faktory dohromady znamenaly, že relativní hmotnost jediného prázdného sedadla v Concordu byla více než třikrát větší než v Boeingu 747.

Nicméně, jak Concorde, tak TU-144 byly vyrobeny z konvenčního hliníku a duralu , zatímco modernější materiály jako uhlíková vlákna a Kevlar jsou mnohem pevnější v tahu kvůli své hmotnosti a jsou také tužší. Protože konstrukční hmotnost na sedadlo je mnohem vyšší v konstrukci nadzvukového dopravního letadla, jakákoli vylepšení povedou k většímu zvýšení účinnosti než stejné změny u podzvukového letadla.

Historická fakta

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Wave Crisis // Encyklopedie zbraní na km.ru  (nepřístupný odkaz)
  2. ↑ Díky těmto zónám vzniká vztlaková síla letadla při podzvukových rychlostech.
  3. ↑ McLean, F. Edward (1985). Technologie NASA SP-472 Supersonic Cruise . NASA.

Odkazy