Ударная волна - Sonic boom
А ударная волна звук, связанный с ударные волны создается всякий раз, когда объект движется по воздуху быстрее, чем скорость звука. Звуковые удары генерируют огромное количество звук энергия, похожая на взрыв или раскат грома к человеческому уху. Трещина сверхзвуковой пуля прохождение над головой или трещина кнут являются примерами звукового удара в миниатюре.[2]
Звуковые удары, производимые большим сверхзвуковым самолетом, могут быть особенно громкими и пугающими, могут разбудить людей и могут вызвать незначительные повреждения некоторых конструкций. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя полностью предотвратить их невозможно, исследования показывают, что при тщательной формовке транспортного средства неудобства из-за звуковых ударов могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать возможным вариантом.[нужна цитата ]
Звуковой удар не происходит только в тот момент, когда объект пересекает скорость звука; и он также не слышен во всех направлениях, исходящих от сверхзвукового объекта. Скорее, стрела - это непрерывный эффект, который возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью. Но это влияет только на наблюдателей, которые находятся в точке, которая пересекает область в форме геометрического конуса позади объекта. По мере движения объекта эта коническая область также перемещается за ним, и когда конус проходит над наблюдателем, он на короткое время ощущает бум.
Причины
Когда самолет летит по воздуху, он создает серию волны давления перед самолетом и за ним, аналогично носовые и кормовые волны созданный лодкой. Эти волны распространяются по скорость звука и по мере увеличения скорости объекта волны сжимаются или сжимаются, потому что они не могут достаточно быстро уйти друг от друга. В конце концов они сливаются в единую ударную волну, которая распространяется со скоростью звука, критической скоростью, известной как Мах 1, и составляет приблизительно 1235 км / ч (767 миль / ч) на уровне моря и 20 ° C (68 ° F).
При плавном полете ударная волна начинается у носа самолета и заканчивается у хвоста. Поскольку различные радиальные направления вокруг направления движения самолета эквивалентны (при условии «плавного полета»), ударная волна образует Конус Маха, аналогично паровой конус, с самолетом на кончике. Полуугол между направлением полета и ударной волной определяется выражением:
- ,
где это обратное самолета число Маха (). Таким образом, чем быстрее летит самолет, тем более тонкий и острый конус.
Давление на носу повышается, постепенно снижается до отрицательного давления в хвосте, после чего после прохождения объекта происходит внезапное возвращение к нормальному давлению. Эта "избыточное давление профиль "известен как N-волна из-за своей формы." Гик "возникает, когда происходит внезапное изменение давления; следовательно, N-волна вызывает два гика - один, когда начальное повышение давления достигает наблюдателя, и другой, когда давление возвращается к норме. Это приводит к характерной "двойной стреле" сверхзвукового самолета. Когда самолет маневрирует, распределение давления изменяется в разные формы с характерной формой U-образной волны.
Поскольку стрела генерируется постоянно, пока самолет является сверхзвуковым, она заполняет узкую дорожку на земле, следующую за траекторией полета самолета, что немного похоже на раскручивающийся красный ковер, и потому известен как ковровое покрытие. Его ширина зависит от высоты полета самолета. Расстояние от точки на земле, где слышен звук стрелы, до самолета зависит от его высоты и угла. .
Для современных сверхзвуковых самолетов в нормальных условиях эксплуатации максимальное избыточное давление колеблется от менее 50 до 500 Па (От 1 до 10 фунтов на квадратный фут (фунт на квадратный фут)) для стрелы с N-образной волной. Пик избыточное давление для U-волны усиливаются в два-пять раз по сравнению с N-волной, но это усиленное избыточное давление воздействует только на очень небольшую область по сравнению с областью, подверженной воздействию остальной части звукового удара. Самый сильный из когда-либо зарегистрированных звуковых ударов составил 7000 Па (144 фунта на фут), и он не причинил вреда исследователям, которые подверглись его воздействию. Стрела была произведена F-4 полет чуть выше скорости звука на высоте 100 футов (30 м).[3] В недавних испытаниях максимальная стрела, измеренная в более реалистичных условиях полета, составила 1010 Па (21 фунт / фут). Есть вероятность, что некоторые повреждения - например, разбитое стекло - возникнут в результате звукового удара. Здания в хорошем состоянии не должны быть повреждены давлением 530 Па (11 фунтов на квадратный фут) или меньше. И, как правило, воздействие звукового удара на население составляет менее 100 Па (2 фунта на фут). Движение грунта в результате звуковой стрелы встречается редко и значительно ниже пороговых значений структурного повреждения, принятых Горное бюро США и другие агентства.[4]
Мощность или объем ударной волны зависит от количества ускоряемого воздуха и, следовательно, от размера и формы самолета. По мере увеличения скорости самолета ударный конус плотнее вокруг корабля и становится слабее до такой степени, что на очень больших скоростях и высотах не слышно гула. «Длина» стрелы спереди назад зависит от длины самолета в степени 3/2. Таким образом, более длинные самолеты «разводят» свои штанги больше, чем более мелкие, что приводит к менее мощной штанге.[5]
Несколько меньших ударных волн могут образовываться и обычно образуются в других точках самолета, в первую очередь в любых выпуклых точках или кривых, на передней кромке крыла и особенно на входе в двигатели. Эти вторичные ударные волны вызваны тем, что воздух вынужден вращаться вокруг этих выпуклых точек, что создает ударную волну в сверхзвуковой поток.
Более поздние ударные волны несколько быстрее, чем первая, распространяются быстрее и добавляют к основной ударной волне на некотором расстоянии от самолета, создавая гораздо более определенную форму N-волны. Это максимизирует как величину, так и «время нарастания» удара, из-за чего стрела кажется громче. На большинстве конструкций самолетов характерное расстояние составляет около 40 000 футов (12 000 м), что означает, что ниже этой высоты звуковой удар будет «мягче». Однако сопротивление на этой высоте или ниже делает сверхзвуковое путешествие особенно неэффективным, что создает серьезную проблему.
Измерение и примеры
В давление от звуковых ударов, вызванных самолетами, часто составляет несколько фунтов на квадратный фут. Транспортное средство, летящее на большей высоте, будет создавать более низкое давление на землю, потому что ударная волна уменьшается по интенсивности по мере того, как она распространяется от транспортного средства, но звуковые удары меньше зависят от скорости транспортного средства.
| Самолет | Скорость | Высота | Давление (фунт-сила / фут2) | Давление (Па) |
|---|---|---|---|---|
| SR-71 Блэкберд | Мах 3+ | 80000 футов (24000 м) | 0.9 | 43 |
| Конкорд (SST) | Мах 2 | 52000 футов (16000 м) | 1.94 | 93 |
| Истребитель F-104 | 1,93 Маха | 48000 футов (15000 м) | 0.8 | 38 |
| Космический шатл | 1.5 Маха | 60000 футов (18000 м) | 1.25 | 60 |
| Ссылка:[6] | ||||
Уменьшение
В конце 1950-х годов, когда сверхзвуковой транспорт (SST) активно разрабатывались, считалось, что, хотя стрела будет очень большой, проблем можно избежать, взлетая выше. Это предположение оказалось ложным, когда Североамериканский XB-70 Валькирия первый полет, и выяснилось, что заграждение было проблемой даже на высоте 70 000 футов (21 000 м). Именно во время этих тестов впервые была охарактеризована N-волна.
Ричард Сибасс и его коллега Альберт Джордж в Корнелл Университет тщательно изучил проблему и в конечном итоге определил "добродетель "(FM) для характеристики уровней звукового удара различных самолетов. FM является функцией веса самолета и его длины. Чем ниже это значение, тем меньше стрелы создает самолет, причем приемлемыми считаются цифры около 1 или ниже. Используя этот расчет, они нашли FM около 1,4 для Конкорд и 1.9 для Боинг 2707. Это в конечном итоге обрекло большинство проектов SST, поскольку общественное недовольство, смешанное с политикой, в конечном итоге привело к законам, которые сделали любой такой самолет менее полезным (например, сверхзвуковой полет только над водой). Другой способ выразить это - размах крыла. В фюзеляж Даже большой сверхзвуковой самолет очень обтекаемый и при достаточном угле атаки и размахе крыла самолет может лететь так высоко, что стрела у фюзеляжа не важна. Чем больше размах крыла, тем больше нисходящий импульс может быть приложен к воздуху, тем сильнее ощущается стрела. Меньший размах крыла предпочтительнее для небольших самолетов, например бизнес-джеты.[5]
Сибасс и Джордж также работали над проблемой под другим углом, пытаясь распространить N-волну в поперечном и временном (продольном) направлениях, создавая сильную и направленную вниз (SR-71 Блэкберд, Боинг Х-43 ) шок с острым, но широкоугольным носовым конусом, который будет двигаться со слегка сверхзвуковой скоростью (ударная волна ), и используя стреловидный летающее крыло или наклонное летающее крыло чтобы сгладить этот толчок по направлению полета (хвостовая часть разряда движется со звуковой скоростью). Чтобы адаптировать этот принцип к существующим самолетам, которые вызывают шок в их носовой конус и еще более прочный на передней кромке крыла, фюзеляж под крылом имеет форму в соответствии с правило области. В идеале это повысило бы характерную высоту с 40 000 футов (12 000 м) до 60 000 футов (с 12 000 м до 18 000 м), где, как ожидается, будет летать большинство самолетов SST.[5]
Это оставалось непроверенным в течение десятилетий, пока DARPA начал Тихая сверхзвуковая платформа проект и профинансировал Демонстрация Shaped Sonic Boom (SSBD) самолет для испытаний. SSBD использовал Истребитель свободы F-5. F-5E получил усовершенствованную форму, которая удлинила нос по сравнению с моделью F-5F. В обтекатель простирается от носа до воздухозаборников на днище самолета. SSBD тестировался в течение двух лет, завершившихся 21 полетом, и представлял собой обширное исследование характеристик звукового удара. После измерения 1300 записей, некоторые из них были сделаны внутри ударной волны погоня за самолетом, SSBD продемонстрировал сокращение стрелы примерно на треть. Хотя сокращение на одну треть не является огромным, оно могло бы снизить стрелу Concorde до приемлемого уровня ниже FM = 1.
Как продолжение SSBD, в 2006 г. НАСА -Gulfstream Aerospace команда проверила Тихий шип на самолете НАСА-Драйден F-15B 836. Тихий шип представляет собой телескопическую стрелу, установленную на носовой части самолета, специально разработанную для ослабления силы ударных волн, образующихся на носовой части самолета на сверхзвуковых скоростях. Выполнено более 50 испытательных полетов. Несколько полетов включали исследование ударных волн вторым F-15B, НАСА Интеллектуальная система управления полетом Стенд, самолет 837.
Существуют теоретические конструкции, которые, похоже, вообще не создают звуковых ударов, такие как Биплан Буземанна. Однако создание ударной волны неизбежно, если они создают аэродинамическую подъемную силу.[5]
НАСА и Локхид Мартин Aeronautics Co. работают вместе над созданием экспериментального самолета под названием Демонстратор полета с низкой стрелой (LBFD), который уменьшит звуковой удар, являющийся синонимом высокоскоростного полета, до звука закрывающейся двери автомобиля. Агентство заключило контракт на 247,5 миллиона долларов на создание рабочей версии обтекаемого однопилотного самолета к лету 2021 года и должно начать испытания в течение следующих лет, чтобы определить, можно ли в конечном итоге адаптировать эту конструкцию для коммерческих самолетов.[7]
Восприятие, шум и другие проблемы
Звук звукового удара во многом зависит от расстояния между наблюдателем и формой летательного аппарата, производящего звуковой удар. Звуковой удар обычно воспринимается как глубокий двойной «удар», поскольку самолет обычно находится на некотором расстоянии. Звук очень похож на звук минометные бомбы, обычно используется в фейерверки. Распространено заблуждение, что во время перехода от дозвукового к сверхзвуковому генерируется только одна стрела; скорее, стрела непрерывна вдоль ковра стрелы в течение всего сверхзвукового полета. Как сказал бывший пилот «Конкорда»: «На самом деле вы ничего не слышите на борту. Все, что мы видим, - это волна давления, движущаяся по самолету - это показывает показания приборов. И это то, что мы видим в районе 1 Маха. не слышу звукового удара или чего-то подобного. Это скорее похоже на след корабля - он позади нас ".[8]
В 1964 году НАСА и Федеральная авиационная администрация начал Тесты звукового удара в Оклахома-Сити, который вызвал восемь звуковых ударов в день в течение шести месяцев. В ходе эксперимента были собраны ценные данные, но было подано 15 000 жалоб, которые в конечном итоге запутали правительство. коллективный иск иск, который он проиграл в кассационном порядке в 1969 году.
Звуковые удары также мешали в Северном Корнуолле и Северном Девоне в Великобритании, поскольку эти районы находились под траекторией полета Конкорда. Окна будут дребезжать, и в некоторых случаях "факел" (направленный под шифер крыши) смещался из-за вибрации.
В этой области недавно были проведены работы, особенно в рамках исследований тихой сверхзвуковой платформы DARPA. Исследования, проведенные экспертами по акустике в рамках этой программы, позволили более внимательно изучить состав звуковых ударов, включая частотный состав. Некоторые характеристики традиционного звукового удара "N" волны могут повлиять на то, насколько громким и раздражающим он будет восприниматься слушателями на земле. Даже сильные N-волны, такие как генерируемые Concorde или военными самолетами, могут быть гораздо менее нежелательными, если время нарастания избыточного давления достаточно велико. Появилась новая метрика, известная как воспринимается громкость, измеренная в PLdB. При этом учитывается частотная составляющая, время нарастания и т. Д. Хорошо известным примером является щелканье пальцев в котором «воспринимаемый» звук - не более чем раздражение.
Энергетический диапазон звукового удара сосредоточен в пределах 0,1–100герц Диапазон частот что значительно ниже, чем у дозвуковых самолетов, стрельба и большинство промышленный шум. Продолжительность звукового удара коротка; менее секунды, 100 миллисекунд (0,1 секунды) для большинства самолетов размером с истребитель и 500 миллисекунд для космических челноков или лайнеров Concorde. Интенсивность и ширина траектории звукового удара зависит от физических характеристик летательного аппарата и от того, как он эксплуатируется. Как правило, чем больше высота самолета, тем меньше избыточное давление на землю. Большая высота также увеличивает поперечный разброс стрелы, открывая для нее большую площадь. Однако избыточное давление в зоне удара звуковой стрелы не будет равномерным. Интенсивность штанги наибольшая непосредственно под траекторией полета, постепенно ослабевая с увеличением горизонтального расстояния от траектории полета самолета. Ширина зоны воздействия стрелы составляет приблизительно 1 статутную милю (1,6 км) на каждые 1000 футов (300 м) высоты (ширина примерно в пять раз превышает высоту); то есть самолет, летящий на сверхзвуке на высоте 30 000 футов (9 100 м), создаст боковой разброс стрелы примерно на 30 миль (48 км). Для устойчивого сверхзвукового полета стрела описывается как ковровая стрела, поскольку она движется вместе с самолетом, поддерживая сверхзвуковую скорость и высоту. Некоторые маневры, ныряние, ускорение или повороты могут вызвать фокусировку стрелы. Другие маневры, такие как замедление и подъем, могут снизить силу удара. В некоторых случаях погодные условия могут искажать звуковые удары.[4]
В зависимости от высоты самолета звуковые удары достигают земли от 2 до 60 секунд после пролета. Однако не все удары слышны на уровне земли. Скорость звука на любой высоте зависит от температуры воздуха. Снижение или повышение температуры приводит к соответствующему уменьшению или увеличению скорости звука. В стандартных атмосферных условиях температура воздуха понижается с увеличением высоты. Например, когда температура на уровне моря составляет 59 градусов по Фаренгейту (15 ° C), температура на высоте 30 000 футов (9 100 м) падает до минус 49 градусов по Фаренгейту (-45 ° C). Этот температурный градиент помогает изгибать звуковые волны вверх. Следовательно, чтобы стрела достигла земли, скорость самолета относительно земли должна быть больше скорости звука у земли. Например, скорость звука на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет около 670 миль в час (1080 км / ч), но самолет должен двигаться со скоростью не менее 750 миль в час (1210 км / ч) (1,12 Маха, где Маха 1 равна скорости звука), чтобы стрела была слышна на земле.[4]
Состав атмосферы также играет важную роль. Колебания температуры, влажность, загрязнение атмосферы, и ветры все может повлиять на восприятие звукового удара на земле. Даже сама земля может повлиять на звук звукового удара. Твердые поверхности, такие как конкретный, тротуар, а большие здания могут вызывать отражения, которые могут усилить звук звукового удара. Так же, травяной поля и обильные листва может помочь уменьшить силу избыточного давления звукового удара.
В настоящее время не существует принятых в отрасли стандартов приемлемости звукового удара. Тем не менее, ведется работа по созданию показателей, которые помогут понять, как люди реагируют на шум, создаваемый звуковыми ударами. [9] До тех пор, пока такие показатели не будут установлены посредством дальнейшего изучения или испытаний сверхзвукового полета, сомнительно, что будет принят закон, отменяющий текущий запрет на сверхзвуковой полет, действующий в нескольких странах, включая Соединенные Штаты.
Кнут
Трескающий звук кнут делает при правильном использовании, по сути, небольшой звуковой удар. Конец кнута, известный как "взломщик", движется быстрее скорости звука, создавая звуковой удар.[2]
Хлыст сужается от рукоятки к хлопушке. Взломщик имеет гораздо меньшую массу, чем секция ручки. При резком взмахе кнута энергия передается по длине сужающегося кнута. Горили и Макмиллен показали, что физическое объяснение является сложным, включая то, как петля движется по конической нити под действием натяжения.[10]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Херинг, Эдвард А., младший; Смолка, Джеймс У .; Мюррей, Джеймс Э .; Плоткин, Кеннет Дж. (1 января 2005 г.). «Демонстрация полета звуковых ударов N-волны с низким избыточным давлением и неувядающих волн». Материалы конференции AIP. 838: 647–650. Bibcode:2006AIPC..838..647H. Дои:10.1063/1.2210436. HDL:2060/20050192479.
- ^ а б Мэй, Майк (сентябрь 2002 г.). "Хорошая математика". Американский ученый. 90 (5): 415–416. JSTOR 27857718.
- ^ Анализируя следы звукового удара военных самолетов, Энди С. Роджерс, A.O.T, Inc.
- ^ а б c Информационный бюллетень USAF 96-03, Лаборатория Армстронга, 1996 г.
- ^ а б c d Сибасс, Ричард (1998). «Минимизация звукового удара». Исследование динамики жидкости на сверхзвуковых самолетах (PDF). Научно-технологическая организация НАТО.
- ^ НАСА Центр летных исследований Армстронга Информационный бюллетень: Sonic Booms
- ^ «НАСА заключило контракт на создание более тихого сверхзвукового самолета» (Пресс-релиз). НАСА. 3 апреля 2018 г.. Получено 5 апреля 2018.
- ^ Интервью BBC News с бывшим пилотом Concorde (2003).
- ^ Лубо, Александра; Нака, Юске; Кук, Брайан Дж .; Воробей, Виктор З .; Моргенштерн, Джон М. (28 октября 2015 г.). «Новая оценка показателей шума для звуковых ударов с использованием существующих данных». Материалы конференции AIP. 1685 (1): 090015. Bibcode:2015AIPC.1685i0015L. Дои:10.1063/1.4934481. ISSN 0094-243X.
- ^ Ален Горили и Тайлер МакМиллен (2002). "Форма трещащего хлыста" (PDF). Письма с физическими проверками. 88 (12): 244301. Bibcode:2002ПхРвЛ..88х4301Г. Дои:10.1103 / Physrevlett.88.244301. PMID 12059302.