Сверхзвуковая скорость - Supersonic speed

Для использования в других целях см. Сверхзвуковой (значения).
А ВМС США F / A-18F Супер Хорнет в трансзвуковой рейс
ВМС США F / A-18 приближение к звуковому барьеру. Белое облако образуется в результате сверхзвуковые вентиляторы расширения понизив температуру воздуха ниже точка росы.[1][2]

Сверхзвуковая скорость скорость объекта, превышающая скорость звука (Мах 1). Для предметов, перемещающихся в сухом воздухе с температурой 20 ° C (68 ° F) при уровень моря, эта скорость составляет приблизительно 343,2 м / с (1126 фут / с; 768 миль в час; 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, окружающие объект, например концы лопастей ротора, достигают сверхзвуковой скорости, называются трансзвуковой. 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 разной скоростью, в основном в зависимости от молекулярная масса и температура газа, и давление мало влияет. Поскольку температура и состав воздуха значительно зависят от высоты, Числа Маха поскольку самолет может измениться, несмотря на постоянную скорость движения. В воде на комнатная температура 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.

Сверхзвуковой перелом трещина движение быстрее скорости звука в хрупкий материал.

Раннее значение

В начале 20 века термин «сверхзвуковой» использовался как прилагательное 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, что вместе означает выше звука или, другими словами, быстрее звука.

Сверхзвуковые объекты

Основная статья: Сверхзвуковой самолет
British Airways Конкорд в ранней ливрее BA в Лондон-Хитроу аэропорт, в начале 1980-х

Наконечник кнут считается первым искусственным объектом, преодолевшим звуковой барьер, в результате чего образовалась характерная "трещина" (на самом деле небольшая ударная волна ). В Волновое движение путешествие через кнут - вот что делает его способным развивать сверхзвуковые скорости.[3][4]

Самый современный самолет истребитель сверхзвуковые самолеты, но были сверхзвуковой пассажирский самолет, а именно Конкорд и Туполев Ту-144. Оба эти пассажира самолет и некоторые современные истребители также способны суперкруиз, условие продолжительного сверхзвукового полета без использования форсаж. 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 года, сверхзвуковых пассажирских самолетов в эксплуатации не осталось. Некоторые большие бомбардировщики, такой как Туполев Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer также обладают сверхзвуковой способностью.

Самый современный огнестрельное оружие пули сверхзвуковые, с винтовкой снаряды часто едет на приближающейся скорости, а в некоторых случаях[5] значительно превышающий Мах 3.

Наиболее космический корабль, в первую очередь Космический шатл являются сверхзвуковыми, по крайней мере, на некоторых участках их входа в атмосферу, хотя воздействие на космический корабль уменьшается из-за низкой плотности воздуха. Во время всплытия ракеты-носители обычно избегают выхода на сверхзвуковую скорость 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.[6]

Когда надутый воздушный шар лопается, разорванные куски латекс сокращаться на сверхзвуковой скорости, что способствует резкому и громкому хлопку.

Сверхзвуковые наземные машины

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально путешествовал со сверхзвуковой скоростью. это ТягаSSC, обусловлен Энди Грин, который удерживает мировой рекорд скорости на суше, достигнув средней скорости на двунаправленном беге 1228 км / ч (763 миль в час) в Black Rock Desert 15 октября 1997 г.

В Ищейка ЛСР проект планирует попытку установления рекорда в 2020 году на Хакскин Пан в ЮАР - с 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 усилия проводились Ричард Ноубл который был лидером проекта ThrustSSC, однако из-за проблем с финансированием в 2018 году команду купили Ян Уорхерст и переименован в Bloodhound LSR. В новом проекте сохранены многие из первоначального инженерного состава Bloodhound SSC, а также Энди Грин по-прежнему является драйвером рекордных попыток, и испытания на высоких скоростях, как ожидается, начнутся в октябре 2019 года.

Сверхзвуковой полет

Сверхзвуковой аэродинамика это проще, чем дозвуковая аэродинамика, потому что воздушные листы в разных точках по плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным и ракетным машинам требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолевать дополнительные препятствия. аэродинамическое сопротивление испытанный в трансзвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры может аккуратно направлять воздух вокруг фюзеляж самолета без производства новых ударные волны, но любое изменение площади поперечного сечения при движении вниз по транспортному средству приводит к возникновению ударных волн по телу. Дизайнеры используют Правило сверхзвуковой области и Правило области Уиткомба чтобы свести к минимуму 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 аэродинамический обогрев может произойти, поэтому самолет должен быть рассчитан на работу при очень высоких температурах. Дюралюминий, материал, традиционно используемый в авиастроении, начинает терять прочность и деформироваться при относительно низких температурах и непригоден для непрерывного использования при скоростях выше 2,2–2,4 Маха. Такие материалы как титан и нержавеющая сталь позволяют работать при гораздо более высоких температурах. Например, Локхид SR-71 Блэкберд Самолет мог непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что могло привести к тому, что температура в некоторых частях самолета могла 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 во впускном отверстии вызывает повышение температуры до того, как она достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопа определяется материалами в турбина в задней части двигателя, так как самолет набирает скорость, разница температур на впуске и выпуске, 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 входящего воздуха, что называется рекуперацией всасываемого воздуха, используя ударные волны в процессе сверхзвукового сжатия на впуске. На сверхзвуковых скоростях воздухозаборник должен обеспечивать, чтобы при замедлении воздуха это происходило без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударные волны, наклонный / плоский, 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 длительного времени на сверхзвуковых скоростях имеет потенциальное преимущество по дальности действия по сравнению с аналогичной конструкцией, работающей на дозвуке. 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 сверхзвуке с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается сверхзвук, подъемная сила и лобовое сопротивление самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, что сводит на нет это преимущество.

Ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма всего самолета, чтобы он был длинным и тонким и близким к «идеальной» форме, фон Карман оживить или Тело 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. СР-71, Конкорд и т. д. Хотя эта форма не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования на бомбардировщиках.

История сверхзвукового полета

Основная статья: Звуковой барьер

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 пилотируемого самолета с превышением скорости звука в управляемом горизонтальном полете был выполнен 14 октября 1947 г. Колокол X-1 исследовательский ракетный самолет пилотирует Чарльз «Чак» Йегер. Первым серийным самолетом, преодолевшим звуковой барьер, стал F-86. Canadair Sabre с первой "сверхзвуковой" женщиной-пилотом, Жаклин Кокран, на элементах управления.[7] По словам Дэвида Мастерс,[8] 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 на этой высоте превысило бы 1 Мах. Пилотом этих полетов был немец Вольфганг Цизе.

21 августа 1961 г. Дуглас DC-8-43 (регистрационный N9604Z) превысил 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).[9] Это был первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера, кроме Конкорд или Ту-144.[9]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Астрономическая картинка дня: 19 августа 2007 - Звуковой удар». antwrp.gsfc.nasa.gov.
  2. ^ «КОНДЕНСАЦИОННОЕ ОБЛАКО F-14 В ДЕЙСТВИИ». www.eng.vt.edu. Архивировано из оригинал на 2004-06-02.
  3. ^ Майк Мэй, Хорошая математика, Американский ученый, Том 90, номер 5, 2002 г.
  4. ^ Гипография - Наука для всех - Разъяснение тайны взлома кнута
  5. ^ Таблицы боеприпасов Hornady
  6. ^ Калькулятор экстремальных высотных условий
  7. ^ «Жаклин Кокран и летчики женских ВВС». Национальное управление архивов и документации: Президентская библиотека Дуайта Д. Эйзенхауэра, музей и дом отрочества. Дата обращения 10 июля 2013.
  8. ^ Мастерс, Дэвид (1982). Немецкий Джет Генезис. Джейн. п. 142. ISBN  978-0867206227.
  9. ^ а б Вассерзихер, Билл (август 2011 г.). "Я был там: когда DC-8 стал сверхзвуковым". Журнал Air & Space. Архивировано из оригинал на 2014-05-08. Получено 3 февраля 2017.

внешние ссылки