Що таке звуковий бар'єр. Подолання звукового бар'єру

Що ми уявляємо собі, коли чуємо вираз «звуковий бар`єр»? Якийсь межа і перешкоду, подолання якої може серйозно вплинути на слух і самопочуття. Зазвичай звуковий бар`єр співвідносять з підкоренням повітряного простору і професією льотчика.

Подолання цієї перешкоди здатне спровокувати розвиток застарілих хвороб, больових синдромів та алергічних реакцій. Чи правильні ці уявлення або вони являють собою усталені стереотипи? Чи мають вони під собою фактичну основу? Що таке звуковий бар`єр? Як і чому він виникає? Все це і деякі додаткові нюанси, а також історичні факти, пов`язані з цим поняттям, ми спробуємо з`ясувати в цій статті.

Ця таємнича наука - аеродинаміка

У науці аеродинаміці, покликаної роз`яснити явища, що супроводжують рух
літального апарату, існує поняття «звуковий бар`єр». Це ряд явищ, що виникають при русі надзвукових літаків або ракет, які пересуваються на швидкостях, наближених до швидкості звуку або великих.

Що таке ударна хвиля?

У процесі обтікання апарату надзвуковим потоком в аеродинамічній трубі виникає ударна хвиля. Її сліди можуть бути помітні навіть неозброєним оком. На землі вони виражені жовтою лінією. Поза конуса ударної хвилі, перед жовтою лінією, на землі літак навіть не чути. При швидкості, що перевищує звукову, тіла піддаються обтіканню звуковим потоком, що тягне за собою ударну хвилю. Вона може бути не одна, що залежить від форми тіла.

Перетворення ударної хвилі

Фронт ударної хвилі, який іноді називають стрибком ущільнення, має досить малу товщину, що дозволяє тим не менш відстежити стрибкоподібні зміни властивостей потоку, зниження його швидкості відносно тіла і відповідне зростання тиску і температури газу в потоці. При цьому кінетична енергія частково перетворюється у внутрішню енергію газу. Кількість цих змін безпосередньо залежить від швидкості надзвукового потоку. У міру того як ударна хвиля віддаляється від апарату, зменшуються перепади тиску, і ударна хвиля перетвориться в звукову. Вона може досягти стороннього спостерігача, який почує характерний звук, що нагадує вибух. Існує думка, що це свідчить про досягнення апаратом швидкості звуку, коли звуковий бар`єр літак залишає позаду.

Що відбувається насправді?

Так званий момент подолання звукового бар`єру на практиці являє собою проходження ударної хвилі з наростаючим гулом двигунів літака. Тепер апарат випереджає супроводжуючий його звук, тому гул двигуна буде чути після нього. Наближення швидкості літальних апаратів до швидкості звуку стало можливим ще в ході Другої світової війни, але при цьому пілоти відзначали тривожні сигнали в роботі літаків.

Після закінчення війни чимало авіаконструкторів і льотчиків прагнули досягти швидкості звуку і подолати звуковий бар`єр, але багато з цих спроб закінчувалися трагічно. Песимістично налаштовані вчені стверджували, що ця межа перевершити неможливо. Аж ніяк не експериментальним, але науковим шляхом вийшло пояснити природу поняття «звуковий бар`єр» і знайти способи його подолання.

Виведені рекомендації для безпечних польотів

Безпечні польоти на навколозвукових і надзвукових швидкостях можливі при уникнення хвильового кризи, виникнення якого залежить від аеродинамічних параметрів літака і висоти виробленого польоту. Переходи з одного рівня швидкості на інший повинні виконуватися максимально оперативно із застосуванням форсажу, що допоможе уникнути довгого польоту в зоні хвильового кризи. Хвильовий криза як поняття прийшов з водного транспорту. Виникало він у момент руху суден зі швидкістю, близькою до швидкості хвиль на поверхні води. Попадання в хвильової криза тягне за собою утруднення зростання швидкості, і якщо максимально просто подолати хвильової криза, то можна вийти на режим глиссирования або ковзання по водній гладі.

Історія в управлінні літаками

Перша людина, яка досягла надзвукової швидкості польоту на експериментальному літаку, - це американський льотчик Чак Йегер. Його досягнення відзначено в історії 14 жовтня 1947. На території СРСР звуковий бар`єр був подоланий 26 грудня 1948 Соколовським і Федоровим, які управляли досвідченим винищувачем.

З цивільних літаків першим подолав звуковий бар`єр пасажирський лайнер Douglas DC-8, який 21 серпня 1961 досяг швидкості 1.012 М, або 1262 км / год. Політ мав на меті збір даних для проектування крила. Серед літальних апаратів світовий рекорд поставила гіперзвукова аеробалістичних ракета «повітря-земля», яка знаходиться на озброєнні російської армії. На висоті в 31,2 кілометра ракета розвинула швидкість 6389 км / год.

Через 50 років після подолання звукового бар`єру в повітрі англієць Енді Грін зробив аналогічне досягнення на автомобілі. У вільному падінні пробував побити рекорд американець Джо Кіттінгер, який підкорив висоту в 31,5 кілометра. У наші дні, 14 жовтня 2012 року, Фелікс Баумгартнер поставив світовий рекорд, без допомоги транспорту, у вільному падінні з висоти 39 кілометрів, подолавши звуковий бар`єр. Швидкість його при цьому досягла 1342,8 кілометра на годину.

Саме незвичайне подолання звукового бар`єру

Дивно подумати, але першим у світі винаходом, який подолав цю межу, став звичайний хлист, який придумали стародавні китайці майже 7000 років тому. Практично до винаходу моментальної фотографії в 1927 році ніхто й не підозрював, що клацання хлиста - це мініатюрний звуковий удар. Різкий змах формує петлю, а швидкість різко зростає, що й підтверджує клацання. Звуковий бар`єр долається на швидкості близько 1200 км / год.

Загадка самого галасливого міста

Не дарма жителі маленьких міст переживають шок, побачивши столицю в перший раз. Велика кількість транспорту, сотні ресторанів і розважальних центрів збивають з пантелику і вибивають зі звичної колії. Початок весни в столиці зазвичай датується квітнем, а не бунтівним хуртовинні березнем. У квітні тут чисте небо, біжать струмки і розпускаються бруньки. Люди, втомлені від довгої зими, широко відчиняють вікна назустріч сонцю, і в будинку вривається вуличний шум. На вулиці оглушливо щебечуть птахи, співають артисти, декламують вірші веселі студенти, не кажучи вже про шум в пробках і метро. Співробітники відділів гігієни відзначають, що довго перебувати в галасливому місті шкідливо для здоров`я. Звуковий фон столиці складається з транспортних,
авіаційних, промислових і побутових шумів. Найбільш шкідливим є якраз автомобільний шум, так як літаки літають досить високо, а шум від підприємств розчиняється в їх будинках. Постійний же гул автомобілів на особливо жвавих магістралях перевищує всі допустимі норми в два рази. Як у столиці долається звуковий бар`єр? Москва небезпечна великою кількістю звуків, тому жителі столиці встановлюють склопакети, щоб приглушити шум.

Як здійснюється штурм звукового бар`єру?

До 1947 року не було фактичних даних про самопочуття людини в кабіні літака, який летить швидше звуку. Як виявилося, подолання звукового бар`єру вимагає певних сил і відваги. У процесі польоту стає ясно, що немає ніяких гарантій вижити. Навіть професійний пілот не може точно сказати, чи витримає конструкція літака атаку стихії. У лічені хвилини літак може просто розвалитися на частини. Чим же це пояснюється? Слід зазначити, що рух з дозвуковою швидкістю створює акустичні хвилі, розбігаються як кола від впав каменю. Надзвукова швидкість збуджує ударні хвилі, а стоїть на землі людина чує звук, схожий на вибух. Без потужних обчислювальних машин складно було вирішити складні диференціальні рівняння, і доводилося спиратися на продування моделей в аеродинамічних трубах. Іноді при недостатньому прискоренні літака ударна хвиля досягає такої сили, що вилітають вікна з будинків, над якими пролітає літак. Подолати звуковий бар`єр зможе далеко не кожен, адже в цей момент трясе всю конструкцію, значні ушкодження можуть отримати кріплення апарату. Тому для пілотів так важливо міцне здоров`я і емоційна стабільність. Якщо політ йде м`яко, а звуковий бар`єр подолано максимально швидко, то ні пілот, ні можливі пасажири не відчують особливо неприємних відчуттів. Спеціально для підкорення звукового бар`єру був споруджений дослідний літальний апарат у січні 1946 року. Створення машини було ініційовано замовленням міністерства оборони, але натомість зброї її напхали науковою апаратурою, яка відстежувала режим роботи механізмів та приладів. Цей літак був схожий на сучасну крилату ракету з вбудованим ракетним двигуном. Подолання літаком звукового бар`єру відбувалося при максимальній швидкості 2736 км / год.

Вербальні та матеріальні пам`ятки підкорення швидкості звуку

Досягнення в подоланні звукового бар`єру високо цінуються і сьогодні. Так, літак, на якому Чак Йегер вперше його подолав, зараз виставлений у Національному музеї повітроплавання і космонавтики, який знаходиться у Вашингтоні. Але технічні параметри цього людського винаходу мало б коштували без достоїнств самого пілота. Чак Йегер пройшов льотне училище і воював у Європі, після чого повернувся до Англії. Несправедливе відсторонення від польотів не зломило дух Йегера, і він домігся прийому у головнокомандувача військами Європи. За роки, що залишилися до кінця війни, Йегер брав участь в 64 бойових вильоти, під час яких збив 13 літаків. На батьківщину Чак Йегер повернувся зі званням капітана. У його характеристиці вказана феноменальна інтуїція, неймовірне холоднокровність і витримка в критичних ситуаціях. Не один раз Йегер встановлював рекорди на своєму літаку. Його подальша кар`єра йшла в підрозділах ВПС, де він здійснював тренінг пілотів. Востаннє Чак Йегер подолав звуковий бар`єр в 74 роки, що довелося на п`ятидесятий річницю його історії польотів і на 1997 рік.

Комплексні завдання творців літальних апаратів

Відомі на весь світ літаки МіГ-15 стали створювати в той момент, коли розробники зрозуміли, що неможливо базуватися тільки на подоланні звукового бар`єру, а слід вирішувати комплексні технічні завдання. В результаті була створена машина настільки вдала, що її модифікації встали на озброєння різних країн. Кілька різних конструкторських бюро включилися в своєрідну конкурентну боротьбу, призом у якій був патент на найуспішніший і функціональний літальний апарат. Розроблялися літаки зі стрілоподібним крилами, що було революцією в їх конструкції. Ідеальний апарат повинен був бути потужним, швидким і неймовірно стійким до будь-яких пошкоджень ззовні. Стрілоподібні крила у літаків стали елементом, який допомагав їм втричі підвищувати швидкість звуку. Далі швидкість літаків продовжувала наростати, що пояснювалося збільшенням потужності двигунів, застосуванням інноваційних матеріалів та оптимізацією аеродинамічних параметрів. Подолання звукового бар`єру стало можливим і реальним навіть для непрофесіонала, але менш небезпечним воно від цього не стає, тому будь екстремал повинен тверезо оцінювати свої сили, перш ніж зважитися на такий експеримент.