Oftest i litteraturundervisning, men noen ganger på russisk finnes de ...
14. oktober 1947 krysset menneskeheten neste milepæl. Grensen er ganske objektiv, uttrykt i en bestemt fysisk størrelse - lydens hastighet i luften, som i forhold til jordens atmosfære avhenger av temperaturen og trykket i området 1100-1200 km / t. Den amerikanske piloten Charles Elwood "Chuck" Yeager, en ung veteran fra andre verdenskrig med ekstraordinært mot og utmerket fotogenisitet, erobret supersonisk hastighet, takket være at han umiddelbart ble populær i hjemlandet, akkurat som Yuri Gagarin var 14 år senere.
Og motet til å krysse lydbommen var virkelig nødvendig. Den sovjetiske piloten Ivan Fedorov, som gjentok Yeagers prestasjon et år senere, i 1948, minnet sine følelser på den tiden: «Før flyet for å overvinne lydbarrieren, ble det åpenbart at det ikke var noen garanti for å overleve etter den. Ingen visste praktisk talt hva det var, og om flyets struktur ville tåle elementets trykk. Men de prøvde å ikke tenke på det. "
Det var faktisk ingen fullstendig klarhet i hvordan bilen ville oppføre seg i supersonisk hastighet. Flydesignerne hadde fremdeles friske minner fra den plutselige ulykken på 30-tallet, da de med en økning i flyhastigheter raskt måtte løse problemet med flagring - selvsvingninger som oppstår både i flyets stive strukturer og i skinnet, og river flyet fra hverandre i løpet av få minutter. Prosessen utviklet seg som et skred, raskt, pilotene hadde ikke tid til å endre flymodus, og bilene falt fra hverandre i luften. I ganske lang tid slet matematikere og designere i forskjellige land for å løse dette problemet. Til slutt ble teorien om fenomenet skapt av den daværende unge russiske matematikeren Mstislav Vsevolodovich Keldysh (1911–1978), senere president for USSR Academy of Sciences. Ved hjelp av denne teorien var det mulig å finne en måte å bli kvitt det ubehagelige fenomenet for alltid.
Det er ganske forståelig at det ble forventet like ubehagelige overraskelser fra lydbarrieren. Numerisk løsning av komplekse differensiallikninger av aerodynamikk i fravær av kraftige datamaskiner var umulig, og måtte stole på å "blåse" modellene i vindtunneler. Men av kvalitative hensyn var det klart at når lydens hastighet er nådd, oppstår en sjokkbølge nær flyet. Det mest avgjørende øyeblikket er å bryte lydbommen når flyets hastighet sammenlignes med lydens hastighet. I dette øyeblikket øker trykkforskjellen på motsatte sider av bølgefronten raskt, og hvis øyeblikket varer lenger enn et øyeblikk, kan flyet ikke kollapse ikke verre enn fra en flagring. Noen ganger, når man overvinner lydbarrieren med utilstrekkelig akselerasjon, slår sjokkbølgen skapt av flyet til og med glass fra vinduene til husene på bakken under det.
Forholdet mellom flyets hastighet og lydens hastighet kalles Mach-nummeret (etter den berømte tyske mekanikeren og filosofen Ernst Mach). Ved passering av lydbarrieren ser det ut til piloten at tallet M hopper over enheten i et hopp: Chuck Yeager så hvordan mahometernålen hoppet fra 0,98 til 1,02, hvorpå en "guddommelig" stillhet falt i cockpiten - faktisk virket det: bare et nivå lydtrykket i cockpiten synker flere ganger. Dette øyeblikket av "lydrensing" er veldig lumsk, det kostet mange testere livet. Men faren for å falle fra hverandre for X-1-flyet var liten.
X-1, produsert av Bell Aircraft i januar 1946, var utelukkende et forskningsfly designet for å bryte lydbarrieren og ingenting annet. Til tross for at maskinen ble bestilt av Forsvarsdepartementet, i stedet for våpen, var den fylt med vitenskapelig utstyr som overvåker driftsmåtene til enheter, instrumenter og mekanismer. X-1 var som et moderne cruisemissil. Den hadde en Reaction Motors rakettmotor med en skyvekraft på 2722 kg. Maksimal startvekt er 6078 kg. Lengde - 9,45 m, høyde - 3,3 m, vingespenn - 8,53 m. Maksimal hastighet - 2736 km / t i en høyde på 18290 m. Kjøretøyet ble sjøsatt fra en strategisk B-29-bombefly og landet på "ski" av stål på en tørr saltsjø.
De "taktiske og tekniske parametrene" til piloten er ikke mindre imponerende. Chuck Yeager ble født 13. februar 1923. Etter skolen gikk han på en flyskole, og etter endt utdanning gikk han for å kjempe i Europa. Skutt ned en Messerschmitt-109. Selv ble han skutt ned i Frankrikes himmel, men han ble reddet av partisaner. Som om ingenting hadde skjedd, vendte han tilbake til basen i England. Imidlertid fjernet den våkne motintelligens-tjenesten, uten å tro på den mirakuløse utfrielsen fra fangenskap, piloten fra flyreiser og sendte ham bak. Den ambisiøse Yeager fikk en mottakelse fra øverstkommanderende for de allierte styrkene i Europa, general Eisenhower, som trodde Yeager. Og han tok ikke feil - i løpet av de seks månedene som var igjen til slutten av krigen gjorde den unge piloten 64 ruter, skutt ned 13 fiendtlige fly, 4 i en kamp. Og han returnerte til hjemlandet med rang som kaptein med en utmerket dossier, som antydet at han har fenomenal flygende intuisjon, utrolig ro og fantastisk utholdenhet i enhver kritisk situasjon. Takket være en slik egenskap ble han inkludert i teamet av supersoniske testere, som ble valgt og trent så nøye som astronautene senere.
Ved å gi nytt navn til X-1 Glamorous Glennis etter kona, har Yeager satt rekorder på den mer enn en gang. I slutten av oktober 1947 falt den forrige høydeposten - 21.372 m. I desember 1953, en ny modifisering av maskinen - X-1A utviklet en hastighet på 2,35 M - nesten 2800 km / t, og seks måneder senere steg den til en høyde på 27.430 m. Det var testingen av en rekke krigere som ble lansert i serie og innkjøringen av MiG-15, fanget og fraktet til Amerika under Koreakrigen. Deretter befalte Yeager forskjellige testenheter fra luftforsvaret både i USA og på amerikanske baser i Europa og Asia, deltok i fiendtligheter i Vietnam og trente piloter. Han trakk seg tilbake i februar 1975 med rang av brigadegeneral, etter å ha fløy ti tusen timer i løpet av sin tapper tjeneste, kjørt 180 forskjellige supersoniske modeller og samlet en unik samling ordrer og medaljer. På midten av 80-tallet ble det spilt inn en film basert på biografien om en tøff fyr som var den første i verden som erobret lydbarrieren, og etter det ble Chuck Yeager ikke engang en helt, men et landsomfattende relikvie. Han satt sist i F-16 14. oktober 1997, og brøt lydbarrieren på femtiårsdagen for hans historiske fly. Yeager var da 74 år gammel. Generelt, som dikteren sa, ville det bli laget negler av disse menneskene.
Det er mange slike mennesker på den andre siden av havet ... Sovjetiske designere begynte å prøve å erobre lydbarrieren samtidig som de amerikanske. Men for dem var det ikke et mål i seg selv, men en handling ganske pragmatisk. Hvis X-1 var et rent forskningsbil, ble lydbarrieren vår stormet på prototype-jagerfly, som skulle lanseres i serie for å utstyre luftforsvarsenheter med dem.
Flere designbyråer ble med i konkurransen - Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau og Yakovlev Design Bureau - der sveipede fly ble utviklet parallelt, som da var en revolusjonerende designbeslutning. De kom til den supersoniske finishen i denne rekkefølgen: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Imidlertid ble problemet løst i en ganske kompleks sammenheng: et militært kjøretøy må ikke bare ha høy hastighet, men også mange andre kvaliteter - manøvrerbarhet, overlevelsesevne, minimum forberedelsestid før flyet, kraftige våpen, imponerende ammunisjon, etc. etc. Det bør også bemerkes at i sovjettiden ble beslutningen om statlige akseptkommisjoner ofte påvirket ikke bare av objektive faktorer, men også av subjektive øyeblikk knyttet til utvikleres politiske manøvrer. All denne kombinasjonen av omstendigheter førte til at MiG-15-jagerflyet ble lansert i serie, som viste seg perfekt på de lokale arenaene for militære operasjoner på 50-tallet. Det var denne bilen, som nevnt ovenfor i Korea, som Chuck Yeager “kjørte rundt”.
I La-176 ble det brukt en rekordfeie av vingen for de tidene, lik 45 grader. VK-1 turbojetmotoren ga en skyvekraft på 2700 kg. Lengde - 10,97 m, vingespenn - 8,59 m, vingeareal 18,26 kvm. M. Startvekt - 4636 kg. Taket er 15 000 m. Flyrekkevidden er 1000 km. Bevæpning - en 37 mm kanon og to 23 mm. Kjøretøyet var klart høsten 1948, og i desember begynte flyprøvene på Krim på en militær flyplass nær byen Saki. Blant de som ledet testene var den fremtidige akademikeren Vladimir Vasilyevich Struminsky (1914–1998), pilotene til det eksperimentelle flyet var kaptein Oleg Sokolovsky og oberst Ivan Fedorov, som senere mottok tittelen Helt av Sovjetunionen. Sokolovsky, ved en absurd ulykke, døde under den fjerde flyturen, og glemte å lukke cockpitbaldakinen.
Oberst Ivan Fyodorov brøt lydbarrieren 26. desember 1948. Etter å ha steget til en høyde på 10 tusen meter, avledet han kontrollspaken fra seg og begynte å akselerere i et dykk. "Jeg akselererer min 176 fra stor høyde," husket piloten. - En kjedelig lav fløyte høres. Akselererende fart, flyet flyr til bakken. På skalaen til tachymeteret endres pilen fra tresifrede tall til firesifrede. Flyet skjelver som i feber. Og plutselig - stillhet! Lydbarrieren er tatt. Den påfølgende dekodingen av oscillogrammene viste at tallet M oversteg en. " Det skjedde i en høyde på 7.000 meter, hvor en hastighet på 1.02M ble registrert.
I fremtiden fortsatte hastigheten på bemannede fly å øke jevnlig på grunn av økning i motoreffekt, bruk av nye materialer og optimalisering av aerodynamiske parametere. Denne prosessen er imidlertid ikke ubegrenset. På den ene siden hindres det av hensyn til rasjonalitet når det tas hensyn til drivstofforbruk, utviklingskostnader, flysikkerhet og andre ikke inaktive hensyn. Og selv i militær luftfart, der penger og sikkerheten til piloten ikke er så viktige, ligger hastighetene til de mest "kvikke" maskinene i området fra 1,5M til 3M. Mer som om ikke nødvendig. (Hastighetsrekorden for bemannede romfartøy med jetmotorer tilhører det amerikanske rekognosasjonsflyet SR-71 og er 3,2M.)
På den annen side er det en uoverstigelig termisk barriere: ved en viss hastighet skjer oppvarmingen av maskinhuset ved friksjon mot luft så raskt at det er umulig å fjerne varme fra overflaten. Beregninger viser at dette ved normalt trykk skal skje med en hastighet på ca 10M.
Likevel ble 10M-grensen fortsatt nådd på samme Edwards-teststed. Det skjedde i 2005. Rekordinnehaveren var Kh-43A ubemannede rakettfly, produsert som en del av det 7-årige ambisiøse Hiper-X-programmet for å utvikle nye typer teknologier designet for å radikalt endre fremtidens rakett- og romteknologi. Kostnaden er $ 230 millioner. Rekorden ble satt i en høyde på 33 tusen meter. Dronen bruker et nytt akselerasjonssystem. Først utarbeides en tradisjonell drivstoffrakett, ved hjelp av hvilken X-43A når en hastighet på 7M, og deretter slås en ny type motor på - en hypersonisk ramjetmotor (scramjet eller scrumjet), der vanlig atmosfærisk luft brukes som oksidasjonsmiddel, og drivstoffet er gassformig. hydrogen (rett og slett klassisk oppsett av en ukontrollert eksplosjon).
I samsvar med programmet ble det produsert tre ubemannede modeller, som etter oppdraget ble druknet i havet. Den neste fasen innebærer oppretting av bemannede kjøretøyer. Etter å ha testet dem, vil de oppnådde resultatene bli tatt i betraktning når du lager et bredt utvalg av "nyttige" enheter. I tillegg til fly for NASAs behov, vil det opprettes hypersoniske militære kjøretøy - bombefly, rekognoseringsfly og transportfly. Boeing, som deltar i Hiper-X-programmet, planlegger å lage en hypersonisk passasjerfly med 250 passasjerer innen 2030-2040. Det er ganske forståelig at det ikke vil være vinduer som bryter aerodynamikk i slike hastigheter og ikke tåler termisk oppvarming. I stedet for koøyer antas det skjermer med videoopptak av skyer som passerer.
Det er ingen tvil om at denne typen transport vil være etterspurt, fordi jo lenger, jo dyrere tiden, som inneholder flere og flere følelser, tjente dollar og andre komponenter i det moderne liv per tidsenhet. I denne forbindelse er det ingen tvil om at en dag mennesker vil bli til en-dags sommerfugler: en dag vil være like rik som hele dagens (snarere gårsdagens) menneskeliv. Og vi kan anta at noen eller noe implementerer Hiper-X-programmet i forhold til menneskeheten.
Den første piloten som brøt lydbarrieren var Charles Yeager, som fløy en Bell X-1 høsten 1947. I Sovjet ble denne bragden gjentatt av pilotene Fedorov og Sokolovsky, som styrte en LA-176-jagerfly i en høyde på mer enn 15 tusen meter. Fartøyets supersoniske hastighet var 1104 km / t, hvor den kunne dekke omtrent tusen kilometer uten å fylle drivstoff. Mach-nummer er forholdet mellom lydhastigheten og hastigheten flyet kjører på. Oppkalt etter den berømte østerrikske fysikeren Ernst Maievsky, som studerte årsakene til sjokkbølger og aerodynamiske prosesser under supersonisk bevegelse av legemer.
Hva er en lydbarriere?
Lydbarrieren i aerodynamikk refererer til en rekke fenomener som følger bevegelsen til et fly med lydhastigheten (340 m / s) eller høyere. En lydbom oppstår på grunn av trykkstigninger og ledsages av et "smell", som av observatøren oppfattes som lyden av en eksplosjon. Som et resultat av bølgekrisen endres flytstrømmen rundt flyet, vibrasjoner vises, løft avtar og motstand øker.
Behovet for å overvinne lydbarrieren oppsto under andre verdenskrig, da mange piloter la merke til at en økning i hastigheten til en jagerfly forverret kontrollerbarheten og en rekke andre viktige egenskaper, for eksempel justering av kraner og luftroder. Piloter av stempelfly, som forsøkte å nå maksimal hastighet, møtte uunngåelig en bølgekrise, hvorfra det ikke var mulig å komme seg ut uten et dykk.
En viktig rolle i problemet med å forklare og overvinne lydbarrieren ble spilt av vitenskapelige arbeider viet til studiet av supersonisk gassbevegelse.
Mens flyet beveger seg i lav hastighet (opptil 420 km / t) i en høyde på opptil 3000 meter, er det ganske enkelt å beregne de nøyaktige flyparametrene. Imidlertid når det gjelder å overvinne lydbarrieren med et fly, faller ikke bare temperaturen over bord, men også tettheten i luftmiljøet. Når instrumentene viser tilsvarende hastighetsavlesninger i en høyde på 2000 meter og 10 000 meter, vil den faktiske hastigheten være høyere i tynn luft.
Supersonisk flyhastighet
Med lydens hastighet er ikke luftrommet lenger homogent og gjør bevegelsen av lavhastighetsfly veldig vanskelig. Det opprettes et miljø der sjokkbølger og endringer i strømmen rundt flyet vises, noe som skaper forutsetninger for en bølgekrise. En sjokkbølge øker gassens entropi, som avtar når lydbarrieren passerer.
Funksjoner av supersonisk flyging
Overgangen til overlydshastighet ledsages av en sjokkbølge som oppstår fra trykkforskjellen. Hvis det varer mer enn et sekund, kan fartøyets kropp ikke tåle slike belastninger, noe som vil føre til vraket. Hvis du ser på flyet som overvinner lydbarrieren i videoen, vil du legge merke til at nesten alt glasset av boligbygninger som ligger på jordoverflaten blir ødelagt av sjokkbølgen.
Etter at den amerikanske piloten Charles Yeager klarte å overvinne lydbarrieren for første gang, ble han rammet av den "guddommelige stillheten" som regjerte i cockpiten. For øyeblikket når pilen til mahmeteret klarer å passere merke 1.0, reduseres lydtrykket inne i fartøyet merkbart. Imidlertid øker risikoen for deformasjon av skroget og andre deler av flyet.
Støtets energiindikatorer (intensitet) påvirkes av miljøforholdene, flyets designegenskaper og bevegelseshastigheten. Pilotene til Concorde og TU-144 hypersoniske passasjerflyfly fikk lov til å overvinne lydbarrieren utelukkende over havoverflaten i et luftrom flere tusen meter høyere enn bevegelseshøyden til sivile standardfly.
Har du noen gang hørt popen fra et fly som krysser en supersonisk barriere?
JaNei
Hva skjer med flyet når det krysser lydbommen?
Hva skjer med et fly når det når lydhastigheten? Dannelsen av sjokkbølger begynner, som dukker opp i halen til flyet, i bakkant og frontkanter, så vel som på tuppen av skroget. Støtbølgen har en veldig liten tykkelse, og støtfronten er preget av dramatiske endringer i strømningsegenskaper. Hastighetsindikatorene reduseres i forhold til kroppen, og hastigheten får subsoniske egenskaper. Kinetisk energi konverteres delvis til gass (intern) energi.
Klappen til et supersonisk fly er en "sonisk bom" som oppstår på grunn av svingninger i lufttrykket. Klappen vises som et resultat av passeringen av hovedbølgen og oppfattes av lytteren hver gang flyet flyr over hodet på ham.
Omfanget av slike endringer er direkte proporsjonalt med hastigheten på den hypersoniske strømmen. Mach-tallet overstiger i dette tilfellet 5, og temperaturindikatorene øker for alvor, noe som forårsaker en rekke problemer for fly som beveger seg i supersonisk hastighet. Skader på de termiske skjoldene forårsaket krasjen av NASAs gjenbrukbare romferge Columbia i 2003. Shuttle gikk inn i jordens atmosfære for å lande og ble skadet av en kraftig sjokkbølge.
Russisk supersonisk passasjerfly
Det første passasjerflyet som brøt lydbarrieren var Tu-144, laget av ingeniører fra Tupolev designbyrå. For å overvinne lydbarrieren ble lineren laget i form av et haleløst lavvingefly utstyrt med ekstra kraftverk. TU-144 ble fratatt klaffene og lamellene som var vanlig for fly fra forrige generasjon, og overgangen til hypersonisk modus ble utført takket være en kompleks prosedyre for omfordeling av drivstoff til de bakre sentreringstankene.
Valkyrie supersonisk bombe i høy høyde
Valkyrie XB-70 høyhøydebomber, som utvikler en hastighet på over tre Machs (3673 km / t) og stiger til en høyde på over 20 tusen meter, overvinner lett lydbarrieren. For å reise med hypersonisk hastighet ble designerne tvunget til å redusere startvekten, og også overføre flyet til en pentaboran (borhydrogenbrenselblanding), som har økt forbrenningsenergi. Bomberen er en haleløs bomber laget av høyfast verktøyverktøystål.
Noen ganger, når en jetfly flyr på himmelen, kan du høre et kraftig smell, som høres ut som en eksplosjon. Dette "sprenget" er resultatet av at flyet bryter lydbarrieren.
Hva er en lydbarriere, og hvorfor hører vi en eksplosjon? OG som var den første som brøt lydmuren ? Vi vil vurdere disse problemene nedenfor.
Hva er en lydbarriere, og hvordan dannes den?
Aerodynamisk lydbarriere er en serie fenomener som følger bevegelsen til ethvert fly (fly, missil, etc.), hvis hastighet er lik eller overstiger lydhastigheten. Med andre ord er en aerodynamisk "lydbarriere" et skarpt hopp i luftmotstand som oppstår når et fly når lydens hastighet.
Lydbølger beveger seg gjennom rommet med en bestemt hastighet som endres med høyde, temperatur og trykk. For eksempel, på havnivå er lydhastigheten ca 1220 km / t, i en høyde på 15 tusen m - opp til 1000 km / t, etc. Når et flys hastighet nærmer seg lydhastigheten, påføres det visse belastninger. Ved normale (subsoniske) hastigheter, "driver" nesen på flyet en bølge av komprimert luft foran den, hvis hastighet tilsvarer lydhastigheten. Bølgehastigheten er større enn den normale flyhastigheten. Som et resultat flyter luft fritt rundt hele flyets overflate.
Men hvis flyets hastighet tilsvarer lydens hastighet, dannes kompresjonsbølgen ikke på nesen, men foran vingen. Som et resultat dannes en sjokkbølge som øker belastningen på vingene.
For at flyet skal kunne overvinne lydbarrieren, i tillegg til en viss hastighet, må det ha en spesiell design. Derfor har flydesignere utviklet og brukt en spesiell aerodynamisk vingeprofil og andre triks innen flykonstruksjon. I øyeblikket for å bryte lydbarrieren, føler piloten til et moderne supersonisk fly vibrasjoner, "hopp" og "aerodynamisk støt", som vi oppfatter på bakken som en spreng eller eksplosjon.
Hvem var den første som brøt lydmuren?
Spørsmålet om "pionerene" til lydbarrieren er det samme som spørsmålet om de første erobrerne av rommet. Til spørsmålet “ Hvem var den første til å overvinne den supersoniske barrieren ? " forskjellige svar kan gis. Dette er den første personen som bryter lydbarrieren, og den første kvinnen, og merkelig nok den første enheten ...
Den første som brøt lydbarrieren var testpilot Charles Edwurd Yeager (Chuck Yeager). 14. oktober 1947 gikk hans eksperimentelle fly Bell X-1, utstyrt med en rakettmotor, inn i et forsiktig dykk fra en høyde på 21379 m over Victorville (California, USA) og nådde lydhastigheten. Hastigheten på flyet var for øyeblikket 1207 km / t.
Gjennom hele sin karriere bidro den militære piloten et stort bidrag til utviklingen av ikke bare amerikansk militær luftfart, men også astronautikk. Charles Elwood Yeager avsluttet sin karriere som Air Force General, etter å ha reist til mange deler av verden. Opplevelsen av en militærpilot var nyttig selv i Hollywood når man arrangerte spektakulære luftstunts i spillefilmen "Pilot".
Chuck Yeagers historie om å bryte lydbarrieren blir fortalt av filmen "Guys That Needed", som vant fire Oscar i 1984.
Andre erobrere av lydbarrieren
I tillegg til Charles Yeager, som var den første som brøt lydbarrieren, var det andre rekordholdere.
- Den første sovjetiske testpiloten - Sokolovsky (26. desember 1948).
- Den første kvinnen er amerikanske Jacqueline Cochran (18. mai 1953). Flyr over Edwards Air Force Base (California, USA), hennes F-86 brøt lydbarrieren med en hastighet på 1223 km / t.
- Det første sivile flyet var det amerikanske passasjerflyflyet Douglas DC-8 (21. august 1961). Flyet, som fant sted i omtrent 12,5 tusen meters høyde, var eksperimentelt og organisert med sikte på å samle inn data som var nødvendige for den fremtidige utformingen av vingekanten.
- Første bil som brøt lydbommen - Thrust SSC (15. oktober 1997).
- Den første personen som brøt lydmuren i fritt fall var amerikaneren Joe Kittinger (1960), som hoppet med fallskjerm fra en høyde på 31,5 km. Etter at den fløy over den amerikanske byen Roswell (New Mexico, USA) 14. oktober 2012, satte østerrikske Felix Baumgartner imidlertid verdensrekord ved å forlate ballongen med fallskjerm i en høyde av 39 km. Samtidig var hastigheten omtrent 1342,8 km / t, og nedstigningen til bakken, hvorav det meste var i fritt fall, tok bare 10 minutter.
- Verdensrekorden for å bryte lydbarrieren med et fly tilhører X-15 hypersoniske aeroballistiske missiler fra luft-til-jord-klassen (1967), som nå er i tjeneste for den russiske hæren. Rakethastigheten i en høyde av 31,2 km var 6389 km / t. Jeg vil bemerke at den maksimale mulige hastigheten for menneskelig bevegelse i bemanningens flyhistorie er 39897 km / t, som ble nådd i 1969 av det amerikanske romskipet Apollo-10.
Første oppfinnelse for å bryte lydbarrieren
Merkelig nok, men den første oppfinnelsen som brøt lydbarrieren var ... en enkel pisk, oppfunnet av den gamle kineseren for 7 tusen år siden.
Inntil oppfinnelsen av øyeblikkelig fotografering i 1927, ville ingen trodd at piskesnippen ikke bare var stroppen på håndtaket, men et miniatyr supersonisk trykk. Under en skarp sving dannes en løkke, hvis hastighet øker flere titalls ganger og ledsages av et klikk. Sløyfen bryter lydbarrieren med en hastighet på ca 1200 km / t.
Hva forestiller vi oss når vi hører uttrykket "lydbarriere"? En viss grense og som kan påvirke hørsel og velvære alvorlig. Vanligvis er lydbarrieren knyttet til erobring av luftrom og
Å overvinne denne hindringen kan provosere utviklingen av kroniske sykdommer, smertesyndrom og allergiske reaksjoner. Er disse synspunktene riktige, eller er de etablerte stereotyper? Er de faktiske? Hva er en lydbarriere? Hvordan og hvorfor oppstår det? Alt dette og noen ekstra nyanser, så vel som historiske fakta knyttet til dette konseptet, vil vi prøve å finne ut av i denne artikkelen.
Denne mystiske vitenskapen er aerodynamikk
I vitenskapen om aerodynamikk, designet for å forklare fenomenene som følger med bevegelse
fly, er det begrepet "lydbarriere". Dette er en rekke fenomener som oppstår når supersoniske fly eller raketter beveger seg i hastigheter nær lydhastigheten eller større.
Hva er en sjokkbølge?
I prosessen med supersonisk strømning rundt kjøretøyet oppstår en sjokkbølge i en vindtunnel. Sporene kan sees selv med det blotte øye. På bakken vises de med en gul linje. Utenfor kjeglen til sjokkbølgen, foran den gule linjen, på bakken, høres ikke engang flyet. Ved en hastighet som overstiger lydhastigheten, utsettes kroppene for en lydstrøm, som medfører en sjokkbølge. Hun er kanskje ikke alene, avhengig av kroppens form.
Sjokkbølgetransformasjon
Sjokkfronten, som noen ganger kalles en sjokkbølge, har en ganske liten tykkelse, som likevel gjør det mulig å spore brå endringer i strømningens egenskaper, en reduksjon i hastigheten i forhold til kroppen, og en tilsvarende økning i trykket og temperaturen til gassen i strømmen. I dette tilfellet blir den kinetiske energien delvis omgjort til gassens indre energi. Mengden av disse endringene avhenger direkte av hastigheten på den supersoniske strømmen. Når sjokkbølgen beveger seg bort fra apparatet, reduseres trykkfall og sjokkbølgen omdannes til lyd. Hun kan nå en utenforstående observatør som hører en særegen lyd som ligner en eksplosjon. Det er en oppfatning at dette indikerer at kjøretøyet nådde lydhastigheten når flyet forlater lydbommen.
Hva skjer egentlig?
Det såkalte øyeblikket for å bryte lydbarrieren i praksis er passering av en sjokkbølge med et økende rumling av flymotorer. Nå er apparatet foran den tilhørende lyden, så brummen av motoren vil bli hørt etter den. Å nærme seg hastigheten til lydhastigheten ble mulig under andre verdenskrig, men samtidig noterte pilotene alarmerende signaler i operasjonen av flyet.
Etter krigens slutt søkte mange flydesignere og piloter å oppnå lydhastigheten og overvinne lydbarrieren, men mange av disse forsøkene endte tragisk. Pessimistiske forskere hevdet at denne grensen ikke kunne overskrides. På ingen måte eksperimentell, men vitenskapelig, var det mulig å forklare innholdet i begrepet "lydbarriere" og finne måter å overvinne det på.
Sikre flyreiser med transoniske og supersoniske hastigheter er mulige når man unngår en bølgekrise, hvis forekomst avhenger av de aerodynamiske parametrene til flyet og høyden på flyet som utføres. Overganger fra ett hastighetsnivå til et annet bør utføres så raskt som mulig ved bruk av etterbrenner, noe som vil bidra til å unngå en lang flytur i sonen med en bølgekrise. Bølgekrise som konsept kom fra vanntransport. Den oppstod i øyeblikket av bevegelse av skip med en hastighet nær hastigheten på bølgene på vannoverflaten. Å komme inn i en bølgekrise medfører vanskeligheter med å øke hastigheten, og hvis det er så enkelt som mulig å overvinne bølgekrisen, kan du gå inn i planing eller glidemodus på vannoverflaten.
Historie i flykontroll
Den første personen som når supersonisk flyhastighet i et eksperimentelt fly er den amerikanske piloten Chuck Yeager. Hans prestasjon er notert i historien 14. oktober 1947. På Sovjetunionens territorium ble lydbarrieren brutt 26. desember 1948 av Sokolovsky og Fedorov, som fløy en erfaren jagerfly.
Av de sivile brøt Douglas DC-8 passasjerforing lydbommen, som 21. august 1961 nådde en hastighet på 1.012 M, eller 1262 km / t. Flyet hadde som mål å samle inn data for vingedesign. Blant flyene ble verdensrekorden satt av et hypersonisk aeroballistisk luft-til-bak-rakett, som er i tjeneste med den russiske hæren. I en høyde av 31,2 kilometer utviklet raketten en hastighet på 6389 km / t.
50 år etter å ha brutt lydbommen i luften, gjorde engelskmannen Andy Green en lignende prestasjon i en bil. I fritt fall prøvde amerikaneren Joe Kittinger å slå rekorden, som erobret en høyde på 31,5 kilometer. I dag, 14. oktober 2012, satte Felix Baumgartner en verdensrekord, uten hjelp av transport, i fritt fall fra en høyde på 39 kilometer og brøt lydbommen. Samtidig nådde hastigheten 1342,8 kilometer i timen.
Den mest uvanlige lydbarrieren som bryter
Det er rart å tenke, men den første oppfinnelsen i verden for å overvinne denne grensen var en vanlig pisk, som ble oppfunnet av de gamle kineserne for nesten 7 tusen år siden. Nesten frem til oppfinnelsen av øyeblikkelig fotografering i 1927, var det ingen som mistenkte at pisken var en miniatyr-lydbom. En skarp sving danner en løkke, og hastigheten øker kraftig, noe som bekreftes av et klikk. Lydbarrieren overvinnes med en hastighet på ca 1200 km / t.
Det mest støyende bymysteriet
Det er ikke for ingenting at innbyggere i småbyer er sjokkerte når de ser hovedstaden for første gang. Overfloden av transport, hundrevis av restauranter og underholdningssentre er forvirrende og foruroligende. Begynnelsen av våren i hovedstaden er vanligvis datert april, og ikke en opprørsk snøstorm mars. I april er det klar himmel, bekker løper og knopper blomstrer. Folk som er lei av den lange vinteren, åpner vinduene for solen, og gatestøy brister inn i husene deres. På gaten kvitrer fugler øredøvende, kunstnere synger, morsomme studenter resiterer poesi, for ikke å snakke om støyen i trafikkorkene og T-banen. Ansatte ved hygieneavdelingene bemerker at det å være i en støyende by i lang tid er usunt. Hovedstadens lydbakgrunn består av transport,
luftfarts-, industri- og husstøy. Det mest skadelige er bare bilstøy, siden fly flyr høyt nok, og støy fra bedrifter oppløses i bygningene sine. Den konstante summen av biler på spesielt travle motorveier dobler alle tillatte normer. Hvordan blir lydbarrieren overvunnet i hovedstaden? Moskva er farlig med en overflod av lyder, så innbyggerne i hovedstaden installerer doble vinduer for å dempe støyen.
Hvordan utføres stormingen av lydbarrieren?
Inntil 1947 var det ingen faktiske data om helsen til en person i cockpiten til et fly som flyr raskere enn lyd. Det viste seg at det å kreve lydbarrieren krever en viss styrke og mot. Under flyturen blir det klart at det ikke er noen garanti for overlevelse. Selv en profesjonell pilot kan ikke si sikkert om strukturen til et fly tåler et angrep av elementene. I løpet av få minutter kan flyet rett og slett falle fra hverandre. Hva forklarer dette? Det skal bemerkes at bevegelse med subsonisk hastighet skaper akustiske bølger som sprer seg som sirkler fra en fallende stein. Supersonisk hastighet vekker sjokkbølger, og en person som står på bakken hører en lyd som ser ut som en eksplosjon. Uten kraftige datamaskiner var det vanskelig å løse komplekse og måtte stole på å blåse modeller i vindtunneler. Noen ganger, med utilstrekkelig akselerasjon av flyet, når sjokkbølgen en slik kraft at vinduer flyr ut av husene som flyet flyr over. Ikke alle vil være i stand til å overvinne lydbarrieren, for i dette øyeblikket rister hele strukturen, enhetens monteringer kan få betydelig skade. Dette er grunnen til at god helse og følelsesmessig stabilitet er så viktig for piloter. Hvis flyturen er jevn, og lydbarrieren blir overvunnet så raskt som mulig, vil verken piloten eller potensielle passasjerer føle seg spesielt ubehagelige opplevelser. Et forskningsfly ble bygget spesielt for å erobre lydbarrieren i januar 1946. Opprettelsen av maskinen ble initiert av en ordre fra Forsvarsdepartementet, men i stedet for våpen var den fylt med vitenskapelig utstyr som overvåket driftsmodus for mekanismer og enheter. Dette flyet var som et moderne cruisemissil med integrert rakettmotor. Flyet krysset lydbarrieren med en maksimal hastighet på 2736 km / t.
Verbale og materielle monumenter for erobring av lydens hastighet
Fremskritt i å bryte lydbommen er fortsatt høyt ansett i dag. Så, flyet som Chuck Yeager først overvant, vises nå på National Museum of Aeronautics and Astronautics, som ligger i Washington. Men de tekniske parametrene for denne menneskelige oppfinnelsen ville være lite verdt uten fortjenesten til piloten selv. Chuck Yeager gikk gjennom flyskolen og kjempet i Europa, hvoretter han returnerte til England. Urettferdig suspensjon fra flyreiser brøt ikke Yeager ånd, og han oppnådde en mottakelse fra øverstkommanderende for troppene i Europa. I løpet av årene som var igjen til slutten av krigen, deltok Yeager i 64 ruter, der han skjøt ned 13 fly. Chuck Yeager kom tilbake til hjemlandet med rang som kaptein. Hans karakteristikk indikerer fenomenal intuisjon, utrolig ro og utholdenhet i kritiske situasjoner. Ved mer enn en anledning har Yeager satt rekorder på flyet sitt. Hans videre karriere var i Luftforsvaret, hvor han gjennomførte pilotopplæring. Sist Chuck Yeager brøt lydbarrieren var 74 år gammel, som falt på femtiårsdagen for flyhistorien hans og i 1997.
Komplekse oppgaver til flydesignere
Det verdensberømte MiG-15-flyet begynte å bli opprettet for øyeblikket da utviklerne innså at det var umulig å bare stole på å overvinne lydbarrieren, men komplekse tekniske problemer måtte løses. Som et resultat ble en maskin opprettet så vellykket at endringene ble vedtatt av forskjellige land. Flere forskjellige designbyråer deltok i en slags konkurranse der prisen var et patent på det mest vellykkede og funksjonelle flyet. Svingede fly ble utviklet, noe som var en revolusjon i designen. Den ideelle maskinen vil være kraftig, rask og utrolig motstandsdyktig mot ekstern skade. De svevede vingene på fly ble et element som hjalp dem med å tredoble lydens hastighet. Så fortsatte den å vokse, noe som ble forklart av økningen i motoreffekt, bruk av innovative materialer og optimalisering av aerodynamiske parametere. Å overvinne lydbarrieren har blitt mulig og reell til og med for en ikke-profesjonell, men det blir ikke mindre farlig på grunn av dette, så enhver ekstrem bør fornuftig vurdere styrkene sine før de bestemmer seg for et slikt eksperiment.
For øyeblikket ser problemet med å "bryte lydbarrieren" ut til å være oppgaven til kraftige kraftmotorer. Hvis det er tilstrekkelig skyvekraft for å overvinne økningen i luftmotstand opp til og direkte på lydbarrieren, slik at flyet raskt kan passere gjennom det kritiske hastighetsområdet, bør det forventes små vanskeligheter. Det kan være lettere for et fly å fly i overlydshastighetsområdet enn i overgangsområdet mellom subsonisk og supersonisk hastighet.
Dermed er situasjonen noe lik den som hersket i begynnelsen av dette århundret, da Wright-brødrene var i stand til å bevise muligheten for aktiv flyging fordi de hadde en lett motor med tilstrekkelig skyvekraft. Hvis vi hadde de riktige motorene, ville supersonisk flyging bli ganske vanlig. Inntil nylig ble det bare utført ganske uøkonomiske fremdriftssystemer, for eksempel rakett- og ramjetmotorer (ramjets) med veldig høyt drivstofforbruk, for å overvinne lydbarrieren under planflyging. Eksperimentelle fly som X-1 og Sky-rakett er utstyrt med rakettmotorer som bare er pålitelige i noen få minutters flytur, eller turbojetmotorer med etterbrennere, men i skrivende stund er det flere fly som kan fly fra supersonisk hastighet i en halv time. Hvis du leser i avisen at et fly "gikk gjennom lydbarrieren," betyr det ofte at det gjorde det gjennom et dykk. I dette tilfellet supplerte tyngdekraften mangelen på trekkraft.
Det er et merkelig fenomen forbundet med disse aerobatics som jeg vil påpeke. Anta flyet
nærmer seg observatøren i subsonisk hastighet, dykker, når supersonisk hastighet, går deretter ut av dykket og fortsetter å fly i subsonisk hastighet igjen. I dette tilfellet hører observatøren på bakken ofte to høye blomstrende lyder, ganske raskt etter hverandre: "Boom, boom!" Noen forskere har foreslått forklaringer på opprinnelsen til den dobbelte brummen. Akeret i Zürich og Maurice Roy i Paris antydet begge at brummen skyldes akkumulering av lydimpulser, som motorstøy, som sendes ut mens flyet passerer lydhastigheten. Hvis flyet beveger seg mot observatøren, vil støyen som sendes ut av flyet nå observatøren på kortere tid sammenlignet med intervallet det ble utstedt i. Dermed er det alltid noe akkumulering av lydimpulser, forutsatt at lydkilden beveger seg mot observatøren. Imidlertid, hvis lydkilden beveger seg med en hastighet nær lydhastigheten, blir akkumuleringen uendelig forbedret. Dette blir tydelig hvis vi antar at all lyden som sendes ut av en kilde som beveger seg nøyaktig med lydhastigheten direkte mot observatøren, vil nå sistnevnte på et kort øyeblikk, nemlig når lydkilden har nærmet seg observatørens plassering. Årsaken er at lyden og lydkilden vil bevege seg i samme hastighet. Hvis lyden beveget seg i løpet av denne tidsperioden med supersonisk hastighet, ville sekvensen av oppfattede og sendte lydimpulser bli reversert; observatøren vil skille mellom signalene som sendes ut senere, før han oppfatter signalene som sendes ut tidligere.
Den doble brummeprosessen, i samsvar med denne teorien, kan illustreres med diagrammet i fig. 58. Anta at flyet beveger seg direkte mot observatøren, men med variabel hastighet. AB-kurven viser flyets bevegelse over tid. Helningsvinkelen til tangenten til kurven indikerer flyets øyeblikkelige hastighet. De parallelle linjene vist i diagrammet indikerer lydutbredelse; skråningen i disse rette linjene tilsvarer lydens hastighet. Først er flyets hastighet subsonisk i seksjonen, deretter overlyd i seksjonen, og til slutt, i seksjonen, subsonisk igjen. Hvis observatøren er på den første avstanden D, tilsvarer punktene vist på den horisontale linjen sekvensen av oppfattet
Figur: 58. Diagram over avstandstid for et fly som flyr med variabel hastighet. Parallelle linjer med en hellingsvinkel viser forplantning av lyd.
lydimpulser. Vi ser at lyden som sendes ut av flyet under den andre passasjen av lydbarrieren (punktet) når observatøren tidligere enn lyden som sendes ut under den første passasjen (punktet). I disse to øyeblikkene oppfatter observatøren impulser som sendes ut i en begrenset periode med et uendelig lite tidsintervall. Derfor hører han et rumling som en eksplosjon. Mellom to lyder av brummen oppfatter han samtidig tre impulser som flyet sender ut til forskjellige tider.
I fig. 59 er en skjematisk illustrasjon av støyintensiteten som kan forventes i dette forenklede tilfellet. Det skal bemerkes at akkumulering av lydpulser i tilfelle en nærliggende lydkilde er den samme prosessen kjent som dopplereffekten; imidlertid er karakteristikken for sistnevnte effekt vanligvis begrenset til endringen i tonehøyde assosiert med akkumuleringsprosessen. Intensiteten til den opplevde støyen er vanskelig å beregne fordi den avhenger av mekanismen for lydproduksjon, som ikke er kjent. I tillegg kompliseres prosessen av banens form, mulige ekkoer, samt sjokkbølger som blir observert i forskjellige deler av flyet under flyturen, og hvis energi blir omgjort til lydbølger etter at flyet reduserer hastigheten. I noen
Figur: 59. Skjematisk fremstilling av intensiteten til støyen som observeres.
i nyere artikler om dette emnet tilskrives fenomenet dobbel brum, noen ganger trippel, observert i ultrahurtige dykk, disse sjokkbølgene.
Problemet med å "bryte lydbarrieren" eller "lydmuren" ser ut til å begeistre publikums fantasi (den engelske filmen Breaking the Sound Barrier gir litt innsikt i utfordringene ved å fly gjennom en enkelt Mach); piloter og ingeniører diskuterer problemet både seriøst og spøkende. Den neste "vitenskapelige rapporten" om transonic flight demonstrerer en fantastisk kombinasjon av teknisk kunnskap og poetiske friheter:
Vi gled jevnt gjennom lufta i 540 miles i timen. Jeg har alltid likt den lille XP-AZ5601-NG for den enkle betjeningen og for det faktum at Prandtl-Reynolds-indikatoren er skjult i høyre hjørne øverst på panelet. Jeg sjekket instrumentene. Vann, drivstoff, o / min, effektivitet i Carnot, bakkehastighet, entalpi. Alt ok. Kurs 270 °. Forbrenningseffektiviteten er normal - 23 prosent. Den gamle turbojetmotoren brummet rolig som alltid, og Tonys tenner raslet knapt fra de 17 dørene hans, som han kastet over Schenectady. Bare en tynn oljelekkasje lekker fra motoren. Dette er livet!
Jeg visste at flyets motor var god for hastigheter høyere enn noe vi noen gang har prøvd. Været var så klart, himmelen var så blå, luften var så rolig at jeg ikke kunne motstå og økte farten. Jeg flyttet spaken sakte en posisjon fremover. Regulatoren svingte bare litt, og etter fem minutter var det rolig. 590 km / t Jeg trykket på spaken igjen. Bare to dyser er tette. Jeg presset på det smale hullet. Åpnet igjen. 640 km / t Stille. Røret ble nesten bøyd, noen få kvadratmeter fremdeles utsatt på den ene siden. Hendene klødde på spaken, og jeg trykket på den igjen. Flyet akselererte til 690 miles i timen, og passerte gjennom det kritiske segmentet uten å bryte et eneste vindu. Cockpiten ble varm, så jeg blåste litt mer luft inn i vortexkjøleren. Mach 0,9! Jeg har aldri fløyet raskere. Jeg kunne se en liten risting utenfor koøyen, så jeg justerte vingeformen og den forsvant.
Tony sovnet nå, og jeg blåste røyk fra pipen hans. Jeg kunne ikke motstå og la til et nytt hastighetsnivå. På nøyaktig ti minutter tok vi igjen Mach 0,95. Bak i forbrenningskamrene falt det totale trykket djevelsk. Det var livet! Pocket-indikatoren var rød, men jeg brydde meg ikke. Tonys lys brant fortsatt. Jeg visste at gamma var , men jeg brydde meg ikke.
Hodet mitt snurret av spenning. Litt til! Jeg la hånden min på spaken, men akkurat i det øyeblikket rakte Tony ut og kneet hans børstet mot hånden min. Spaken hoppet så mye som ti nivåer! Faen! Det lille flyet ristet hele lengden, og det kolossale tapet av fart kastet Tony og meg på panelet. Det føltes som vi traff en solid murvegg! Jeg kunne se at nesen på flyet var krøllete. Jeg så på turtelleren og frøs! 1,00! Gud, på et øyeblikk tenkte jeg at vi er maksimalt! Hvis jeg ikke får ham til å bremse før han glir av, vil vi finne oss i avtagende motstand! For sent! Mach 1.01! 1.02! 1.03! 1.04! 1.06! 1,09! 1,13! 1,18! Jeg var desperat, men Tony visste hva jeg skulle gjøre. I løpet av et øyeblikk ga han tilbake
bevege seg! Varm luft strømmet inn i eksosrøret, den ble komprimert i turbinen, brøt igjen inn i kamrene, utvidet kompressoren. Drivstoff begynte å strømme inn i tankene. Entropimåleren svingte til null. Mach 1,20! 1,19! 1,18! 1,17! Vi er frelst. Den gled bakover, den skiftet bakover mens Tony og jeg ba om at strømningsdeleren ikke skulle feste seg. 1,10! 1,08! 1.05!
Faen! Vi traff den andre siden av veggen! Vi er fanget! Ikke nok negativ skyvekraft til å bryte gjennom ryggen!
Da vi krympet av frykt for veggen, falt halen på det lille flyet fra hverandre og Tony ropte: "Tenn rakettforsterkerne!" Men de snudde i feil retning!
Tony stakk ut og dyttet dem fremover, Machs linjer strømmet fra fingrene. Jeg satte fyr på dem! Slaget var overveldende. Vi gikk ut.
Da jeg kom til meg selv, passerte vårt lille fly, alt vridd, seg gjennom null Mach! Jeg dro Tony ut og vi falt hardt ned på bakken. Flyet avtok i øst. Noen sekunder senere hørte vi et krasj, som om det hadde truffet en annen vegg.
Det ble ikke funnet en eneste skrue. Tony begynte å veve nett, og jeg vandret til MIT.
