Schallmauer. Wer hat als Erster die Schallmauer durchbrochen? So durchbrechen Sie die Schallmauer

Ein ungewöhnliches Bild lässt sich manchmal beim Flug von Düsenflugzeugen beobachten, die aus einer Nebelwolke aufzutauchen scheinen. Dieses Phänomen wird Prandtl-Gloert-Effekt genannt und besteht aus dem Erscheinen einer Wolke hinter einem Objekt, das sich bei hoher Luftfeuchtigkeit mit transsonischer Geschwindigkeit bewegt.

Der Grund für dieses ungewöhnliche Phänomen liegt darin, dass ein mit hoher Geschwindigkeit fliegendes Flugzeug vor sich einen Bereich mit hohem Luftdruck und dahinter einen Bereich mit niedrigem Luftdruck erzeugt. Nachdem das Flugzeug vorbeifliegt, beginnt sich der Tiefdruckbereich mit Umgebungsluft zu füllen. In diesem Fall wird aufgrund der ausreichend hohen Trägheit der Luftmassen zunächst das gesamte Tiefdruckgebiet mit Luft aus an das Tiefdruckgebiet angrenzenden Nachbargebieten gefüllt.

Bei diesem Prozess handelt es sich lokal um einen adiabatischen Prozess, bei dem das von der Luft eingenommene Volumen zunimmt und ihre Temperatur abnimmt. Bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit kann die Temperatur so stark absinken, dass sie unter den Taupunkt fällt. Anschließend kondensiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf zu winzigen Tröpfchen, die eine kleine Wolke bilden.

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Wenn sich der Luftdruck normalisiert, gleicht sich die Temperatur darin aus und steigt wieder über den Taupunkt, und die Wolke löst sich schnell in der Luft auf. Normalerweise beträgt seine Lebensdauer nicht mehr als den Bruchteil einer Sekunde. Wenn also ein Flugzeug fliegt, scheint die Wolke ihm zu folgen – aufgrund der Tatsache, dass sie sich ständig unmittelbar hinter dem Flugzeug bildet und dann verschwindet.

Es gibt ein weit verbreitetes Missverständnis, dass das Erscheinen einer Wolke aufgrund des Prandtl-Glauert-Effekts bedeutet, dass dies der Moment ist, in dem das Flugzeug die Schallmauer durchbricht. Bei normaler oder leicht erhöhter Luftfeuchtigkeit bildet sich eine Wolke nur bei hohen Geschwindigkeiten, nahe der Schallgeschwindigkeit. Gleichzeitig kann dieser Effekt bei Flügen in geringer Höhe und bei sehr hoher Luftfeuchtigkeit (zum Beispiel über dem Meer) bei Geschwindigkeiten beobachtet werden, die deutlich unter der Schallgeschwindigkeit liegen.

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Es liegt ein Missverständnis mit „klatschen“ vor, das auf ein Missverständnis des Begriffs „Schallmauer“ zurückzuführen ist. Dieses „Knall“ wird zu Recht als „Überschallknall“ bezeichnet. Ein Flugzeug, das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, erzeugt Stoßwellen und Luftdruckstöße in der umgebenden Luft. Vereinfacht kann man sich diese Wellen als einen den Flug eines Flugzeugs begleitenden Kegel vorstellen, dessen Spitze sozusagen an der Rumpfnase befestigt ist und dessen Erzeuger gegen die Bewegung des Flugzeugs gerichtet sind und sich recht weit ausbreiten , zum Beispiel zur Erdoberfläche.

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Wenn die Grenze dieses imaginären Kegels, der die Vorderseite der Hauptschallwelle markiert, das menschliche Ohr erreicht, ist ein starker Drucksprung in Form eines Klatschens zu hören. Der Überschallknall begleitet wie an einer Fessel den gesamten Flug des Flugzeugs, vorausgesetzt, das Flugzeug bewegt sich schnell genug, wenn auch mit konstanter Geschwindigkeit. Das Klatschen scheint der Durchgang der Hauptwelle eines Überschallknalls über einen festen Punkt auf der Erdoberfläche zu sein, an dem sich beispielsweise der Zuhörer befindet.

Mit anderen Worten: Wenn ein Überschallflugzeug begann, mit konstanter Überschallgeschwindigkeit über dem Zuhörer hin und her zu fliegen, dann wäre der Knall jedes Mal zu hören, einige Zeit nachdem das Flugzeug in ziemlich geringer Entfernung über den Zuhörer geflogen wäre.

Aber schauen Sie sich an, was für eine interessante Aufnahme! Das ist das erste Mal, dass ich das sehe!

Anklickbar 1920 px - zu wem auf dem Tisch!

Derzeit scheint das Problem des „Durchbrechens der Schallmauer“ im Wesentlichen ein Problem für Hochleistungsantriebsmotoren zu sein. Wenn genügend Schub vorhanden ist, um den Anstieg des Luftwiderstands bis zur Schallmauer und unmittelbar an der Schallmauer zu überwinden, so dass das Flugzeug den kritischen Geschwindigkeitsbereich schnell passieren kann, sind keine besonderen Schwierigkeiten zu erwarten. Für ein Flugzeug könnte es einfacher sein, im Üzu fliegen als im Übergangsbereich zwischen Unterschall- und Überschallgeschwindigkeit.

Damit ähnelt die Situation in gewisser Weise derjenigen zu Beginn dieses Jahrhunderts, als die Gebrüder Wright die Möglichkeit des Motorflugs nachweisen konnten, weil sie über ein leichtes Triebwerk mit ausreichend Schub verfügten. Wenn wir die richtigen Motoren hätten, würden Überschallflüge weit verbreitet sein. Bis vor Kurzem gelang das Durchbrechen der Schallmauer im Horizontalflug nur durch den Einsatz eher unwirtschaftlicher Antriebssysteme wie Raketen- und Staustrahltriebwerke mit sehr hohem Treibstoffverbrauch. Experimentelle Flugzeuge wie die X-1 und die Sky-Rocket sind mit Raketentriebwerken ausgestattet, die nur für wenige Flugminuten zuverlässig sind, oder Turbostrahltriebwerken mit Nachbrennern, aber zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels gibt es nur wenige Flugzeuge, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen können für eine halbe Stunde. Wenn Sie in einer Zeitung lesen, dass ein Flugzeug „die Schallmauer passiert“ hat, bedeutet das oft, dass es die Schallmauer passiert hat. In diesem Fall ergänzte die Schwerkraft die unzureichende Zugkraft.

Mit diesen Kunstflügen ist ein seltsames Phänomen verbunden, auf das ich hinweisen möchte. Nehmen wir an, dass das Flugzeug

nähert sich dem Beobachter mit Unterschallgeschwindigkeit, taucht ab, erreicht Überschallgeschwindigkeit, verlässt dann den Tauchgang und fliegt erneut mit Unterschallgeschwindigkeit weiter. In diesem Fall hört ein Beobachter am Boden oft zwei laute, ziemlich schnell aufeinander folgende, dröhnende Geräusche: „Boom, boom!“ Einige Wissenschaftler haben Erklärungen für den Ursprung des Doppelsummens vorgeschlagen. Ackeret in Zürich und Maurice Roy in Paris vermuteten beide, dass das Brummen auf die Anhäufung von Schallimpulsen zurückzuführen sei, beispielsweise auf Triebwerksgeräusche, die während der Schallgeschwindigkeit des Flugzeugs ausgesandt würden. Wenn sich ein Flugzeug auf einen Beobachter zubewegt, erreicht der vom Flugzeug erzeugte Lärm den Beobachter in kürzerer Zeit als in dem Zeitraum, in dem er emittiert wurde. Somit kommt es immer zu einer gewissen Anhäufung von Schallimpulsen, sofern sich die Schallquelle auf den Betrachter zubewegt. Bewegt sich die Schallquelle jedoch mit einer Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit, verstärkt sich die Akkumulation ins Unendliche. Dies wird deutlich, wenn man bedenkt, dass der gesamte Schall, der von einer Quelle ausgesandt wird, die sich genau mit Schallgeschwindigkeit direkt auf den Beobachter zubewegt, diesen in einem kurzen Moment erreicht, nämlich dann, wenn sich die Schallquelle dem Standort des Beobachters nähert. Der Grund dafür ist, dass sich Schall und Schallquelle mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen. Würde sich der Schall in diesem Zeitraum mit Überschallgeschwindigkeit bewegen, wäre die Reihenfolge der wahrgenommenen und ausgesendeten Schallimpulse umgekehrt; Der Beobachter wird später ausgesendete Signale unterscheiden, bevor er früher ausgesendete Signale wahrnimmt.

Der Vorgang des Doppelbrummens gemäß dieser Theorie kann durch das Diagramm in Abb. veranschaulicht werden. 58. Angenommen, ein Flugzeug bewegt sich direkt auf den Beobachter zu, jedoch mit variabler Geschwindigkeit. Die AB-Kurve zeigt die Bewegung des Flugzeugs als Funktion der Zeit. Der Winkel der Tangente an die Kurve gibt die momentane Geschwindigkeit des Flugzeugs an. Die im Diagramm dargestellten parallelen Linien zeigen die Schallausbreitung an; Der Neigungswinkel dieser Geraden entspricht der Schallgeschwindigkeit. Zuerst ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs auf dem Segment Unterschallgeschwindigkeit, dann auf dem Segment Überschallgeschwindigkeit und schließlich auf dem Segment wieder Unterschallgeschwindigkeit. Befindet sich der Beobachter im Anfangsabstand D, dann entsprechen die auf der horizontalen Linie dargestellten Punkte der wahrgenommenen Reihenfolge

Reis. 58. Weg-Zeit-Diagramm eines Flugzeugs, das mit variabler Geschwindigkeit fliegt. Parallele Linien mit einem Neigungswinkel zeigen die Schallausbreitung.

Schallimpulse. Wir sehen, dass der Schall, den das Flugzeug beim zweiten Durchgang durch die Schallmauer erzeugt (Punkt ), früher beim Betrachter ankommt als der Schall, der beim ersten Durchgang entsteht (Punkt). Während dieser beiden Momente nimmt der Beobachter über einen verschwindend kleinen Zeitraum hinweg Impulse wahr, die während eines begrenzten Zeitraums ausgesendet werden. Infolgedessen hört er einen Knall wie eine Explosion. Zwischen den beiden Rumpelgeräuschen nimmt er gleichzeitig drei Impulse wahr, die das Flugzeug zu unterschiedlichen Zeiten aussendet.

In Abb. Abbildung 59 zeigt schematisch die in diesem vereinfachten Fall zu erwartende Lärmintensität. Es ist zu beachten, dass es sich bei der Akkumulation von Schallimpulsen bei Annäherung einer Schallquelle um den gleichen Vorgang handelt, der als Doppler-Effekt bekannt ist; Die Charakteristik des letztgenannten Effekts beschränkt sich jedoch normalerweise auf die mit dem Akkumulationsprozess verbundene Tonhöhenänderung. Die Intensität des wahrgenommenen Lärms ist schwer zu berechnen, da sie vom Mechanismus der Schallerzeugung abhängt, der nicht sehr gut bekannt ist. Darüber hinaus wird der Prozess durch die Form der Flugbahn, mögliche Echos sowie Stoßwellen erschwert, die während des Fluges in verschiedenen Teilen des Flugzeugs beobachtet werden und deren Energie nach der Geschwindigkeitsreduzierung des Flugzeugs in Schallwellen umgewandelt wird. In einigen

Reis. 59. Schematische Darstellung der von einem Beobachter wahrgenommenen Lärmintensität.

Neuere Artikel zu diesem Thema haben das Phänomen des Doppelbrummens, manchmal auch des Dreifachbrummens, das bei Hochgeschwindigkeitstauchgängen beobachtet wird, auf diese Stoßwellen zurückgeführt.

Das Problem des „Durchbrechens der Schallmauer“ oder „Schallwand“ scheint die Fantasie der Öffentlichkeit anzuregen (ein englischer Film mit dem Titel „Breaking the Sound Barrier“ vermittelt einen Eindruck von den Herausforderungen, die mit dem Mach-1-Flug verbunden sind); Piloten und Ingenieure diskutieren ernsthaft und scherzhaft über das Problem. Der folgende „wissenschaftliche Bericht“ über transsonische Flüge demonstriert eine feine Kombination aus technischem Wissen und poetischer Freiheit:

Wir glitten sanft mit 540 Meilen pro Stunde durch die Luft. Ich mochte den kleinen XP-AZ5601-NG schon immer wegen seiner einfachen Steuerung und der Tatsache, dass die Prandtl-Reynolds-Anzeige in der rechten Ecke oben auf dem Bedienfeld versteckt ist. Ich habe die Instrumente überprüft. Wasser, Treibstoff, Umdrehungen pro Minute, Carnot-Wirkungsgrad, Geschwindigkeit über Grund, Enthalpie. Alles ok. Kurs 270°. Der Verbrennungswirkungsgrad ist normal – 23 Prozent. Das alte Turbojet-Triebwerk schnurrte ruhig wie immer und Tonys Zähne klapperten kaum von seinen 17 Türen, über Schenectady geworfen. Aus dem Motor lief nur ein dünner Tropfen Öl aus. Das ist das Leben!

Ich wusste, dass der Flugzeugmotor für höhere Geschwindigkeiten geeignet war, als wir es jemals versucht hatten. Das Wetter war so klar, der Himmel so blau, die Luft so ruhig, dass ich nicht widerstehen konnte und meine Geschwindigkeit erhöhte. Ich bewegte den Hebel langsam eine Position nach vorne. Der Regler bewegte sich nur leicht und nach etwa fünf Minuten war alles ruhig. 590 Meilen pro Stunde. Ich drückte den Hebel erneut. Nur zwei Düsen sind verstopft. Ich habe den Schmallochreiniger gedrückt. Wieder geöffnet. 640 Meilen pro Stunde. Ruhig. Das Auspuffrohr war fast vollständig verbogen, auf einer Seite standen noch einige Quadratzentimeter frei. Meine Hände juckten nach dem Hebel, also drückte ich ihn noch einmal. Das Flugzeug beschleunigte auf 690 Meilen pro Stunde und durchquerte den kritischen Abschnitt, ohne ein einziges Fenster zu zerbrechen. Die Kabine wurde warm, also habe ich etwas mehr Luft in den Vortex-Kühler gegeben. Mach 0,9! Ich bin noch nie schneller geflogen. Ich konnte außerhalb des Bullauges ein leichtes Zittern sehen, also passte ich die Flügelform an und es verschwand.

Tony döste jetzt und ich blies Rauch aus seiner Pfeife. Ich konnte nicht widerstehen und drehte die Geschwindigkeit noch eine Stufe höher. In genau zehn Minuten waren wir bei Mach 0,95. Hinten, in den Brennräumen, sank der Gesamtdruck höllisch. Das war das Leben! Die Pocket-Anzeige leuchtete rot, aber das war mir egal. Tonys Kerze brannte immer noch. Ich wusste, dass der Gammawert bei Null lag, aber das war mir egal.

Mir war schwindelig vor Aufregung. Ein bisschen mehr! Ich legte meine Hand auf den Hebel, aber genau in diesem Moment streckte Tony die Hand aus und sein Knie traf meine Hand. Der Hebel sprang um zehn Stufen nach oben! Scheiße! Das kleine Flugzeug bebte über seine gesamte Länge und ein kolossaler Geschwindigkeitsverlust warf Tony und mich auf die Konsole. Es fühlte sich an, als wären wir gegen eine massive Mauer gestoßen! Ich konnte sehen, dass die Nase des Flugzeugs zerquetscht war. Ich schaute auf den Tacho und erstarrte! 1,00! Gott, in einem Moment dachte ich, wir sind am Maximum! Wenn ich ihn nicht dazu bringe, langsamer zu fahren, bevor er ausrutscht, werden wir am Ende einen geringeren Luftwiderstand haben! Zu spät! Mach 1.01! 1,02! 1,03! 1,04! 1,06! 1,09! 1,13! 1,18! Ich war verzweifelt, aber Tony wusste, was zu tun war. Im Handumdrehen machte er einen Rückzieher

bewegen! Heiße Luft strömte in das Abgasrohr, wurde in der Turbine komprimiert, drang erneut in die Kammern ein und dehnte sich im Kompressor aus. Kraftstoff begann in die Tanks zu fließen. Der Entropiemesser ging auf Null. Mach 1,20! 1,19! 1,18! 1,17! Wir sind gerettet. Es glitt zurück, es glitt zurück, während Tony und ich beteten, dass der Strömungsteiler nicht hängen bleiben würde. 1,10! 1,08! 1,05!

Scheiße! Wir sind auf der anderen Seite der Mauer angekommen! Wurden gefangen! Es gibt nicht genug negativen Schub, um zurückzubrechen!

Als wir aus Angst vor der Mauer zusammenkauerten, fiel das Heck des Kleinflugzeugs auseinander und Tony rief: „Zündet die Raketenbooster an!“ Aber sie haben die falsche Richtung eingeschlagen!

Tony streckte die Hand aus und schob sie vorwärts, wobei Mach-Linien aus seinen Fingern flossen. Ich habe sie angezündet! Der Schlag war atemberaubend. Wir haben das Bewusstsein verloren.

Als ich zur Besinnung kam, befand sich unser kleines Flugzeug, völlig verstümmelt, gerade in der Null-Mach-Grenze! Ich zog Tony heraus und wir fielen hart zu Boden. Das Flugzeug wurde nach Osten langsamer. Ein paar Sekunden später hörten wir ein Krachen, als wäre er gegen eine andere Wand gestoßen.

Es wurde keine einzige Schraube gefunden. Tony fing an, Netze zu weben, und ich ging zum MIT.

Die Schallmauer passiert :-)...

Bevor wir über das Thema sprechen, wollen wir etwas Klarheit in die Frage der Genauigkeit von Konzepten bringen (was mir gefällt :-)). Heutzutage sind zwei Begriffe weit verbreitet: Schallmauer Und Überschallbarriere. Sie klingen ähnlich, sind aber dennoch nicht gleich. Es hat jedoch keinen Sinn, besonders streng zu sein: Im Grunde handelt es sich um ein und dasselbe. Die Definition der Schallmauer wird am häufigsten von Personen verwendet, die sich besser auskennen und sich näher mit der Luftfahrt auskennen. Und die zweite Definition betrifft normalerweise alle anderen.

Ich denke, dass es aus physikalischer Sicht (und der russischen Sprache :-)) richtiger ist, von der Schallmauer zu sprechen. Hier liegt eine einfache Logik vor. Es gibt zwar eine Vorstellung von der Schallgeschwindigkeit, aber streng genommen gibt es keine feste Vorstellung von der Überschallgeschwindigkeit. Mit Blick auf die Zukunft möchte ich sagen, dass ein Flugzeug, wenn es mit Überschallgeschwindigkeit fliegt, diese Barriere bereits passiert hat, und wenn es sie passiert (überwindet), überschreitet es dann einen bestimmten Geschwindigkeitsschwellenwert, der der Schallgeschwindigkeit entspricht (und nicht). Überschall).

So ähnlich:-). Darüber hinaus wird das erste Konzept viel seltener verwendet als das zweite. Dies liegt offenbar daran, dass das Wort Überschall exotischer und attraktiver klingt. Und im Überschallflug ist das Exotische durchaus vorhanden und zieht natürlich viele an. Allerdings mögen nicht alle Menschen die Worte „ Überschallbarriere„Sie verstehen tatsächlich, was es ist. Davon bin ich schon mehr als einmal überzeugt, habe mir Foren angeschaut, Artikel gelesen und sogar ferngesehen.

Diese Frage ist aus physikalischer Sicht tatsächlich recht komplex. Aber natürlich kümmern wir uns nicht um die Komplexität. Wir versuchen einfach, wie immer, die Sachlage nach dem Prinzip „Aerodynamik am Finger erklären“ zu klären :-).

Also, zur Barriere (Schall :-))!... Ein Flugzeug im Flug, das auf ein so elastisches Medium wie Luft einwirkt, wird zu einer starken Schallwellenquelle. Ich denke, jeder weiß, was Schallwellen in der Luft sind :-).

Schallwellen (Stimmgabel).

Hierbei handelt es sich um einen Wechsel von Kompressions- und Verdünnungsbereichen, die sich von der Schallquelle in verschiedene Richtungen ausbreiten. So etwas wie Kreise auf dem Wasser, die ebenfalls Wellen sind (nur keine Schallwellen :-)). Es sind diese Bereiche, die auf das Trommelfell des Ohrs wirken und es uns ermöglichen, alle Geräusche dieser Welt zu hören, vom menschlichen Flüstern bis zum Dröhnen von Düsentriebwerken.

Ein Beispiel für Schallwellen.

Die Ausbreitungspunkte von Schallwellen können verschiedene Komponenten des Flugzeugs sein. Zum Beispiel ein Motor (sein Geräusch ist jedem bekannt :-)) oder Körperteile (zum Beispiel der Bug), die bei ihrer Bewegung die Luft vor sich verdichten und einen bestimmten Druck erzeugen ( Kompression) Welle, die vorwärts läuft.

Alle diese Schallwellen breiten sich in der Luft mit der uns bereits bekannten Schallgeschwindigkeit aus. Das heißt, wenn das Flugzeug Unterschall hat und sogar mit niedriger Geschwindigkeit fliegt, dann scheinen sie davonzulaufen. Wenn sich ein solches Flugzeug nähert, hören wir daher zuerst sein Geräusch und dann fliegt es selbst vorbei.

Ich möchte jedoch einen Vorbehalt machen, dass dies zutrifft, wenn das Flugzeug nicht sehr hoch fliegt. Schließlich ist die Schallgeschwindigkeit nicht die Lichtgeschwindigkeit :-). Seine Größe ist nicht so groß und Schallwellen brauchen Zeit, um den Zuhörer zu erreichen. Daher kann sich die Reihenfolge der Klangerscheinung für den Zuhörer und das Flugzeug ändern, wenn es in großer Höhe fliegt.

Und da der Schall nicht so schnell ist, beginnt das Flugzeug mit zunehmender Eigengeschwindigkeit, die von ihm ausgesendeten Wellen einzuholen. Das heißt, wenn er bewegungslos wäre, würden die Wellen in der Form von ihm abweichen konzentrische Kreise wie Wellen auf dem Wasser, die durch einen geworfenen Stein verursacht werden. Und da sich das Flugzeug bewegt, beginnen sich die Grenzen der Wellen (ihre Fronten) im Sektor dieser Kreise, der der Flugrichtung entspricht, einander zu nähern.

Unterschallkörperbewegung.

Dementsprechend ist der Spalt zwischen dem Flugzeug (seiner Nase) und der Vorderseite der allerersten (Kopf-)Welle (d. h. dies ist der Bereich, in dem es in gewissem Maße zu einer allmählichen Bremsung kommt). kostenloser Stream beim Auftreffen auf die Nase des Flugzeugs (Flügel, Heck) und infolgedessen Anstieg von Druck und Temperatur) beginnt sich zusammenzuziehen und zwar umso schneller, je höher die Fluggeschwindigkeit ist.

Irgendwann kommt der Moment, in dem diese Lücke praktisch verschwindet (oder minimal wird) und sich in einen besonderen Bereich namens „ Schockwelle. Dies geschieht, wenn die Fluggeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit erreicht, das Flugzeug sich also mit der gleichen Geschwindigkeit bewegt wie die Wellen, die es aussendet. Die Mach-Zahl ist gleich Eins (M=1).

Schallbewegung des Körpers (M=1).

Schockschock, ist ein sehr schmaler Bereich des Mediums (ca. 10 -4 mm), bei dessen Durchquerung es nicht mehr zu einer allmählichen, sondern zu einer scharfen (sprungartigen) Änderung der Parameter dieses Mediums kommt - Geschwindigkeit, Druck, Temperatur, Dichte. In unserem Fall nimmt die Geschwindigkeit ab, Druck, Temperatur und Dichte steigen. Daher der Name – Stoßwelle.

Etwas vereinfacht würde ich das zu all dem sagen. Es ist nicht möglich, eine Überschallströmung abrupt zu verlangsamen, aber dies muss geschehen, da die Möglichkeit einer allmählichen Abbremsung auf die Geschwindigkeit der Strömung vor der Nase des Flugzeugs nicht mehr besteht, wie bei moderaten Unterschallgeschwindigkeiten. Es scheint auf einen Unterschallabschnitt vor der Nase des Flugzeugs (oder der Flügelspitze) zu stoßen und in einen schmalen Sprung zu fallen, wodurch die große Bewegungsenergie, die es besitzt, auf ihn übertragen wird.

Man kann es übrigens auch andersherum sagen: Das Flugzeug überträgt einen Teil seiner Energie auf die Bildung von Stoßwellen, um die Überschallströmung zu verlangsamen.

Überschallkörperbewegung.

Es gibt einen anderen Namen für die Stoßwelle. Wenn es sich mit dem Flugzeug im Weltraum bewegt, stellt es im Wesentlichen die Front einer starken Änderung der oben genannten Umgebungsparameter (d. h. der Luftströmung) dar. Und das ist die Essenz einer Schockwelle.

Schockschock und Stoßwelle sind im Allgemeinen gleichwertige Definitionen, in der Aerodynamik wird jedoch häufiger die erste verwendet.

Die Stoßwelle (oder Stoßwelle) kann praktisch senkrecht zur Flugrichtung verlaufen, dann nehmen sie im Raum etwa die Form eines Kreises an und werden Geraden genannt. Dies geschieht normalerweise in Modi nahe M=1.

Körperbewegungsmodi. ! - Unterschall, 2 - M=1, Überschall, 4 - Stoßwelle (Schock).

Bei M-Zahlen > 1 stehen sie bereits schräg zur Flugrichtung. Das heißt, das Flugzeug übertrifft bereits seinen eigenen Klang. In diesem Fall werden sie schräg genannt und nehmen im Raum die Form eines Kegels an, der übrigens Mach-Kegel genannt wird, benannt nach einem Wissenschaftler, der Überschallströmungen untersuchte (er wurde in einem von ihnen erwähnt).

Mach-Kegel.

Die Form dieses Kegels (sozusagen seine „Schlankheit“) hängt genau von der Zahl M ab und steht mit ihr in Zusammenhang mit der Beziehung: M = 1/sin α, wobei α der Winkel zwischen der Achse des Kegels und seiner Achse ist Generatrix. Und die konische Oberfläche berührt die Fronten aller Schallwellen, deren Quelle das Flugzeug war und die es „überholte“ und Überschallgeschwindigkeit erreichte.

Außerdem Stoßwellen kann auch sein beigefügt, wenn sie sich an der Oberfläche eines Körpers befinden, der sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, oder wenn sie sich davon entfernen, wenn sie keinen Kontakt mit dem Körper haben.

Arten von Stoßwellen während der Überschallströmung um Körper unterschiedlicher Form.

Normalerweise entstehen Stöße, wenn die Überschallströmung spitze Oberflächen umströmt. Bei einem Flugzeug könnte dies beispielsweise eine spitze Nase, ein Hochdruck-Lufteinlass oder eine scharfe Kante des Lufteinlasses sein. Gleichzeitig sagt man „der Sprung sitzt“ zum Beispiel auf der Nase.

Und ein losgelöster Stoß kann beim Umströmen abgerundeter Oberflächen auftreten, beispielsweise der abgerundeten Vorderkante eines dicken Flügelprofils.

Verschiedene Komponenten des Flugzeugkörpers erzeugen im Flug ein recht komplexes System von Stoßwellen. Die intensivsten davon sind jedoch zwei. Eines ist das Kopfteil am Bug und das zweite ist das Schwanzteil an den Schwanzelementen. In einiger Entfernung vom Flugzeug holen die Zwischenstöße entweder den Kopfstoß ein und verschmelzen mit ihm, oder der Schwanzstoß holt sie ein.

Schockstöße an einem Modellflugzeug beim Spülen im Windkanal (M=2).

Dadurch bleiben zwei Sprünge übrig, die von einem irdischen Beobachter aufgrund der geringen Größe des Flugzeugs im Vergleich zur Flughöhe und dementsprechend der kurzen Zeitspanne zwischen ihnen im Allgemeinen als eins wahrgenommen werden.

Die Intensität (also die Energie) einer Stoßwelle (Stoßwelle) hängt von verschiedenen Parametern (der Geschwindigkeit des Flugzeugs, seinen Konstruktionsmerkmalen, Umgebungsbedingungen usw.) ab und wird durch den Druckabfall an seiner Vorderseite bestimmt.

Wenn sie sich von der Spitze des Mach-Kegels, also vom Flugzeug als Störquelle, entfernt, wird die Stoßwelle schwächer, verwandelt sich allmählich in eine gewöhnliche Schallwelle und verschwindet schließlich vollständig.

Und welchen Intensitätsgrad es haben wird Schockwelle(oder Stoßwelle) den Boden erreicht, hängt von der Wirkung ab, die sie dort hervorrufen kann. Es ist kein Geheimnis, dass die bekannte Concorde nur über dem Atlantik mit Überschallgeschwindigkeit flog, und militärische Überschallflugzeuge fliegen in großen Höhen oder in Gebieten, in denen es keine besiedelten Gebiete gibt, mit Überschallgeschwindigkeit (zumindest scheinen sie das zu tun :-) ).

Diese Einschränkungen sind durchaus berechtigt. Für mich ist zum Beispiel schon die Definition einer Stoßwelle mit einer Explosion verbunden. Und die Dinge, die eine ausreichend starke Schockwelle bewirken kann, könnten durchaus damit korrespondieren. Zumindest kann das Glas der Fenster leicht herausfliegen. Dafür gibt es genügend Beweise (insbesondere in der Geschichte der sowjetischen Luftfahrt, als sie recht zahlreich war und die Flüge intensiv waren). Aber man kann Schlimmeres tun. Man muss einfach tiefer fliegen :-)…

Doch wenn die Stoßwellen den Boden erreichen, sind sie größtenteils nicht mehr gefährlich. Nur ein Außenstehender am Boden kann ein Geräusch hören, das einem Brüllen oder einer Explosion ähnelt. Mit dieser Tatsache ist ein weit verbreitetes und ziemlich hartnäckiges Missverständnis verbunden.

Menschen, die in der Luftfahrtwissenschaft nicht allzu viel Erfahrung haben, sagen, wenn sie ein solches Geräusch hören, dass das Flugzeug überwunden hat Schallmauer (Überschallbarriere). Eigentlich stimmt das nicht. Diese Aussage hat aus mindestens zwei Gründen nichts mit der Realität zu tun.

Stoßwelle (Stoßwelle).

Erstens, wenn eine Person am Boden ein lautes Brüllen hoch am Himmel hört, dann bedeutet das nur (ich wiederhole :-)), dass ihre Ohren es erreicht haben Stoßwellenfront(oder Schockwelle) von einem Flugzeug, das irgendwo fliegt. Dieses Flugzeug fliegt bereits mit Überschallgeschwindigkeit und ist nicht erst darauf umgestiegen.

Und wenn sich dieselbe Person plötzlich mehrere Kilometer vor dem Flugzeug befinden könnte, würde sie erneut dasselbe Geräusch aus demselben Flugzeug hören, da sie derselben Schockwelle ausgesetzt wäre, die sich mit dem Flugzeug bewegt.

Es bewegt sich mit Überschallgeschwindigkeit und nähert sich daher lautlos. Und nachdem es seine nicht immer angenehme Wirkung auf die Trommelfelle entfaltet hat (es ist gut, wenn nur auf ihnen :-)) und sicher vorbei ist, wird das Dröhnen laufender Motoren hörbar.

Ein ungefähres Flugdiagramm eines Flugzeugs bei verschiedenen Werten der Machzahl am Beispiel des Jägers Saab 35 „Draken“. Die Sprache ist leider deutsch, aber das Schema ist im Großen und Ganzen klar.

Darüber hinaus wird der Übergang zum Überschallschall selbst nicht von einmaligen „Booms“, Knallgeräuschen, Explosionen usw. begleitet. In einem modernen Überschallflugzeug erfährt der Pilot von einem solchen Übergang meist nur durch Instrumentenablesungen. In diesem Fall findet jedoch ein bestimmter Vorgang statt, der jedoch bei Einhaltung bestimmter Pilotenregeln für ihn praktisch unsichtbar ist.

Aber das ist nicht alles :-). Ich werde mehr sagen. in Form eines greifbaren, schweren, schwer zu überwindenden Hindernisses, auf dem das Flugzeug ruht und das „durchbohrt“ werden muss (ich habe solche Urteile gehört :-)) existiert nicht.

Streng genommen gibt es überhaupt keine Barriere. Vor langer Zeit, zu Beginn der Entwicklung hoher Geschwindigkeiten in der Luftfahrt, entstand dieses Konzept eher als psychologischer Glaube an die Schwierigkeit, auf Überschallgeschwindigkeit umzusteigen und damit zu fliegen. Es gab sogar Aussagen, dass dies generell unmöglich sei, zumal die Voraussetzungen für solche Überzeugungen und Aussagen recht konkret waren.

Aber das Wichtigste zuerst...

In der Aerodynamik gibt es einen anderen Begriff, der den Prozess der Wechselwirkung mit der Luftströmung eines Körpers, der sich in dieser Strömung bewegt und dazu neigt, Überschall zu erreichen, ziemlich genau beschreibt. Das Wellenkrise. Er ist es, der einige der schlechten Dinge tut, die traditionell mit dem Konzept verbunden sind Schallmauer.

So etwas zur Krise :-). Jedes Flugzeug besteht aus Teilen, deren Luftströmung während des Fluges möglicherweise nicht gleich ist. Nehmen wir zum Beispiel einen Flügel, oder besser gesagt einen gewöhnlichen Klassiker Unterschallprofil.

Aus dem Grundwissen über die Entstehung des Auftriebs wissen wir gut, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der angrenzenden Schicht der oberen gekrümmten Oberfläche des Profils unterschiedlich ist. Bei stärker konvexem Profil ist sie größer als die Gesamtströmungsgeschwindigkeit, bei flacherem Profil nimmt sie ab.

Wenn sich der Flügel in der Strömung mit Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit bewegt, kann es vorkommen, dass in einem solchen konvexen Bereich beispielsweise die Geschwindigkeit der Luftschicht, die ohnehin größer ist als die Gesamtgeschwindigkeit der Strömung, zunimmt Schall und sogar Überschall.

Lokale Stoßwelle, die bei Transsoniken während einer Wellenkrise auftritt.

Im weiteren Verlauf des Profils nimmt diese Geschwindigkeit ab und erreicht irgendwann wieder Unterschallgeschwindigkeit. Aber wie wir oben sagten, kann eine Überschallströmung nicht schnell verlangsamt werden, so dass die Entstehung von Schockwelle.

Solche Stöße treten in verschiedenen Bereichen der stromlinienförmigen Oberflächen auf und sind anfangs recht schwach, aber ihre Zahl kann groß sein, und mit zunehmender Gesamtströmungsgeschwindigkeit nehmen die Überschallzonen zu, die Stöße „werden stärker“ und verlagern sich in die Richtung Hinterkante des Profils. Später erscheinen dieselben Stoßwellen auf der Unterseite des Profils.

Volle Überschallströmung um das Flügelprofil.

Was bedeutet das alles? Hier ist was. Erste– das ist bedeutsam Erhöhung des Luftwiderstands im transsonischen Geschwindigkeitsbereich (ungefähr M=1, mehr oder weniger). Dieser Widerstand wächst aufgrund eines starken Anstiegs einer seiner Komponenten – Wellenwiderstand. Dasselbe, was wir bisher bei Flügen mit Unterschallgeschwindigkeit nicht berücksichtigt haben.

Um beim Abbremsen einer Überschallströmung zahlreiche Stoßwellen (oder Stoßwellen) zu bilden, wird, wie ich oben sagte, Energie verschwendet und der kinetischen Energie der Flugzeugbewegung entnommen. Das heißt, das Flugzeug wird einfach langsamer (und zwar sehr deutlich!). Das ist es Wellenwiderstand.

Darüber hinaus tragen Stoßwellen aufgrund der starken Verzögerung der Strömung in ihnen zur Ablösung der Grenzschicht hinter sich und zu deren Umwandlung von laminar in turbulent bei. Dadurch wird der Luftwiderstand weiter erhöht.

Profilschwellung bei unterschiedlichen Machzahlen, lokale Überschallzonen, turbulente Zonen.

Zweite. Aufgrund des Auftretens lokaler Überschallzonen auf dem Flügelprofil und ihrer weiteren Verschiebung zum Heckteil des Profils mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit und dadurch einer Änderung des Druckverteilungsmusters auf dem Profil wird der Angriffspunkt der aerodynamischen Kräfte (das Zentrum). Druck) verlagert sich ebenfalls zur Hinterkante. Als Ergebnis erscheint es Tauchmoment relativ zum Massenschwerpunkt des Flugzeugs, was dazu führt, dass es seine Nase senkt.

Was hat das alles zur Folge? Aufgrund des ziemlich starken Anstiegs des Luftwiderstands benötigt das Flugzeug eine spürbare Motorleistungsreserve die transsonische Zone zu überwinden und sozusagen echten Überschallschall zu erreichen.

Ein starker Anstieg des Luftwiderstands bei Transonics (Wellenkrise) aufgrund eines Anstiegs des Wellenwiderstands. Сd - Widerstandskoeffizient.

Weiter. Aufgrund des Auftretens eines Tauchmoments treten Schwierigkeiten bei der Pitch-Kontrolle auf. Aufgrund der Unordnung und Ungleichmäßigkeit der Prozesse, die mit der Entstehung lokaler Überschallzonen mit Stoßwellen verbunden sind, Die Kontrolle wird schwierig. Zum Beispiel beim Rollen, aufgrund unterschiedlicher Prozesse auf der linken und rechten Ebene.

Darüber hinaus kommt es zu Vibrationen, die aufgrund lokaler Turbulenzen oft recht stark sind.

Im Allgemeinen eine vollständige Reihe von Freuden, die man nennt Wellenkrise. Die Wahrheit ist jedoch, dass sie alle auftreten (konkret :-)), wenn typische Unterschallflugzeuge (mit einem dicken geraden Flügelprofil) verwendet werden, um Überschallgeschwindigkeiten zu erreichen.

Als zunächst noch nicht genügend Wissen vorhanden war und die Prozesse zum Erreichen des Überschalls nicht umfassend untersucht wurden, galt genau dieses Set als nahezu unüberwindbar und wurde aufgerufen Schallmauer(oder Überschallbarriere, wenn Sie wollen:-)).

Beim Versuch, die Schallgeschwindigkeit mit konventionellen Kolbenflugzeugen zu überwinden, kam es zu vielen tragischen Zwischenfällen. Starke Vibrationen führten teilweise zu Bauschäden. Die Leistung der Flugzeuge reichte für die erforderliche Beschleunigung nicht aus. Im Horizontalflug war dies aufgrund des Effekts, der die gleiche Natur hat, nicht möglich Wellenkrise.

Daher wurde zur Beschleunigung ein Tauchgang eingesetzt. Aber es hätte durchaus tödlich enden können. Der Tauchmoment, der während einer Wellenkrise auftrat, machte den Tauchgang langwierig und manchmal gab es keinen Ausweg mehr. Denn um die Kontrolle wiederherzustellen und die Wellenkrise zu beseitigen, musste die Geschwindigkeit reduziert werden. Bei einem Tauchgang ist dies jedoch äußerst schwierig (wenn nicht sogar unmöglich).

Der Absturz aus dem Horizontalflug gilt als einer der Hauptgründe für die Katastrophe des berühmten experimentellen Jägers BI-1 mit einem Flüssigkeitsraketentriebwerk in der UdSSR am 27. Mai 1943. Es wurden Tests zur maximalen Fluggeschwindigkeit durchgeführt, und nach Schätzungen der Konstrukteure betrug die erreichte Geschwindigkeit mehr als 800 km/h. Danach kam es zu einer Verzögerung des Sturzflugs, von der sich das Flugzeug nicht mehr erholte.

Experimenteller Jäger BI-1.

Heute Wellenkrise ist bereits recht gut erforscht und überwunden Schallmauer(bei Bedarf :-)) ist nicht schwierig. Bei Flugzeugen, die für den Flug mit relativ hohen Geschwindigkeiten ausgelegt sind, gelten bestimmte Konstruktionslösungen und Einschränkungen, um den Flugbetrieb zu erleichtern.

Bekanntlich beginnt die Wellenkrise bei M-Zahlen nahe eins. Daher haben fast alle Unterschall-Jet-Flugzeuge (insbesondere Passagierflugzeuge) einen Flug Begrenzung der Anzahl M. Normalerweise liegt sie im Bereich von 0,8–0,9 Mio. Der Pilot ist angewiesen, dies zu überwachen. Darüber hinaus muss bei vielen Flugzeugen bei Erreichen des Grenzniveaus die Fluggeschwindigkeit reduziert werden.

Fast alle Flugzeuge, die mit einer Geschwindigkeit von mindestens 800 km/h und mehr fliegen, haben dies gepfeilter Flügel(zumindest entlang der Vorderkante :-)). Dadurch können Sie den Beginn der Offensive verzögern Wellenkrise bis zu Geschwindigkeiten entsprechend M=0,85-0,95.

Gepfeilter Flügel. Grundlegende Aktion.

Der Grund für diesen Effekt lässt sich ganz einfach erklären. Bei einem geraden Flügel nähert sich die Luftströmung mit der Geschwindigkeit V nahezu rechtwinklig an, bei einem gepfeilten Flügel (Schwenkwinkel χ) unter einem bestimmten Gleitwinkel β. Die Geschwindigkeit V kann vektoriell in zwei Flüsse zerlegt werden: Vτ und Vn.

Die Strömung Vτ hat keinen Einfluss auf die Druckverteilung am Flügel, wohl aber die Strömung Vn, die die Trageigenschaften des Flügels genau bestimmt. Und es ist offensichtlich kleiner als die Gesamtströmung V. Daher kommt es bei einem gepfeilten Flügel zum Beginn einer Wellenkrise und einem Anstieg Wellenwiderstand tritt deutlich später auf als bei einem geraden Flügel bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit.

Experimenteller Jäger E-2A (Vorgänger des MIG-21). Typischer geschwungener Flügel.

Eine der Modifikationen des Pfeilflügels war der Flügel mit überkritisches Profil(erwähnte ihn). Es ermöglicht auch, den Beginn der Wellenkrise auf höhere Geschwindigkeiten zu verlagern und ermöglicht darüber hinaus die für Passagierflugzeuge wichtige Effizienzsteigerung.

SuperJet 100. Pfeilflügel mit überkritischem Profil.

Wenn das Flugzeug für den Durchgang vorgesehen ist Schallmauer(vorbeigehen und Wellenkrise auch :-)) und Überschallflug, es unterscheidet sich meist immer in bestimmten Konstruktionsmerkmalen. Insbesondere ist dies normalerweise der Fall dünnes Flügel- und Leitwerkprofil mit scharfen Kanten(einschließlich rautenförmig oder dreieckig) und eine bestimmte Flügelform im Grundriss (z. B. dreieckig oder trapezförmig mit Überlauf usw.).

Überschall-MIG-21. Anhänger E-2A. Ein typischer Deltaflügel.

MIG-25. Ein Beispiel für ein typisches Flugzeug, das für den Überschallflug konzipiert ist. Dünne Flügel- und Heckprofile, scharfe Kanten. Trapezförmiger Flügel. Profil

Das Sprichwort weitergeben Schallmauer, das heißt, solche Flugzeuge schaffen den Übergang zur Überschallgeschwindigkeit mit Nachbrennerbetrieb des Motors aufgrund der Erhöhung des aerodynamischen Widerstands und natürlich, um die Zone schnell zu passieren Wellenkrise. Und der Moment dieses Übergangs wird meistens in keiner Weise gespürt (ich wiederhole :-)), weder vom Piloten (er spürt möglicherweise nur einen Rückgang des Schalldruckpegels im Cockpit) noch von einem externen Beobachter, wenn , natürlich konnte er es beobachten :-).

Allerdings ist hier noch ein weiteres Missverständnis externer Beobachter zu erwähnen. Sicherlich haben viele Fotos dieser Art gesehen, deren Bildunterschrift besagt, dass dies der Moment ist, in dem das Flugzeug überwindet Schallmauer, sozusagen optisch.

Prandtl-Gloert-Effekt. Dabei geht es nicht darum, die Schallmauer zu durchbrechen.

Erstens Wir wissen bereits, dass es keine Schallmauer als solche gibt und der Übergang zum Überschall selbst nicht von etwas Außergewöhnlichem begleitet wird (einschließlich eines Knalls oder einer Explosion).

Zweitens. Was wir auf dem Foto gesehen haben, ist das sogenannte Prandtl-Gloert-Effekt. Ich habe bereits über ihn geschrieben. Es steht in keinem direkten Zusammenhang mit dem Übergang zum Überschall. Es ist nur so, dass das Flugzeug bei hohen Geschwindigkeiten (übrigens Unterschall :-)) eine bestimmte Luftmasse vor sich herbewegt und hinter sich eine bestimmte Luftmenge erzeugt Verdünnungsregion. Unmittelbar nach dem Flug beginnt sich dieser Bereich mit Luft aus dem nahegelegenen Naturraum zu füllen. eine Volumenzunahme und ein starker Temperaturabfall.

Wenn Luftfeuchtigkeit ausreichend und die Temperatur sinkt dann unter den Taupunkt der Umgebungsluft Feuchtigkeitskondensation aus Wasserdampf in Form von Nebel, den wir sehen. Sobald die Bedingungen wiederhergestellt sind, verschwindet dieser Nebel sofort. Dieser ganze Prozess ist recht kurzlebig.

Dieser Prozess bei hohen transsonischen Geschwindigkeiten kann durch lokale erleichtert werden Stoßwellen Manchmal helfe ich dabei, so etwas wie einen sanften Kegel um das Flugzeug herum zu formen.

Hohe Geschwindigkeiten begünstigen dieses Phänomen, bei ausreichender Luftfeuchtigkeit kann (und tritt) es jedoch auch bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten ein. Zum Beispiel über der Oberfläche von Stauseen. Die meisten schönen Fotos dieser Art wurden übrigens an Bord eines Flugzeugträgers, also in relativ feuchter Luft, aufgenommen.

So funktioniert es. Das Filmmaterial ist natürlich cool, das Spektakel spektakulär :-), aber das ist überhaupt nicht das, was es am häufigsten genannt wird. überhaupt nichts damit zu tun (und Überschallbarriere Dasselbe:-)). Und das ist gut, denke ich, sonst wären die Beobachter, die solche Fotos und Videos machen, vielleicht nicht glücklich. Schockwelle, wissen Sie:-)…

Abschließend gibt es ein Video (ich habe es bereits zuvor verwendet), dessen Autoren die Wirkung einer Stoßwelle eines Flugzeugs zeigen, das in geringer Höhe mit Überschallgeschwindigkeit fliegt. Da ist natürlich etwas übertrieben :-), aber das allgemeine Prinzip ist klar. Und wieder spektakulär :-)…

Das ist alles für heute. Vielen Dank, dass Sie den Artikel bis zum Ende gelesen haben :-). Bis zum nächsten Mal...

Fotos sind anklickbar.

Am 14. Oktober 1947 erreichte die Menschheit einen weiteren Meilenstein. Die Grenze ist recht objektiv und wird in einer bestimmten physikalischen Größe ausgedrückt – der Schallgeschwindigkeit in der Luft, die unter den Bedingungen der Erdatmosphäre je nach Temperatur und Druck im Bereich von 1100–1200 km/h liegt. Die Überschallgeschwindigkeit wurde vom amerikanischen Piloten Chuck Yeager (Charles Elwood „Chuck“ Yeager) erobert, einem jungen Veteranen des Zweiten Weltkriegs, der über außergewöhnlichen Mut und hervorragende Fotogenität verfügte, dank derer er in seinem Heimatland sofort populär wurde, genau wie 14 Jahre alt später Juri Gagarin.

Und es erforderte wirklich Mut, die Schallmauer zu überwinden. Der sowjetische Pilot Ivan Fedorov, der Yeagers Erfolg ein Jahr später, 1948, wiederholte, erinnerte sich an seine damaligen Gefühle: „Bevor der Flug die Schallmauer durchbrechen sollte, wurde klar, dass es danach keine Überlebensgarantie mehr gab.“ Niemand wusste praktisch, was es war und ob das Design des Flugzeugs den Elementen standhalten konnte. Aber wir haben versucht, nicht darüber nachzudenken.“

Tatsächlich war nicht völlig klar, wie sich das Auto bei Überschallgeschwindigkeit verhalten würde. Die Flugzeugkonstrukteure hatten noch frische Erinnerungen an das plötzliche Unglück der 30er Jahre, als sie mit der Erhöhung der Flugzeuggeschwindigkeiten dringend das Problem des Flatterns lösen mussten – Eigenschwingungen, die sowohl in den starren Strukturen des Flugzeugs als auch in seinem entstehen Haut und riss das Flugzeug innerhalb von Minuten auseinander. Der Prozess entwickelte sich wie eine Lawine, schnell, die Piloten hatten keine Zeit, den Flugmodus zu ändern, und die Maschinen zerfielen in der Luft. Lange Zeit kämpften Mathematiker und Designer in verschiedenen Ländern darum, dieses Problem zu lösen. Die Theorie des Phänomens wurde schließlich vom damals jungen russischen Mathematiker Mstislaw Wsewolodowitsch Keldysch (1911–1978), dem späteren Präsidenten der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, entwickelt. Mit Hilfe dieser Theorie konnte ein Weg gefunden werden, das unangenehme Phänomen für immer zu beseitigen.

Es ist ganz klar, dass von der Schallmauer ebenso unangenehme Überraschungen erwartet wurden. Die numerische Lösung komplexer Differentialgleichungen der Aerodynamik war ohne leistungsstarke Computer unmöglich, und man musste sich darauf verlassen, die Modelle in Windkanälen zu „blasen“. Aus qualitativen Überlegungen war jedoch klar, dass bei Erreichen der Schallgeschwindigkeit in der Nähe des Flugzeugs eine Stoßwelle auftrat. Der entscheidende Moment ist das Durchbrechen der Schallmauer, wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs mit der Schallgeschwindigkeit verglichen wird. In diesem Moment nimmt der Druckunterschied auf verschiedenen Seiten der Wellenfront schnell zu, und wenn der Moment länger als einen Moment dauert, kann das Flugzeug nicht schlimmer auseinanderfallen als durch Flattern. Manchmal, wenn die Schallmauer mit unzureichender Beschleunigung durchbrochen wird, schlägt die vom Flugzeug erzeugte Stoßwelle sogar das Glas aus den Fenstern der darunter liegenden Häuser heraus.

Das Verhältnis der Geschwindigkeit eines Flugzeugs zur Schallgeschwindigkeit wird Mach-Zahl genannt (benannt nach dem berühmten deutschen Mechaniker und Philosophen Ernst Mach). Beim Passieren der Schallmauer kommt es dem Piloten so vor, als würde die M-Zahl abrupt über eins springen: Chuck Yeager sah, wie die Tachonadel von 0,98 auf 1,02 sprang, woraufhin tatsächlich „göttliche“ Stille im Cockpit herrschte, offensichtlich: Nur ein Pegel Der Schalldruck in der Flugzeugkabine sinkt um ein Vielfaches. Dieser Moment der „Reinigung vom Klang“ ist sehr heimtückisch; er hat vielen Testern das Leben gekostet. Die Gefahr, dass sein X-1-Flugzeug auseinanderfällt, ist jedoch gering.

Die X-1, die im Januar 1946 von Bell Aircraft hergestellt wurde, war ein reines Forschungsflugzeug, das nicht mehr als die Schallmauer durchbrechen sollte. Obwohl das Fahrzeug vom Verteidigungsministerium bestellt wurde, war es anstelle von Waffen mit wissenschaftlicher Ausrüstung ausgestattet, die die Funktionsweise von Komponenten, Instrumenten und Mechanismen überwacht. Die X-1 war wie eine moderne Marschflugkörper. Es verfügte über ein Reaction Motors-Raketentriebwerk mit einer Schubkraft von 2722 kg. Maximales Abfluggewicht 6078 kg. Länge 9,45 m, Höhe 3,3 m, Flügelspannweite 8,53 m. Höchstgeschwindigkeit in einer Höhe von 18290 m 2736 km/h. Das Fahrzeug wurde von einem strategischen B-29-Bomber gestartet und landete auf stählernen „Skiern“ auf einem ausgetrockneten Salzsee.

Die „taktischen und technischen Parameter“ seines Piloten sind nicht weniger beeindruckend. Chuck Yeager wurde am 13. Februar 1923 geboren. Nach der Schule besuchte ich die Flugschule und nach meinem Abschluss ging ich zum Kämpfen nach Europa. Eine Messerschmitt-109 abgeschossen. Er selbst wurde am Himmel über Frankreich abgeschossen, konnte aber von Partisanen gerettet werden. Als wäre nichts passiert, kehrte er zu seinem Stützpunkt in England zurück. Der wachsame Spionageabwehrdienst glaubte jedoch nicht an die wundersame Befreiung aus der Gefangenschaft, entzog den Piloten dem Flug und schickte ihn nach hinten. Der ehrgeizige Yeager erreichte einen Empfang beim Oberbefehlshaber der alliierten Streitkräfte in Europa, General Eisenhower, der Yeager glaubte. Und er täuschte sich nicht – in den sechs Monaten bis Kriegsende führte er 64 Kampfeinsätze durch und schoss 13 feindliche Flugzeuge ab, davon 4 in einem Gefecht. Und er kehrte im Rang eines Kapitäns mit einem hervorragenden Dossier in seine Heimat zurück, aus dem hervorgeht, dass er in jeder kritischen Situation über ein phänomenales Fluginstinkt, unglaubliche Gelassenheit und erstaunliche Ausdauer verfügte. Dank dieser Eigenschaft wurde er in das Team der Überschalltester aufgenommen, die ebenso sorgfältig ausgewählt und geschult wurden wie spätere Astronauten.

Yeager benannte den X-1 zu Ehren seiner Frau in „Glamorous Glennis“ um und stellte damit mehr als einmal Rekorde auf. Ende Oktober 1947 fiel der bisherige Höhenrekord von 21.372 m. Im Dezember 1953 erreichte eine neue Modifikation der Maschine, die X-1A, eine Geschwindigkeit von 2,35 m und fast 2800 km/h und stieg sechs Monate später bis zu einer Höhe von 27.430 m. Darüber hinaus gab es Tests mehrerer in Serie gebrachter Jäger und Tests unserer MiG-15, die während des Koreakrieges erbeutet und nach Amerika transportiert wurden. Anschließend befehligte Yeager verschiedene Testeinheiten der Luftwaffe sowohl in den Vereinigten Staaten als auch auf amerikanischen Stützpunkten in Europa und Asien, nahm an Kampfeinsätzen in Vietnam teil und bildete Piloten aus. Er ging im Februar 1975 im Rang eines Brigadegenerals in den Ruhestand, nachdem er während seines tapferen Dienstes 10.000 Stunden geflogen, 180 verschiedene Überschallmodelle getestet und eine einzigartige Sammlung von Orden und Medaillen gesammelt hatte. Mitte der 80er Jahre wurde ein Film gedreht, der auf der Biografie des mutigen Mannes basiert, der als erster der Welt die Schallmauer überwand, und danach wurde Chuck Yeager nicht einmal ein Held, sondern ein nationales Relikt. Am 14. Oktober 1997 flog er zum letzten Mal eine F-16 und durchbrach damit am fünfzigsten Jahrestag seines historischen Fluges die Schallmauer. Yeager war damals 74 Jahre alt. Im Allgemeinen sollten diese Menschen, wie der Dichter sagte, zu Nägeln verarbeitet werden.

Auf der anderen Seite des Ozeans gibt es viele solcher Menschen. Sowjetische Designer begannen gleichzeitig mit amerikanischen zu versuchen, die Schallmauer zu überwinden. Für sie war dies jedoch kein Selbstzweck, sondern ein völlig pragmatischer Akt. Wenn die X-1 eine reine Forschungsmaschine war, dann wurde in unserem Land die Schallmauer bei Prototypen von Jägern gestürmt, die zur Ausrüstung von Luftwaffeneinheiten in Serie gebracht werden sollten.

An dem Wettbewerb nahmen mehrere Designbüros teil: Lavochkin Design Bureau, Mikoyan Design Bureau und Yakovlev Design Bureau, die gleichzeitig Flugzeuge mit geschwungenen Flügeln entwickelten, was damals eine revolutionäre Designlösung darstellte. Sie erreichten das Überschallziel in dieser Reihenfolge: La-176 (1948), MiG-15 (1949), Yak-50 (1950). Dort wurde das Problem jedoch in einem recht komplexen Kontext gelöst: Ein Militärfahrzeug muss nicht nur eine hohe Geschwindigkeit, sondern auch viele andere Eigenschaften haben – Manövrierfähigkeit, Überlebensfähigkeit, minimale Vorbereitungszeit vor dem Flug, leistungsstarke Waffen, beeindruckende Munition usw. usw. Es ist auch zu beachten, dass die Entscheidungen staatlicher Abnahmekommissionen zu Sowjetzeiten häufig nicht nur von objektiven Faktoren, sondern auch von subjektiven Faktoren im Zusammenhang mit den politischen Manövern der Entwickler beeinflusst wurden. Diese Gesamtheit der Umstände führte zur Einführung des MiG-15-Jagdflugzeugs, das in den 50er Jahren in den örtlichen Militäreinsatzgebieten gute Leistungen erbrachte. Es war dieses Auto, das, wie oben erwähnt, in Korea erbeutet wurde und mit dem Chuck Yeager „herumfuhr“.

Die La-176 nutzte damals eine Rekordschwenkung des Flügels von 45 Grad. Das Turbostrahltriebwerk VK-1 lieferte einen Schub von 2700 kg. Länge 10,97 m, Spannweite 8,59 m, Flügelfläche 18,26 qm. Abfluggewicht 4636 kg. Decke 15.000 m. Flugreichweite 1000 km. Bewaffnung: eine 37-mm-Kanone und zwei 23-mm-Kanonen. Das Auto war im Herbst 1948 fertig und im Dezember begannen seine Flugtests auf der Krim auf einem Militärflugplatz in der Nähe der Stadt Saki. Zu den Leitern der Tests gehörte der zukünftige Akademiker Wladimir Wassiljewitsch Struminsky (1914–1998); die Piloten des Versuchsflugzeugs waren Kapitän Oleg Sokolowski und Oberst Iwan Fjodorow, der später den Titel Held der Sowjetunion erhielt. Sokolovsky starb durch einen absurden Unfall während des vierten Fluges, weil er vergessen hatte, die Cockpithaube zu schließen.

Oberst Ivan Fedorov durchbrach am 26. Dezember 1948 die Schallmauer. Nachdem er eine Höhe von 10.000 Metern erreicht hatte, drehte er den Steuerknüppel von sich weg und begann im Sturzflug zu beschleunigen. „Ich beschleunige meinen 176er aus großer Höhe“, erinnert sich der Pilot. Ein ermüdender, leiser Pfiff ist zu hören. Mit zunehmender Geschwindigkeit rast das Flugzeug dem Boden entgegen. Auf der Tachoskala bewegt sich die Nadel von dreistelligen Zahlen zu vierstelligen Zahlen. Das Flugzeug zittert wie im Fieber. Und plötzlich Stille! Die Schallmauer wurde eingenommen. Die anschließende Dekodierung der Oszillogramme ergab, dass die Zahl M eins überschritten hatte.“ Dies geschah in einer Höhe von 7.000 Metern, wo eine Geschwindigkeit von 1,02 m gemessen wurde.

Anschließend stieg die Geschwindigkeit bemannter Flugzeuge durch eine Steigerung der Triebwerksleistung, den Einsatz neuer Materialien und die Optimierung aerodynamischer Parameter stetig weiter an. Dieser Prozess ist jedoch nicht unbegrenzt. Einerseits wird es durch Rationalitätserwägungen gehemmt, wenn Treibstoffverbrauch, Entwicklungskosten, Flugsicherheit und andere nicht müßige Überlegungen berücksichtigt werden. Und selbst in der militärischen Luftfahrt, wo Geld und Pilotensicherheit nicht so wichtig sind, liegen die Geschwindigkeiten der „schnellsten“ Maschinen im Bereich von 1,5 M bis 3 M. Es scheint, als wäre nichts mehr erforderlich. (Der Geschwindigkeitsrekord für bemannte Flugzeuge mit Strahltriebwerken gehört dem amerikanischen Aufklärungsflugzeug SR-71 und liegt bei 3,2 M.)

Andererseits gibt es eine unüberwindbare thermische Barriere: Bei einer bestimmten Geschwindigkeit erfolgt die Erwärmung der Karosserie durch Reibung mit Luft so schnell, dass es unmöglich ist, Wärme von ihrer Oberfläche abzuleiten. Berechnungen zeigen, dass dies bei Normaldruck mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 10 Mach geschehen sollte.

Dennoch wurde die 10-Meter-Grenze auf demselben Edwards-Trainingsgelände erreicht. Dies geschah im Jahr 2005. Der Rekordhalter war das unbemannte Raketenflugzeug X-43A, das im Rahmen des siebenjährigen ehrgeizigen Hiper-X-Programms zur Entwicklung einer neuen Art von Technologie hergestellt wurde, die das Gesicht der zukünftigen Raketen- und Weltraumtechnologie radikal verändern soll. Die Kosten betragen 230 Millionen US-Dollar. Der Rekord wurde in einer Höhe von 33.000 Metern aufgestellt. Die Drohne nutzt ein neues Beschleunigungssystem. Zuerst wird eine traditionelle Feststoffrakete abgefeuert, mit deren Hilfe die X-43A eine Geschwindigkeit von 7 Mach erreicht, und dann wird ein neuer Triebwerkstyp eingeschaltet – ein Hyperschall-Staustrahltriebwerk (Scramjet oder Scramjet). Dabei wird gewöhnliche atmosphärische Luft als Oxidationsmittel und gasförmiger Brennstoff als Oxidationsmittel verwendet (ein ziemlich klassisches Schema einer unkontrollierten Explosion).

Gemäß dem Programm wurden drei unbemannte Modelle hergestellt, die nach Abschluss der Aufgabe im Meer versenkt wurden. Der nächste Schritt beinhaltet die Schaffung bemannter Fahrzeuge. Nach dem Testen werden die erzielten Ergebnisse bei der Entwicklung einer Vielzahl „nützlicher“ Geräte berücksichtigt. Neben Flugzeugen werden auch Hyperschall-Militärfahrzeuge – Bomber, Aufklärungsflugzeuge und Transportflugzeuge – für den Bedarf der NASA geschaffen. Boeing, das am Hiper-X-Programm teilnimmt, plant, bis 2030-2040 ein Hyperschallflugzeug für 250 Passagiere zu bauen. Es ist ganz klar, dass es keine Fenster geben wird, die bei solchen Geschwindigkeiten die Aerodynamik beeinträchtigen und der thermischen Erwärmung nicht standhalten. Statt Bullaugen gibt es Bildschirme mit Videoaufnahmen vorbeiziehender Wolken.

Es besteht kein Zweifel, dass diese Art der Fortbewegung gefragt sein wird, denn je weiter man kommt, desto teurer wird die Zeit, da immer mehr Emotionen, verdientes Geld und andere Komponenten des modernen Lebens in einer Zeiteinheit untergebracht werden. In dieser Hinsicht besteht kein Zweifel daran, dass sich die Menschen eines Tages in Schmetterlinge eines Tages verwandeln werden: Ein Tag wird so ereignisreich sein wie das gesamte gegenwärtige (oder vielmehr gestern) menschliche Leben. Und es kann davon ausgegangen werden, dass jemand oder etwas das Hiper-X-Programm in Bezug auf die Menschheit umsetzt.

Die Schallmauer ist ein Phänomen, das beim Flug eines Flugzeugs oder einer Rakete im Moment des Übergangs von der Unterschall- zur Überschallfluggeschwindigkeit in der Atmosphäre auftritt. Wenn sich die Geschwindigkeit des Flugzeugs der Schallgeschwindigkeit (1200 km/h) nähert, entsteht in der Luft davor ein dünner Bereich, in dem es zu einem starken Anstieg des Drucks und der Dichte der Luft kommt. Diese Luftverdichtung vor einem fliegenden Flugzeug wird Stoßwelle genannt. Am Boden wird der Durchgang der Stoßwelle als Knall wahrgenommen, ähnlich dem Geräusch eines Schusses. Nachdem das Flugzeug die Schallgeschwindigkeit überschritten hat, durchquert es diesen Bereich mit erhöhter Luftdichte, als ob es ihn durchdringen würde – und durchbricht die Schallmauer. Lange Zeit schien das Durchbrechen der Schallmauer ein ernstes Problem in der Entwicklung der Luftfahrt zu sein. Um dieses Problem zu lösen, war es notwendig, das Profil und die Form des Flugzeugflügels zu ändern (er wurde dünner und nach hinten gebogen), den vorderen Teil des Rumpfes spitzer zu gestalten und das Flugzeug mit Strahltriebwerken auszustatten. Die Schallgeschwindigkeit wurde erstmals 1947 von Charles Yeager auf einem Bell X-1-Flugzeug (USA) mit einem Flüssigkeitsraketentriebwerk überschritten, das von einem Boeing B-29-Flugzeug gestartet wurde. In Russland durchbrach 1948 der Pilot O.V. Sokolovsky in einem experimentellen La-176-Flugzeug mit Turbostrahltriebwerk die Schallmauer.

Video.

Schallgeschwindigkeit.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (relativ zum Medium) kleiner Druckstörungen. In einem perfekten Gas (zum Beispiel in Luft bei mäßigen Temperaturen und Druck) S. z. hängt nicht von der Art der sich ausbreitenden kleinen Störung ab und ist sowohl für monochromatische Schwingungen unterschiedlicher Frequenz () als auch für schwache Stoßwellen gleich. In einem perfekten Gas am betrachteten Punkt im Raum ist die S. z. a hängt nur von der Zusammensetzung des Gases und seiner absoluten Temperatur T ab:
a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2,
wobei dp/d(() – Ableitung des Drucks nach der Dichte für einen isentropen Prozess, (-) – adiabatischer Exponent, R – universelle Gaskonstante, (-) – Molekulargewicht (in Luft a 20,1T1/2 m/s bei 0 (°)C a = 332 m/s).
In einem Gas mit physikalisch-chemischen Umwandlungen, beispielsweise in einem dissoziierenden Gas, S. z. hängt davon ab, wie – Gleichgewicht oder Nichtgleichgewicht – diese Prozesse in der Störungswelle ablaufen. Im thermodynamischen Gleichgewicht S. z. hängt nur von der Zusammensetzung des Gases, seiner Temperatur und seinem Druck ab. Wenn physikalisch-chemische Prozesse im Nichtgleichgewicht ablaufen, kommt es zu Schallausbreitung, also Schallausbreitung. hängt nicht nur vom Zustand des Mediums ab, sondern auch von der Schwingungsfrequenz (). Hochfrequente Schwingungen ((tm), ()) – Relaxationszeit) breiten sich vom gefrorenen Sonnensystem aus. aj, Niederfrequenz ((,) 0) - mit Gleichgewicht S. z. ae und aj > ae. Der Unterschied zwischen aj und ai ist in der Regel gering (in Luft bei T = 6000(°)C und p = 105 Pa beträgt er etwa 15 %). In Flüssigkeiten S. z. deutlich höher als in Gas (in Wasser a 1500 m/s)