Сверхзвуковая скорость

Сверхзвуковая скорость — это скорость объекта, превышающая скорость звука ( 1 Маха ). Для объектов, движущихся в сухом воздухе с температурой 20 °C (68 °F) на уровне моря , эта скорость составляет примерно 343,2 м/с (1126 футов/с; 768 миль в час; 667,1 узла; 1236 км/ч). Скорости, в пять раз превышающие скорость звука (5 Маха), часто называют гиперзвуковыми . Полеты, во время которых только некоторые части воздуха, окружающего объект, например концы лопастей несущего винта, достигают сверхзвуковой скорости, называются трансзвуковыми . Обычно это происходит где-то между 0,8 и 1,2 Маха.

Звуки — это распространяющиеся вибрации в виде волн давления в упругой среде. Объекты движутся со сверхзвуковой скоростью, когда объекты движутся быстрее, чем скорость, с которой звук распространяется через среду. В газах звук распространяется в продольном направлении с разной скоростью, в основном в зависимости от молекулярной массы и температуры газа, а давление оказывает незначительное влияние. Поскольку температура и состав воздуха значительно меняются с высотой, скорость звука и числа Маха для постоянно движущегося объекта могут меняться. В воде комнатной температуры сверхзвуковая скорость означает любую скорость, превышающую 1440 м/с (4724 фута/с). В твердых телах звуковые волны могут быть поляризованы продольно или поперечно и иметь более высокие скорости.

Сверхзвуковое разрушение материале со скоростью, превышающей скорость звука — это образование трещин в хрупком .

Раннее значение

Слово «сверхзвуковой» происходит от двух латинских слов ; 1) super : выше и 2) sonus : звук, которые вместе означают выше звука или быстрее звука.

В начале 20-го века термин «сверхзвуковой» использовался как прилагательное для описания звука, частота которого превышает диапазон нормального человеческого слуха. Современный термин для этого значения — « ультразвуковой ».

Сверхзвуковые объекты

Считается , что кончик кнута является первым предметом, предназначенным для преодоления звукового барьера, что приводит к характерному «треску» (на самом деле небольшому звуковому удару ). Волновое движение, проходящее через кнут, позволяет ему достигать сверхзвуковых скоростей. ^[3]^[4] Однако первый искусственный сверхзвуковой удар, вероятно, был вызван куском ткани, что стимулировало дальнейшее развитие кнута. ^[5]

Большинство современных огнестрельного оружия пуль являются сверхзвуковыми, при этом винтовочные снаряды часто летят со скоростью, приближающейся к скорости, а в некоторых случаях ^[6] значительно превышающую 3 Маха .

Большинство космических кораблей являются сверхзвуковыми, по крайней мере, на некоторых этапах их входа в атмосферу, хотя воздействие на космический корабль снижается за счет низкой плотности воздуха. Во время подъема ракеты-носители обычно избегают сверхзвуковой скорости ниже 30 км (~ 98 400 футов), чтобы уменьшить сопротивление воздуха.

Обратите внимание, что скорость звука несколько уменьшается с высотой из-за более низких температур (обычно до 25 км). На еще большей высоте температура начинает повышаться, что приводит к соответствующему увеличению скорости звука.

Когда надутый воздушный шар лопается, оторванные кусочки латекса сжимаются со сверхзвуковой скоростью, что приводит к резкому и громкому хлопку.

Сверхзвуковые наземные транспортные средства

На сегодняшний день только один наземный транспорт официально передвигается со сверхзвуковой скоростью — ThrustSSC . Автомобиль, которым управляет Энди Грин , является мировым рекордом наземной скорости, достигнув средней скорости на двустороннем движении 1228 км/ч (763 миль в час) в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года.

В рамках проекта Bloodhound LSR планировалась попытка установления рекорда в 2020 году в Хакскиенпане в Южной Африке с использованием комбинированного реактивного и гибридного автомобиля с ракетным двигателем. Целью было побить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, в ходе которых [члены] команды надеются достичь скорости до 1600 км/ч (1000 миль в час). Первоначально проектом руководил Ричард Ноубл , который был руководителем проекта ThrustSSC, однако из-за проблем с финансированием в 2018 году команда была куплена Яном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. Позже проект был отложен на неопределенный срок из-за пандемии COVID-19 , и автомобиль был выставлен на продажу.

Сверхзвуковой полет

Большинство современных истребителей являются сверхзвуковыми самолетами. Ни один современный пассажирский самолет не способен развивать сверхзвуковую скорость, но существовали сверхзвуковые пассажирские самолеты , а именно «Конкорд» и Ту-144 . И эти пассажирские самолеты , и некоторые современные истребители также способны к суперкрейсерскому режиму , состоянию устойчивого сверхзвукового полета без использования форсажной камеры . Благодаря своей способности совершать суперкрейсерский полет в течение нескольких часов и относительно высокой частоте полетов на протяжении нескольких десятилетий, «Конкорд» проводил больше времени в сверхзвуковых полетах, чем все другие самолеты вместе взятые, со значительным отрывом. С момента последнего полета Конкорда на пенсию 26 ноября 2003 года в эксплуатации не осталось ни одного сверхзвукового пассажирского самолета. Некоторые большие бомбардировщики , такие как Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer, также способны развивать сверхзвук.

Аэродинамика проще, чем дозвуковых , сверхзвуковых самолетов поскольку листы в разных точках плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетным аппаратам требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолеть дополнительное аэродинамическое сопротивление , возникающее в околозвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут аккуратно направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение площади поперечного сечения ниже по самолету приводит к ударным волнам вдоль корпуса. Дизайнеры используют правило сверхзвуковой площади и правило площади Уиткомба, чтобы свести к минимуму внезапные изменения размера.

Источник звука теперь преодолел барьер скорости звука и движется со скоростью, в 1,4 раза превышающей скорость звука c (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он фактически возглавляет наступающий волновой фронт. Источник звука пройдет мимо неподвижного наблюдателя до того, как наблюдатель действительно услышит звук, который он создает.

Однако в практических приложениях сверхзвуковой самолет должен стабильно работать как на дозвуковом, так и на сверхзвуковом профилях, следовательно, аэродинамическая конструкция более сложна.

Основным ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма всего самолета, чтобы он был длинным и тонким и близким к «идеальной» форме, оживе фон Кармана или корпусу Сирса-Хаака . Это привело к тому, что почти все сверхзвуковые крейсерские самолеты очень похожи друг на друга, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. д. Хотя эта форма и не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования в бомбардировщиках.

См. также

Ссылки

^ Астронет: 19 августа 2007 г. – Звуковой бум . antwrp.gsfc.nasa.gov .
^ «КОНДЕНСАЦИОННОЕ ОБЛАКО F-14 В ДЕЙСТВИИ» . www.eng.vt.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2004 г.
^ Майк Мэй (2002). «Хорошая математика» . Американский учёный . 90 (5). Архивировано из оригинала 22 марта 2016 г. Проверено 26 августа 2015 г.
^ «Гипография - наука для всех - объяснение тайны взлома кнута» . Архивировано из оригинала 17 февраля 2012 г. Проверено 6 февраля 2008 г.
^ «Движется ли кончик разорванного полотенца быстрее звука?» .
^ «Таблицы боеприпасов Hornady» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г. Проверено 4 ноября 2011 г.

Внешние ссылки

«Можем ли мы когда-нибудь летать быстрее скорости звука», октябрь 1944 г., Popular Science, одна из первых статей об ударных волнах и полетах со скоростью звука.
«Британия выходит на сверхзвук», январь 1946 г., статья Popular Science 1946 г., пытающаяся объяснить широкой публике сверхзвуковой полет.
MathPages – Скорость звука
Уровни сверхзвукового звукового давления

[1] Астронет: 19 августа 2007 г. – Звуковой бум . antwrp.gsfc.nasa.gov .

[2] «КОНДЕНСАЦИОННОЕ ОБЛАКО F-14 В ДЕЙСТВИИ» . www.eng.vt.edu . Архивировано из оригинала 2 июня 2004 г.

[3] Майк Мэй (2002). «Хорошая математика» . Американский учёный . 90 (5). Архивировано из оригинала 22 марта 2016 г. Проверено 26 августа 2015 г.

[4] «Гипография - наука для всех - объяснение тайны взлома кнута» . Архивировано из оригинала 17 февраля 2012 г. Проверено 6 февраля 2008 г.

[5] «Движется ли кончик разорванного полотенца быстрее звука?» .

[hornady-6] «Таблицы боеприпасов Hornady» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г. Проверено 4 ноября 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]