Club Aurora

Твоят прозорец към космоса.

Да изпревариш звука…
 Днес ще хвърлим светлина върху една тема, която за почти всеки неспециалист е пълна мъгла, а именно – движението със свръхзвукова скорост. Ще разширим ерудицията ви с екзотични... Да изпревариш звука…

 Днес ще хвърлим светлина върху една тема, която за почти всеки неспециалист е пълна мъгла, а именно – движението със свръхзвукова скорост. Ще разширим ерудицията ви с екзотични термини като „критично число на Мах”, „скок на уплътнение”,  и „вълново съпротивление” , но преди всичко…

Както обикновено ще започнем от по-далеч. Най-напред трябва да изясним какво му е особеното на звука и на скоростта, с която се разпространява. Отваряйки Уикипедия, научаваме, че „звукът е надлъжна механична вълна – трептене на материята, което се предава като периодична промяна на налягането (поради сгъстяване и разреждане на средата)”. Често се изтъква, че звукът е пример за механично трептение, тоест, за да се разпространява звуковата вълна, й е необходима физическа среда, съставена от атоми и молекули. Тя няма как да се разпространява във вакуум за разлика от електромагнитните вълни. Ако разполагаме с такава среда (въздух, вода, скала), в която молекулите са сравнително равномерно разпространени, трябва да си представим звуковата вълна като сферична област около източника, в която молекулите ту се сгъстяват (повишава им се налягането), ту се разреждат (намалява им се налягането). Ето така:

В атмосферата изменението на налягането на въздушните молекули вследствие на звука варира в големи граници – от 20 микропаскала, колкото е слуховият праг на човешкото ухо, до стотици и дори хиляди паскали, колкото създават ракетните двигатели на метър от тях. Всъщност този огромен динамичен диапазон на звуковия интензитет е причината той да се измерва с децибели. Но стига сме се отплесвали! За аеродинамиката скоростта на звука е важна поради друга причина. Оказва се, че ако в някакъв въздушен поток възникне някакво слабо смущение на параметрите му (скорост, налягане, плътност), това смущение ще се разпространява в потока със скоростта на звука (който също е пример за „слабо смущение”). Такива слаби смущения се получават при ламинарното обтичане на някакъв обект (ако терминът „ламинарно обтичане” ви затруднява, моля, запознайте се със статията „Основи на аеродинамиката или защо летят самолетите”). Ето какво имам предвид. На долната картинка виждате ламинарното обтичане с въздушен поток на крилен профил. Токовите линии на потока са визуализирани посредством дим.

Както можете сами да се убедите, въздушният поток започва да се отмества още преди да е срещнал повърхността на профила. Откъде той научава за него? От молекулите, контактуващи непосредствено с профила, които предават движението си на молекулите, намиращи се по-назад, и то, забележете, това става със скоростта на звука.

А какво ще стане, ако започнем да придвижваме профила срещу въздушния поток или, което е същото, да увеличаваме скоростта на потока? Очевидно картинката на обтичането ще се промени. Тъй като скоростта на звука остава същата, молекулите въздух, намиращи се пред профила, ще разполагат с все по-малко време да „научат” за съществуването му от молекулите, контактуващи с него, така че изменението на вектора на скоростите им ще става все по-рязко с нарастване на скоростта на профила.Ако скоростта на въздушния поток, обдухващ профила, стане равна на скоростта на звука, връхлитащите го молекули няма да има откъде да разберат за него. Те трябва да се сблъскат непосредствено с него и при това налягането, температурата и плътността на въздуха ще се увеличи драстично и изведнъж – явление, известно в аеродинамиката като скок на уплътнение.Получава се така, че при сблъсъка с обтекаемия обект, въздухът се изтиква рязко в концентрична област около него, която се нарича ударна вълна. А след задната част на свръхзвуковия обект възниква още една ударна вълна, тъй като зад него остава вакуум, който трябва да се запълни от околния въздух.

Експериментален модел на NASA, обтичан от свръхзвуков поток. Виждате ударната вълна, която се формира. Изображение: http://nasa.gov

Ударната вълна притежава редица особени характеристики. В непосредствена близост около свръхзвуковия обект тя се разпространява със скоростта на обекта – тоест със скорост по-голяма или равна на тази на звука. Отдалечавайки се от обекта, скоростта й обаче намалява с намаляване на интензитета на вълната и в някакъв момент деградира до обикновена звукова вълна. Поради тази причина, както можете да видите и на долната анимация, взета назаем от Уикипедия, ударната вълна се разпространява в конична област, наричана конус на Мах, в чиито връх се намира самият свръхзвуков обект.

Практическото следствие – чувате звука от преминаващия свръхзвуков самолет, след като мине и замине над главите ви. Колкото по-далеч е от вас самолетът, толкова по-късно ще чуете звука от него.

Физическият процес, който опсахме по-горе, оказва огромно влияние върху повдението на летателните апарати. Един от най-важните параметри, описващи аеродинамиката им е, всеизвестното число на Мах (M), което е чисто и просто съотношението на скоростта на летателния апарат (V) към скоростта на звука във въздушната среда (a), в която лети, или M = V / a. Сами разбирате, че при М = 1 (Мах 1) скоростта на движение на летателния апарат е равна на скоростта на звука.

Числото на Мах е основният показател за измерване на скоростта на самолетите и е напълно достатъчно, ако се интересуваме колко бързо се движи даден самолет, да се задоволим с числото му на Мах. Неслучайно един от основните измервателни уреди в пилотската кабина е махметърът. Така например обикновните пътнически реактивни самолети от типа на Еърбъс и Боинг имат крейсерска скорост (обичайната им скорсост в установен полет) от около М = 0,8, което между другото е много близко до максималната им скорост. За височината, на която летят тези самолети в установен полет (около 11-12 км), това отговаря на въздушна скорост (т.е. измерена спрямо въздушната маса, в която лети самолетът) от около 460 възела (стандатната измервателна единица за скорост във въздухоплаването) или 850 km/h.

Тук му е мястото да уточним, че изразено в количествени единици (например km/h) М = 0,8 на морското равнище изобщо не е равно на М = 0,8 на височина 12 km. В първия случай имаме скорост от 980 km/h, а във втория – 850 km/h. Няма нищо странно – с височина скоростта на звука намалява и за да запазим съотношението 0,8, трябва да намалим и скоростта си на движение.

Причината, поради която числото на Мах е толкова важно за летателните апарати, е че от него зависи свиваемостта на обтичащия го въздушен поток, а свиваемостта оказва драматично влияние върху подемната сила и челното съпротивление. До скорости от порядъка на 0,3 М свиваемостта се пренебрегва и са в сила простички формули, по които се определят споменатите сили. Обаче колкото повече се приближаваме към скоростта на звука, толкова по-забележими стават едни ефекти, които са твърде сложни за да бъдат обяснени с няколко изречения. Най-общо казано те се отразяват зле на аеродинамичните характеристики на летателните апарати.

Както знаем от историческите снимки, в зората на авиацията първите самолети са били снабдени с т.нар. „право крило“ (тоест перпендикуляно на тялото на самолета), при това с дебел профил, чиято кривина осигурявала доста подемна сила (и челно съпротивление). Много често се използвали биплани, триплани и пр., чиито няколко наредени крила едно върху друго осигурявали още повече подемна сила (и още повече челно съпротивление). В началото тази практика била ОК – при ниските скорости, с които се движели самолетите тогава (100 – 200 km/h), било оправдано да се създава подемна сила по всякакъв начин, независимо от съпътстващото я челно съпротивление.

Класически ранен биплан

 Само че двигателите се усъвършенствали, скоростта на самолетите се увеличавала, което принудило авиопроектантите да се откажат от многопланите и дебелия профил, за да намалят челното съпротивление и да се постигне още по-висока скорост. Изглеждало, че тези мерки са напълно достатъчни, за да се постигне колкото си искаш висока скорост, при условие че имаш достатъчно мощен двигател и разполагаш с достатъчно здрава конструкция, която да не се разруши от въздушния напор. Оказало се обаче, че нещата не стоят така. Изобщо. През 30-те и 40-те години, когато самолетите вече били достатъчно усъвършенствани, за да се движат със скорости далеч по-високи от 0,3 М, пилотите забелязали следните странно-неприятни ефекти – при доближаване на скоростта на звука, челното съпротивление рязко се увеличавало, подемната сила рязко се губела, а упраляемостта на самолета също отивала на кино. Някъде по това време се зародил слухът, че звуковата бариера е непреодолима, за която и да е летяща машина.

Докато преминава през трансзвуковата област този изтребител F-18 създава около себе си области, в които въздухът го обтича свръхзвуково. Тъй като в тези области налягането на въздуха намалява, намалява и температурата му, така че може да се стигне до условия, в които водните молекули на въздуха да кондензират. На английски това явление е наречено „vapor cone“.

Разбира се само десетилетие след това америкаският самолет Bell X-1 направил на пух и прах това подозрение, извършвайки първият успешен управляем звуков полет. Но успехът дошъл след цялостно преосмисляне на дотогавашните конструкторски принципи  и малка революция в аеродинамиката. Анализът на прехода от дозвуков към свръхзвуков полет показал, че това е процес, който се  случва постепенно и започва още при скорости по-ниски от звуковата.

 Еволюцията на самолетите през 20-ти век, илюстрирана тук, показва нагледно какво е трябвало да се промени в дизайна на самолетите, за да се достигнат по-високи скорости. 

Ето как се случва това. Тъй като въздухът обтича самолета с различна скорост в различните му части, звуковата бариера няма да бъде достигната едновременно по всичките му повърхности. Например, за да се създава подемна сила, по горната изпъкнала повърхност на крилото въздухът се движи много по-бързо, отколкото по долната повърхност. Като увеличаваме скоростта на самолета се стига до момент, в който въздухът по най-изпъкналата му повърхност започва да се движи със скоростта на звука. Обикновено това започва да се случва още при М = 0,6, конкретната стойност е различна за различните стойности и в аеродинамиката е прието да се нарича критично число М. Критично е, защото оттам насетне самолетът започва да се обтича смесено – едновременно дозвуково и свръхзвуково. При това свръхзвуковото обтичане е свързано с възникването на локални ударни вълни, за които говорихме по-горе. Всичко това преобръща с краката нагоре разпределението на въздушното налягане под и над крилото. В предната част на крилото то непрекъснато се увеличава, заради разширяващата се с увеличаване на скоростта свръхзвукова област отгоре и свързаната с нея ударна вълна, докато в задната част намалява. Резултатът – самолетът посреща повишено въздушно съпротивление (наречено вълново съпротивление), а освен това ламинарното обтичане на крилото се нарушава, появявят се завихрания и самолетът започва да тресе (бафтинг). Всичко това е обобщено под термина „вълнови кризис“.

Възникване и развитие на вълновото съпротивление.

 Любопитното е, че вълновият кризис изчезва щом като самолетът стане изцяло свръхзвуков – тогава бафтингът спира, съпротивлението намалява и отново имаме управляем полет. Основната пречка при свръхзвуковите полети е именно тази преходна трансзвукова област.  Стремежът е през нея  да се премине максимално бързо , а вредните ефекти се минимизират, доколкото е възможно, с внимателен дизайн на крилото. То трябва да е максимално тънко, с неголяма площ, стреловидно или делтаобразно. „Правото“ крило е напълно неприемливо. 

Ако сте се чудели някога защо съвременната гражданска авиация е дозвукова, то може би вече се досещате за отговора на този въпрос. Каквото и да се прави, преминаването през трансзвуковата граница е икономически неизгодно (повече съпротивление = повече гориво) и е свързано с нуждата от допълнителни инженерни способи, които да се справят с неприятните аеродинамични ефекти.  В резултат проектът за свръхзвуков граждански самолет се усложнява, а това води до допълнително оскъпяване и намалява безопасността на полетите му (справка – Конкорд).

И все пак всяка авиокомпания иска самолетите й да летят максимално бързо. В съвременната авиация това се постига  чрез подходящ дизайн на самолетите, забавящ възникването на вълнови кризис и позволяващ им да летят със скорости много близки до максималните. Ключова роля тук играе т.нар.свръхкритичен профил на крилото, който днес масово се използва от повечето модерни самолети.

 Разлика между обикновен крилен профил свръхкритичен крилен профил

Магията на този вид профил се крие в особената му форма – почти плоска горна повърхност и вдлъбната долна повърхност. Благодарение на това въздухът по горната повърхност се ускорява в много по-малка степен спрямо обикновения профил и той става звуков при по-високи скорости на самолета. Извивката  на долната повърхност пък компенсира загубата на подемна сила от намалената скорост на въздуха по горната повърхност. Според данни на NASA свръхкритичният профил на крилото намалява с до 15 процента разхода на гориво и повишава максималната скорост на самолета до 0,85 М (за сравнение – същият самолет с обикновен профил би имал максимална скорост от 0,7 М ).

Използвана литература: Гешев, Д.Н., Аеродинамика на летателните апарати – основен курс, С., КИНГ-2001, 2002

 

Еmil Petkov

Емил е авиационен инженер, който се опитва да предаде тук своите знания и опит. Намира космоса за вълнуващо място и се интересува как чрез новите технологии ще се приближим до него.

No comments so far.

Be first to leave comment below.

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Page generated in 0,232 seconds. Stats plugin by www.blog.ca