Великолепная скорость, мгновенные изменения, загадочная стройность форм и ошибки в расчетах – все переплелось в этой картине. Рядом с быстро мчащимся самолетом внезапно появляется туманный конус, но это не «звуковой барьер». С конусом связано много неверных представлений и распространенных мифов. Аэродинамика туманного конуса интересна, и любопытно понять, как он возникает и почему обладает таким видом. Никто никогда до нас так не разбирал это.
Представлен палубный самолет, выполняющий функции истребителя-бомбардировщика и штурмовика. F/A-18F Super HornetСамолет мчит со скоростью, близкой к скорости звука. Задняя часть самолета скрыта за туманным конусом с ровными очертаниями: словно широкая юбка, он окутал хвостовое оперение. Что это и откуда взялось?
Скорость полета и число Маха
Существуют дозвуковые и сверхзвуковые полеты самолетов. Их отличия принципиальны: физика обтекания самолета воздушным потоком на этих режимах существенно различается. Между этими формами полета расположена область околозвуковых скоростей с переходными явлениями, где находится туманный конус.
В аэродинамике скорость оценивается по отношению к окружающему воздуху, а не к земле или поверхности, например палубы авианосца. Воздух превращается в поток, обтекающий самолет. Во время полета важно не только то, быстрее или медленнее чем звук движется самолет, но и насколько это происходит: именно это определяет характер обтекания.
Скорость звука всегда рассматривается местнаяСкорость звука зависит от температуры воздуха и может изменяться с высотой, погодой и временем года. В летнюю жару она увеличивается, а в зимние морозы — уменьшается. На уровне моря при стандартных атмосферных условиях скорость звука составляет 340,29 метра в секунду. При увеличении высоты изменение скорости звука связано только с температурой воздуха: давление атмосферы и плотность не оказывают влияния. При подъеме до стратосферы скорость звука снижается из-за мороза, достигая 295 метров в секунду. С середины стратосферы до ее верха она увеличивается из-за прогревания воздуха, за ней снова уменьшается, а затем вновь возрастает.
Число МахаЧисло Маха (M) — это отношение скорости полета или течения воздуха к скорости звука. Можно представить его как весы, взвешивающие скорость в «звуках». Так же, как длина удава в мультфильме «38 попугаев» измерялась в длине попугая, скорость полета можно измерить в скоростях звука, получив числовое значение Маха.
Число Маха есть величина без единиц измерения. Разделить скорость движения (м/с) на скорость звука (м/с) можно так же, как разделить метры на метры – получится дробь. безразмерныечислаЧисло Маха – величина, к которой относятся и другие аналогичные единицы. В связи с этим, единиц измерения «Мах» или «мах» попросту нет. Говорить о «скорости в три Маха» или «пять Махов» неправильно — это лишь неофициальный жаргон.
Неверно говорить о «скорости в три числа Маха» или «с тремя числами Маха», поскольку число Маха не является константой с постоянным значением. Это переменная величина, принимающая любое конкретное значение для каждой скорости. При М=1 скорость равна местной звуковой. Если М<1 (например, М=0,7) полет дозвуковой, если же М>1 (например, М=2,3) — сверхзвуковой.
Вблизи звуковой скорости, или возникновение скачка уплотнения.
При махе 0,8 на небольшой высоте скорость звука составляет 340 метров в секунду. Умножение ее на М дает 272 метра в секунду — скорость самолета относительно воздуха. А с какой скоростью воздух обтекает самолет? Кажется, конечно, такой же — 272 метра в секунду. Но, как ни парадоксально, это не так.
В выпуклых местах, таких как крыло и киль, кабина, воздухозаборники, поток воздуха ускоряется. Из-за этого скорость обтекания не одинакова в разных точках самолета. Разница особенно заметна на крыле.
Верхняя сторона крыла самолета имеет большую выпуклость по сравнению с нижней. Из-за этого на верхней поверхности воздух движется быстрее.
Снижение давления наблюдается при ускорении потока газа ниже скорости звука. законом БернуллиДля дозвукового потока характерен великий принцип неразрывности потока, или среды. Пониженное давление над крылом «подсасывает» его вверх, создавая подъемную силу. Рост местной скорости воздуха над крылом зависит от скорости самолета и кривизны обтекаемой поверхности и может достигать +0,2 М.
При скорости самолета около М=0,8 местное ускорение обтекающего потока вызывает появление на верхней поверхности крыла точки со скоростью звука (M=1). При скорости около М=0,85 эта точка расширяется в небольшую сверхзвуковую область над крылом, которая заканчивается плоской поверхностью, перпендикулярно стоящей в потоке. Воздух на ней мгновенно уплотняется, а его скорость резко снижается до дозвуковой.
Это сверхзвуковой скачок плотности — поверхность сжатия воздуха, образуемая ударной волной.
Сжатие происходит тут мгновенно, скачкообразно, за пару пробегов молекул и одну десятимиллиардную долю секунды.
Эта резкая уплотненность существует только в сверхзвуковом потоке, поэтому возникает не перед крылом, где обтекание еще дозвуковое, а в сверхзвуковом течении на средней части крыла.
При увеличении скорости самолета область сверхзвукового течения и скачок уплотнения увеличиваются и тянутся перпендикулярно от крыла в окружающее его пространство. При М=0,9 сверхзвуковая область начинает создавать и слегка выпуклый низ крыла. При М=0,95 сверху и снизу крыла образуются большие сверхзвуковые области, а скачки уплотнения перемещаются к задней кромке крыла и растягиваются на несколько метров вверх и вниз от него.
При переходе на сверхзвуковой полет уплотнение скачков смещается назад и сливается за летательным аппаратом с ударной волной, возникающей от передней кромки крыла, создавая на определенном расстоянии от самолета конус Маха, расширяющийся в пространстве.
Сверхзвуковой скачок может оставлять поток как сверхзвуковым, так и дозвуковым в зависимости от его силы. В любом скачке течение всегда замедляется и уплотняется — утрамбовывается налетающим сверхзвуковым потоком. Поток бьет по скачку огромной энергией своего движения, подобно молоту; этот удар производит ударное газодинамическое сжатие в сверхзвуковом скачке, образуя его. Утрамбованный и уплотненный воздух выдавливается за скачок новыми порциями прибывающего потока.
Воздух после скачка уплотнения может сохраняться сжатым и текущим без расширения, например на крутых наклонных поверхностях, которые спровоцировали скачок. В сжатом потоке плотность, давление и температура не меняются, не возвращаясь к значениям до скачка. В таком случае нет волнового процесса с его возвращением к исходным параметрам.
Вас интересует другая часть сверхзвукового скачка – дальняя, простирающаяся в окружающее пространство. Здесь воздух, уплотненный скачком, не поддерживается никакой жесткой поверхностью. Сжатый он сразу беспрепятственно расширяется, возвращаясь к атмосферному давлению и плотности. Этот возврат к исходному состоянию демонстрирует наличие волнового процесса, а сверхзвуковой скачок уплотнения вместе с измененным за ним воздухом образует ударную волну.
Взрывной вихрь создаёт дымчатый пейзаж.
Ударная волнаВ воздухе распространяется мощное упругое сжатие со сверхзвуковой скоростью, после чего параметры воздуха восстанавливаются до нормальных. Началом ударной волны служит скачок уплотнения — передняя ее поверхность и самое характерное место. В этом участке плотность, давление и температура воздуха резко возрастают. Возникшая из-за сжатия большая упругая сила, получив возможность действовать, превращается в сильную силу расширения, быстро нивелирующую возникшее сжатие до атмосферного давления.
Распространение газа — это вид движения частиц вещества.
Чем стремительнее это движение, тем сильнее его инерция. Независимо от формы реализации, масса обладает инерцией, которая сохраняет движение. Быстро достигнув атмосферных параметров, разогнавшийся поток воздуха проскакивает их без остановок и инерционно продолжается, «выгибая» давление в обратную сторону и создавая разрежение.
Внутри давления, плотности и температуры падают заметно ниже уровня атмосферного. Образовавшееся разрежение начинает провоцировать обратный процесс — сжатие со стороны окружающего воздуха. окончательноВыравниваясь с давлением атмосферы, ударная волна прекращает своё существование. Этим явлением являются обычные для волн возвышения и низины на графиках показателей атмосферного давления.
При крайне мощных ударных волнах с предельным сжатием в ударной области… оИнерционная сила расширения может создать более глубокое разрежение, чем в конусе Маха. Восстановление до атмосферного давления также может обладать инерцией, достаточной для второго небольшого сжатия, после которого произойдет второе расширение. Такой колебательный цикл сжатия-расширения возникает в мощных ударных волнах от больших фугасных зарядов, ядерных взрывов, при падении из космоса крупных болидов. В то же время туманный конус вокруг самолета формируется только однократным сжатием-расширением.
Графики плотности, давления и температуры ударной волны показывают характерные черты в виде островерхого пика с высокой амплитудой. поэтомуВпадина получается короткой, неглубокой, но протяженной. Разрежение в задней части ударной волны довольно сильное (больше, чем в области дозвукового понижения давления над крылом), но разница с атмосферой меньше, чем в передней области сжатия. Поэтому сила выравнивания разрежения до атмосферного давления меньше. Вследствие этого разрежение воздуха «затягивается» потревоженной атмосферой медленнее и существует значительно дольше, чем сжатие.
Влажность воздуха возле самолёта может приводить к понижению температуры. точке росыТемпература выпадения тумана при данной влажности определяет момент конденсации. По мере падения температуры в ударной волне вместе с давлением, прозрачный водяной пар мгновенно преобразуется в туман из капелек воды, если достигается точка росы. Туманный конус визуализирует область, где температура ниже точки росы. Повторное повышение температуры выше точки росы вызывает обратное превращение тумана обратно в невидимый пар.
Теперь понятно, что происходит в реальности. Самолет не «преодолевает звуковой барьер», как иногда неправильно говорят. Эту фразу используют для выражения того, что человечество достигло уровня технологий, позволяющих совершать сверхзвуковые полеты.
В виде облака видима холодная зона — участок быстрого понижения температуры за ударной волной самолета.
Самолет движется с постоянной дозвуковой скоростью около М=0,9. В районе самолета и вокруг него возникли зоны сверхзвукового течения, породившие скачки уплотнения. За ними сложилась структура ударной волны в открытом воздухе. Поверхность скачка подпирается сжатым слоем, за которым идет более толстый и длинный слой разрежения и охлаждения. В «сильной» части разреженной зоны воздушная влага сконденсировалась в туман. Атмосфера восстанавливает вмещающее туман разрежение, поднимая температуру выше точки росы, и туман возвращается в пар.
Зачем конус, а не случайная форма?
Кто придал туману такую форму — конус спереди, ровным сзади? Рядом с поверхностью крыла скорость возросла сильнее; сверхзвуковой скачок мощнее, чем вдали, где всё слабеет к исчезновению скачка. Мощнее сжатие в скачке на поверхности крыла — быстрее расширение и ближе за скачком проход точки росы падающей температурой. С удалением вверх и вниз от крыла уплотнение в слабеющем сверхзвуковом скачке снижается, и на самом дальнем краю сверхзвуковой области, возникшей вокруг крыла, скачок уплотнения исчезает. Продолжаясь ещё немного в пространстве слабеющими волновыми эффектами. Это пока много. местныйСкачок завершился в нескольких метрах от самолёта.
Вблизи края ударной волны расширение замедляется, растягивается во времени, а точка росы достигается позже и дальше за скачком. Чем выше от крыла, тем позже и на более короткий срок возникает туман, проходя в потоке более короткую линию своей жизни. Линии существования тумана сокращаются по мере удаления от поверхности крыла, начинаясь позже и складываясь в конус.
Давление атмосферы полностью восстанавливается после возмущений на крыльях примерно в одинаковом месте, отрезая конус сзади под прямым углом к потоку и параллельно возмущению впереди.
Чем дальше от крыла, тем позднее и на меньший срок возникает туман, создавая при выпадении наклонную поверхность конуса и его сужение к краям. Задняя поверхность тумана, соответствующая обратному прохождению точки росы, плоская.
Можно утверждать, что туманный конус представляет собой пространственную проекцию волнового процесса, развивающегося во времени вблизи самолёта.
Существуют предположения о том, что разрежение в конусе заставляет воздух перетекать из соседних областей внутрь. На самом деле, перемещение воздуха из прилегающих областей в конус отсутствует. Движение газа и волновое колебание — это две различные формы движения. В потоке здесь происходит ударно-волновой процесс, который слишком быстр для того, чтобы создавать перетекания с разных мест. Заполнение туманного конуса воздухом из окружающей среды — один из мифов.
Летит ли он со сверхзвуковой скоростью? Можно ли узнать это по фотографии?
Сверхзвуковые скачки уплотнения повышают аэродинамическое сопротивление вокруг самолета. Потери, возникающие из-за сверхзвукового скачка, расходуют часть энергии потока, что эквивалентно отниманию части кинетической энергии самолета и снижению его скорости. Для компенсации потери скорости требуется увеличить реактивную тягу значительно.
Присмотревшись к соплам самолёта на главной фотографии, можно заметить полосу с тусклыми светлыми пятнами. Это реактивная сверхзвуковая форсажная струя с характерными дисками Маха— также сжатием через волны, имеющее такую форму. торможение сверхзвуковой струи в атмосфереВ момент съемки двигателя «Супершёршня» функционировали на максимальной мощности. Увеличенная форсажная тягаСамолет способен летать со скоростью около звука, компенсируя увеличение сопротивления. Форсаж неполный: в режиме полного форсажа F/A-18 на малой высоте достигает сверхзвуковой скорости (М=1,2).
Фотографию сделали во время показательных полетов на авиасалоне. При сверхзвуковой скорости самолета ударная волна конуса Маха могла оглушить людей, повредить барабанные перепонки и вызвать легкую контузию, а также повалить зрителей и выбить стекла в зданиях. Сверхзвуковые полеты на малой высоте запрещены.
Двух летчиков-истребителей ПВО отправили на общевойсковые учения на полигоне. Задача состояла в том, чтобы на сверхзвуковых Су-9 пройти над войсками на небольшой высоте и имитировать ударную волну ядерного взрыва. В то же время в центре импровизированного «взрыва» должны были взорвать несколько бочек с бензином для создания грибовидного облака.
Чтобы сделать имитацию взрывной волны более реалистичной, летчики выбрали самый мощный почти прямой скачок со скоростью 1300 километров в час. Место и время перехода на сверхзвук, длительность его действия и маршрут полета были рассчитаны и согласованы, как и запас топлива для форсажного расхода. Взлетев, подошли к войскам, снизились до трехсот метров — ниже не стали из-за необходимости спокойствия при переходе на сверхзвук в условиях возможного проявления казахского мелкосопочника. Пройдя ориентиры рубежа, разожгли форсаж, вышли на сверхзвук и полетели низко над рельефом со скоростью 1300 километров в час — примерно М=1,15, с учетом холодной погоды.
Результат получился превосходным. За черным грибом дыма от разорванных бочек по частим прокатилась ударная волна. Высокопоставленные наблюдатели с биноклями, смотревшие на действия войск, оказались в зоне пролета пары. Ударная волна оглушила и сбросила наблюдателей с ног, повалив на землю. Фуражки улетели в степь. После этого раздавались начальственные возмущения в адрес летчиков и организаторов «ядерного удара». Летчики же четко выполнили задачу. Автор хорошо знал одного из них, рассказавшего о происшествии.
На снимках с дымчатым горбом часто запечатлены самолеты десантного базирования, преимущественно модели «Шершень». F/А-18 HornetПилоты, летающие на этих машинах, обладают большим опытом полетов близко к воде, приобретённым во время при заходе на посадку на авианосец и пролётах рядом с ним, которые летчики демонстрируют на авиашоу. Близость океана насыщает нижние слои воздуха влагой, что способствует образованию тумана.
Туман волновой и неволновой.
Ударно-волновой туман образуется не только вокруг самолетов. Во время движения ракетоносителей на околозвуковых режимах при определенных условиях атмосферы вокруг них тоже возникают ударные волны. Из-за геометрии обтекателя головной части ракеты форма тумана может отличаться от конуса и принимать иногда цилиндрический вид. Тогда кажется, будто спереди на ракетоноситель надета муфта из тумана. В силу быстрого разгона ракеты такой туман возникает на несколько секунд и быстро исчезает с ростом числа Маха.
Визуально туман может выделяться в ударной волне во время сильных взрывов в влажном воздухе. Например, при взрыве мощных фугасных авиабомб видны быстро разбегающиеся белесые поверхности, окружающие взрыв и разлетающиеся в стороны. Это визуализация зон разрежения в ударных волнах. Быстро проходящие туманные поверхности видны и на съемках ядерных и термоядерных взрывов — то же мгновенное выпадение тумана ударно-волновой природы.
Следует заметить, что не каждое разрежение возникает за счёт волнового процесса. Охлаждение до тумана происходит не исключительно из-за разрежения.
Туман может появиться в разрежениях любого происхождения — даже от взрыва пробки шампанского. Часто видимые вихревые шнуры, тянущиеся за крыльями самолетов, не связаны с ударными волнами: разрежение внутри вихря возникает из-за быстрого вращения воздуха и инерционно-центробежного механизма снижения давления. Зона пониженного давления с охлаждением и конденсацией облаков образуется в циклонах – огромных вращающихся массах воздуха.
Формирование тумана возможно не только при понижении давления, но и при любом охлаждении влажного воздуха до температуры ниже точки росы. Зимой туман может появиться из открытого окна: влажный воздух помещения охлаждается при смешивании с морозным воздухом снаружи. Подобный эффект наблюдается на старте ракет-носителей, заправленных жидким кислородом: в области сброса из бака очень холодного испаряющегося кислорода возникает плотный туман в охлаждаемом воздухе. Утренние туманы, покрывающие низменности лугов и текущие по оврагам, возникают вследствие ночного охлаждения земли и приземного слоя воздуха за счет теплового излучения.
Точно коническая форма тумана вокруг самолета и ровная задняя граница конуса, лишенная струй и завихрений, свидетельствуют о ударно-волновой природе тумана на этих снимках. Таким образом, туманный конус служит надежным признаком околозвуковой скорости.
При переходе к сверхзвуковому полету (например, М=1,3), волновая картина, развивающаяся вокруг задней части самолета, существенно изменится. Скачок уплотнения над крылом сместится на его заднюю кромку и отклонится назад. Сжатие в скачке уплотнения возрастет, восстановление атмосферного давления за ним станет очень быстрым и коротким. Зона разрежения также превратится в тонкий слой. Туман станет «воплощением» внутренней поверхности конуса Маха, протягиваясь от самолета далеко в пространство полупрозрачным коническим покрывалом. Если же самолет попадет в более сухой воздух, то исчезнет и он, не оставляя никаких визуальных следов обтекания.
Миф о Прандтле и Глоерте
С туманным конусом связана ещё одна частая ошибка. Его часто называют «эффектом Прандтля—Глоерта». статья в ВикипедииЭто обозначение часто встречается, но в учебниках по аэродинамике или научных публикациях его нет. Эффект отсутствует.
Существует понятие сингулярности Прандтля-Глоерта. Prandtl–Glauert singularity). Немецкий физик Людвиг Прандтль (Ludwig PrandtlВ начале XX века исследователь искал математическое описание сверхзвукового движения. Из-за неправильных допущений его расчеты дали неверный результат: из уравнений следовало, что давление воздуха и сила сопротивления полету при скорости М=1 стремятся к бесконечности. Это странно: в то время уже отлично летали сверхзвуковые винтовочные пули и снаряды, которые при бесконечной силе сопротивления воздуха не только сразу упали бы, но и, вероятно, разогнались бы этой бесконечной силой в обратном направлении.
Прандтль включил свои результаты в курс, который преподавал студентам. Первыми их опубликовал английский аэродинамик немецкого происхождения. Герман Глоерт (или Глауэрт, англ.Hermann Glauert— непонятно, как английский немец или немецкий англичанин произносил собственную фамилию, по-немецки или по-английски. Из этого следствием стало обращение к методу и вытекающей из него бесконечности давления именами обоих ученых.
В действительности трансформации, предложенные Прандтлем, при стремлении к М=1 … не работаютТогда разобраться в этом было сложно, ведь эксперименты с сверхзвуковыми течениями только начинались (при непосредственном участии самого Прандтля).
Людвиг Прандтль, несмотря на ошибку с сингулярностью, был выдающимся аэродинамиком, основоположником, много и плодотворно работавшим со сверхзвуком. Им впервые была предложена теория сверхзвуковой ударной волны. Прандтль рассчитал и построил первую в мире сверхзвуковую аэродинамическую трубу. Позже изобрел метод расчета сверхзвукового сопла, по которому сегодня рассчитывают все сопла ракет. Он создал мощную школу аэрогазодинамики, ставшую сегодняшним Обществом Макса Планка. Его называют отцом аэродинамики, а его имя носит один из аэродинамических критериев подобия — число Прандтля. Дожил он до полетов сверхзвуковой авиации, возникшей на базе его работ, и ушел из жизни в 1953 году.
В народном творчестве возник «эффект», приписываемый Прандтлю и Глоерту.
Его место занял ряд подобных мифов, легко распространяемых в наше время. Ни Прандтль, ни Глоерт его не формулировали, не описывали туманных конусов, не предсказывали их – да и вообще не имеют к ним никакого отношения. Удивительно, как ошибочные представления в аэродинамике преломляются, порождая мифы.