Звуковой барьер в аэродинамике - название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:
«Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „Мустанге“ спикировал на Me-109. Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…».

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

Исторические факты

* Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
* В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
* Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
* 15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
* 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.

Фото:
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-18-diamondback_blast.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonic_boom_cloud.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-14D_Tomcat_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:B-1B_Breaking_the_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transonic_Vapor_F-16_01.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18F_Breaking_SoundBarrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supersonic_aircraft_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA18_faster_than_sound.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18_Super_Hornet_VFA-102.jpg
* http://it.wikipedia.org/wiki/File:F-22_Supersonic_Flyby.jpg

Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?

С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер». Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом». Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, - он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.

Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха. Собственно, конденсат вы и видите на фотках внизу...

Нажмите на рисунок, чтобы увеличить его.

14 октября 1947 года человечество преодолело очередной рубеж. Рубеж вполне объективный, выражающийся в конкретной физической величине — скорости звука в воздухе, которая в условиях земной атмосферы находится в зависимости от её температуры и давления в пределах 1100–1200 км/ч. Сверхзвуковая скорость покорилась американскому пилоту Чаку Йегеру (Charles Elwood «Chuck» Yeager) — молодому ветерану Второй мировой, обладавшему незаурядной отвагой и отменной фотогеничностью, благодаря чему он немедленно стал популярен у себя на родине так же, как спустя 14 лет — Юрий Гагарин .

А отвага для перехода через звуковой барьер действительно требовалась. Советский пилот Иван Федоров , повторивший достижение Йегера год спустя, в 1948 году, вспоминал тогдашние свои ощущения : «Перед полетом на преодоление звукового барьера стало очевидным, что гарантии выжить после него нет никакой. Никто не знал практически, что это такое и выдержит ли конструкция самолета напор стихии. Но об этом старались не думать».

Действительно, полной ясности относительно того, как себя поведет машина на сверхзвуковой скорости, не было. У авиаконструкторов были ещё свежи в памяти воспоминания о внезапной напасти 30-х годов, когда с ростом скоростей самолетов пришлось срочно решать проблему флаттера — автоколебаний, возникающих как в жестких конструкциях самолета, так и в его обшивке, в считанные минуты разрывающих самолет на части. Процесс развивался лавинообразно, стремительно, пилоты не успевали изменить режим полета, и машины рассыпались в воздухе на части. Довольно долго математики и конструкторы в различных странах бились над решением этой проблемы. В конце концов теорию явления создал тогда ещё молодой российский математик Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978), впоследствии президент АН СССР. С помощью этой теории удалось найти способ навсегда избавиться от неприятного явления.

Вполне понятно, что столь же неприятных сюрпризов ожидали и от звукового барьера. Численное решение сложных дифференциальных уравнений аэродинамики в отсутствие мощных вычислительных машин было невозможно, и приходилось полагаться на «продувку» моделей в аэродинамических трубах. Но из качественных соображений было ясно, что при достижении скорости звука вблизи самолета возникает ударная волна. Наиболее ответственный момент — преодоление звукового барьера, когда скорость самолета сравнивается со скоростью звука. В этот момент разность давлений по разные стороны фронта волны быстро нарастает, и если момент продлится дольше мгновения, самолет может развалиться не хуже чем от флаттера. Порой при преодолении звукового барьера с недостаточным ускорением созданная самолетом ударная волна даже вышибает стекла из окон домов на земле под ним.

Отношение скорости самолета к скорости звука называют числом Маха (по имени знаменитого немецкого механика и философа Эрнста Маха). При прохождении звукового барьера пилоту кажется, что число М перескакивает через единицу скачкообразно: Чак Йегер увидел, как стрелка махометра скакнула с 0,98 на 1,02, после чего в кабине наступила «божественная» тишина — на самом деле, кажущаяся: просто уровень звукового давления в кабине самолета падает в несколько раз. Этот момент «очищения от звука» очень коварен, он стоил жизни многим испытателям. Но опасность развалиться для его самолета Х-1 была невелика.

Самолет Х-1 , изготовленный компанией Bell Aircraft в январе 1946 года, был чисто исследовательским летательным аппаратом, предназначенным для покорения звукового барьера и ни для чего более. Несмотря на то что машина была заказана министерством обороны, вместо оружия её нашпиговали научной аппаратурой, отслеживающей режимы работы узлов, приборов и механизмов. Х-1 походил на современную крылатую ракету. Имел один ракетный двигатель Reaction Motors тягой 2722 кГ. Максимальный взлетный вес — 6078 кг. Длина — 9,45 м, высота — 3,3 м, размах крыльев — 8,53 м. Максимальная скорость — на высоте 18290 м 2736 км/ч. Машина запускалась со стратегического бомбардировщика В-29 , а приземлялась на стальные «лыжи» на высохшем соляном озере.

Не менее впечатляют и « тактико-технические параметры» её пилота. Чак Йегер родился 13 февраля 1923 года. После школы пошел в летное училище, и после его окончания отправился воевать в Европу . Сбил один Мессершмит-109 . Сам был сбит в небе Франции , но его спасли партизаны. Как ни в чем не бывало вернулся на базу в Англию . Однако бдительная служба контрразведки, не поверив чудесному избавлению от плена, отстранила пилота от полетов и направила его в тыл. Честолюбивый Йегер добился приема у главнокомандующего союзными войсками в Европе генерала Эйзенхауэра, который Йегеру поверил. И не ошибся — молодой пилот за полгода, остававшиеся до окончания войны, совершил 64 боевых вылета, сбил 13 вражеских самолетов, причем 4 в одном бою. И вернулся на родину в звании капитана с прекрасным досье, в котором значилось, что он обладает феноменальной летной интуицией, невероятным хладнокровием и удивительной выдержкой в любой критической ситуации. Благодаря такой характеристике он попал в команду испытателей-сверхзвуковиков, которых отбирали и готовили столь же тщательно, как впоследствии — астронавтов.

Переименовав Х-1 в «Пленительную Гленис» (Glamorous Glennis) в честь своей жены, Йегер не единожды устанавливал на нем рекорды. В конце октября 1947 года пал прежний рекорд высоты — 21 372 м. В декабре 1953 года новая модификация машины — X-1A развила скорость 2,35 М — почти 2800 км/ч, а полгода спустя поднялась на высоту 27 430 м. А до того были испытания ряда запускавшихся в серию истребителей и обкатка нашего МиГ-15 , захваченного и переправленного в Америку во время корейской войны. Впоследствии Йегер командовал различными испытательными подразделениями ВВС как в США , так и на американских базах в Европе и Азии, принимал участие в боевых действиях во Вьетнаме , тренировал пилотов. В отставку он вышел в феврале 1975 года в звании бригадного генерала, налетав за время доблестной службы 10 тыс. часов, обкатав 180 различных сверхзвуковых моделей и собрав уникальную коллекцию орденов и медалей. В середине 80-х годов был снят фильм, основанный на биографии бравого парня, первым в мире покорившего звуковой барьер, и после этого Чак Йегер стал даже не героем, а общенациональной реликвией. В последний раз он сел за штурвал F-16 14 октября 1997 года и преодолел звуковой барьер на пятидесятую годовщину своего исторического полета. Было Йегеру тогда 74 года. В общем, как сказал поэт, гвозди бы делать из этих людей.

Таких людей немало и по другую сторону океана… Советские конструкторы начали примеряться к покорению звукового барьера одновременно с американскими. Но для них это было не самоцелью, а актом вполне прагматичным. Если Х-1 был сугубо исследовательской машиной, то у нас звуковой барьер штурмовали на прототипах истребителей, которые предполагалось запустить в серию для укомплектования ими частей ВВС.

В соревнование включились несколько конструкторских бюро — ОКБ Лавочкина , ОКБ Микояна и ОКБ Яковлева , — в которых параллельно разрабатывались самолеты со стреловидным крылом, что тогда было революционным конструктивным решением. К сверхзвуковому финишу они пришли в таком порядке: Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950). Однако там проблема решалась в довольно сложном контексте: военная машина должна обладать не только высокой скоростью, но и множеством иных качеств — маневренность, живучесть, минимальное время предполетной подготовки, мощное вооружение, внушительный боекомплект и т.д. и т.п. Следует отметить и то, что в советские времена на решение государственных приемочных комиссий зачастую влияли не только объективные факторы, но и субъективные моменты, связанные с политическими маневрами разработчиков. Вся эта совокупность обстоятельств привела к тому, что в серию был запущен истребитель МиГ-15 , который прекрасно показал себя на локальных аренах военных действий 50-х годов. Именно эту машину, захваченную в Корее, как было выше сказано, «объезжал» Чак Йегер.

В Ла-176 была применена рекордная по тем временам стреловидность крыла, равная 45 градусам. Турбореактивный двигатель ВК-1 обеспечивал тягу в 2700 кГ. Длина — 10,97 м, размах крыльев — 8,59 м, площадь крыла 18,26 кв.м. Взлетная масса — 4636 кг. Потолок — 15 000 м. Дальность полета — 1000 км. Вооружение — одна 37-мм пушка и две 23-мм. Машина была готова осенью 1948 года, в декабре начались её летные испытания в Крыму на военном аэродроме близ города Саки . Среди тех, кто руководил испытаниями, был и будущий академик Владимир Васильевич Струминский (1914–1998), пилотами экспериментального самолета были капитан Олег Соколовский и полковник Иван Федоров, получивший впоследствии звание Героя Советского Союза. Соколовский по нелепой случайности погиб во время четвертого полета, забыв закрыть фонарь кабины.

Звуковой барьер полковник Иван Федоров преодолел 26 декабря 1948 года. Поднявшись на высоту 10 тыс. метров, он отклонил ручку управления от себя и начал разгоняться на пикировании. «С большой высоты разгоняю свой 176-й, — вспоминал пилот . — Слышен нудный негромкий свист. Наращивая скорость, самолет мчится к земле. На шкале махометра стрелка с трехзначных цифр переходит на четырехзначные. Самолет дрожит, словно в лихорадке. И вдруг — тишина! Взят звуковой барьер. Последующая расшифровка осциллограмм показала, что число М перевалило за единицу». Произошло это на высоте 7 000 метров, где была зафиксирована скорость 1,02М.

В дальнейшем скорость пилотируемых самолетов продолжала неуклонно наращиваться за счет увеличения мощности двигателей, применения новых материалов и оптимизации аэродинамических параметров. Однако этот процесс не безграничен. С одной стороны, он тормозится соображениями рациональности, когда учитывается расход топлива, стоимость разработки, безопасность полета и прочие не праздные соображения. И даже в военной авиации, где деньги и безопасность пилота не столь уж и значимы, скорости наиболее «шустрых» машин находятся в диапазоне от 1,5М до 3М. Больше как будто бы не требуется. (Рекорд скорости для пилотируемых аппаратов с реактивными двигателями принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3,2М.)

С другой стороны, существует непреодолимый тепловой барьер: при определенной скорости нагревание корпуса машины трением о воздух происходит настолько быстро, что невозможно отведение тепла с его поверхности. Расчеты показывают, что при нормальном давлении это должно происходить на скорости порядка 10М.

Тем не менее предел в 10М все-таки был достигнут все на том же полигоне Эдвардс. Произошло это в 2005 году. Рекордсменом стал беспилотный ракетный самолет Х-43А, изготовленный в рамках 7-летней грандиозной программы Hiper-X по отработке технологий нового типа, призванных радикально изменить облик ракетно-космической техники будущего. Его стоимость составляет $230 млн. Рекорд был установлен на высоте 33 тыс. метров. В беспилотнике использована новая система разгона. Вначале отрабатывает традиционная твердотопливная ракета, с помощью которой Х-43А достигает скорости 7М, а затем включается двигатель нового типа — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД, или скрамджет), в котором в качестве окислителя используется обычный атмосферный воздух, а топливом является газообразный водород (прямо-таки классическая схема неуправляемого взрыва).

В соответствии с программой были изготовлены три беспилотных модели, которые после выполнения задания были утоплены в океане. Следующий этап предполагает создание пилотируемых машин. После их испытания полученные результаты будут учтены при создании самых разнообразных «полезных» аппаратов. Помимо летательных аппаратов для нужд NASA будут создаваться гиперзвуковые военные машины — бомбардировщики, разведчики и транспортники. Boeing, которая принимает участие в программе Hiper-X , планирует к 2030–2040 годам создать гиперзвуковой авиалайнер на 250 пассажиров. Вполне понятно, что иллюминаторов, которые на таких скоростях ломают аэродинамику и не выдерживают теплового нагрева, в нем не будет. Вместо иллюминаторов предполагаются экраны с видеозаписью проплывающих облаков.

Сомневаться не приходится, этот вид транспорта будет востребован, поскольку чем дальше, тем больше дорожает время, вмещающее все больше и больше в единицу времени эмоций, заработанных долларов и прочих компонентов современной жизни. В связи с этим не приходится сомневаться и в том, что когда-нибудь люди превратятся в бабочек-однодневок: один день будет насыщен как вся нынешняя (скорее — уже вчерашняя) человеческая жизнь. И можно предположить, что кто-то или что-то реализует в отношении человечества программу Hiper-X .

В настоящее время проблема «преодоления звукового барьера», по-видимому, является по существу задачей мощных силовых двигателей. Если имеется достаточная сила тяги для преодоления возрастания сопротивления, встречающегося до звукового барьера и непосредственно на нем, так что самолет может быстро пройти через критический диапазон скоростей, то не следует ожидать особых трудностей. Возможно, самолету было бы легче летать в сверхзвуковом диапазоне скоростей, чем в переходном диапазоне между дозвуковой и сверхзвуковой скоростью.

Таким образом, ситуация отчасти аналогична той, которая преобладала в начале этого века, когда братья Райт смогли доказать возможность активного полета, потому что у них был легкий двигатель с достаточной тягой. Если бы мы имели соответствующие двигатели, то сверхзвуковой полет стал бы довольно обычным. До недавних пор преодоление звукового барьера в горизонтальном полете осуществлялось только с использованием довольно неэкономичных двигательных установок, таких как ракетные и прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) с очень высоким потреблением топлива. Экспериментальные самолеты типа Х-1 и Скай-рокет (Sky-rocket) оснащены ракетными двигателями, которые надежны только в течение нескольких минут полета, или же турбореактивными двигателями с форсажными камерами, но на момент написания этой книги создано несколько самолетов, которые могут летать со сверхзвуковой скоростью в течение получаса. Если вы прочитаете в газете, что самолет «прошел через звуковой барьер», то это часто означает, что он сделал это посредством пикирования. В этом случае сила тяжести дополнила недостаточную силу тяги.

Существует странное явление, связанное с этими фигурами высшего пилотажа, которое я хотел бы отметить. Предположим, что самолет

приближается к наблюдателю на дозвуковой скорости, пикирует, достигнув сверхзвуковой скорости, затем выходит из пикирования и снова продолжает полет на дозвуковой скорости. В этом случае наблюдатель на земле зачастую слышит два громких гулких звука, довольно быстро следующих друг за другом: «Бум, бум!» Некоторые ученые предложили объяснения происхождения двойного гула. Акерет в Цюрихе и Морис Руа в Париже оба предположили, что гул возникает благодаря накоплению звуковых импульсов, таких как шум двигателя, издаваемых в то время, когда самолет проходил через звуковую скорость. Если самолет двигается по направлению к наблюдателю, то издаваемый самолетом шум достигнет наблюдателя за более короткий промежуток времени по сравнению с интервалом, в котором он был издан. Таким образом, всегда происходит некоторое накопление звуковых импульсов при условии, что источник звука двигается к наблюдателю. Однако если источник звука двигается со скоростью близкой к скорости звука, то накопление бесконечно усиливается. Это становится очевидным, если считать, что весь звук, издаваемый источником, двигающимся точно со скоростью звука прямо по направлению к наблюдателю, достигнет последнего в один короткий момент времени, а именно, когда источник звука приблизился к местонахождению наблюдателя. Причина состоит в том, что звук и источник звука будут передвигаться с одинаковой скоростью. Если бы звук двигался в этот период времени со сверхзвуковой скоростью, то последовательность воспринимаемых и издаваемых звуковых импульсов была бы обратной; наблюдатель различит сигналы, издаваемые позднее, прежде чем он воспримет сигналы, изданные ранее.

Процесс двойного гула, в соответствии с этой теорией, можно проиллюстрировать диаграммой на рис. 58. Предположим, что самолет двигается прямо по направлению к наблюдателю, но с переменной скоростью. Кривая АВ показывает перемещение самолета в зависимости от времени. Угол наклона касательной к кривой указывает мгновенную скорость самолета. Параллельные прямые, показанные на диаграмме, указывают распространение звука; угол наклона в этих прямых соответствует скорости звука. Сначала на участке скорость самолета дозвуковая, затем на участке - сверхзвуковая, и наконец, на участке - снова дозвуковая. Если наблюдатель находится на начальном расстоянии D, то точки, показанные на горизонтальной линии соответствуют последовательности воспринимаемых им

Рис. 58. Диаграмма расстояния-времени самолета, летящего с переменной скоростью. Параллельные линии с углом наклона в показывают распространение звука.

звуковых импульсов. Мы видим, что звук, издаваемый самолетом во время второго прохождения звукового барьера (точка ), достигает наблюдателя раньше, чем звук, издаваемый во время первого прохождения (точка ). В эти два мгновения наблюдатель воспринимает через бесконечно малый интервал времени импульсы, издаваемые во время ограниченного периода времени. Следовательно, он слышит гул, похожий на взрыв. Между двумя звуками гула он одновременно воспринимает три импульса, издаваемые в разное время самолетом.

На рис. 59 схематично показана интенсивность шума, которую можно ожидать в этом упрощенном случае. Следует отметить, что накопление звуковых импульсов в случае приближающегося источника звука является тем же процессом, который известен как эффект Доплера; однако характеристика последнего эффекта обычно ограничена изменением высоты тона, связанной с процессом накопления. Интенсивность воспринимаемого шума трудно рассчитать, поскольку она зависит от механизма образования звука, который не очень хорошо известен. К тому же процесс осложняется формой траектории, возможным эхом, а также ударными волнами, которые наблюдаются в различных частях самолета во время полета и энергия которых преобразуется в звуковые волны после того, как самолет уменьшит скорость. В некоторых

Рис. 59. Схематичное представление интенсивности шума, воспринимаемого наблюдателем.

последних статьях по этой теме явление двойного гула, иногда тройного, наблюдаемого в сверхскоростном пикировании, приписывается этим ударным волнам.

Проблема «преодоления звукового барьера» или «звуковой стены», по-видимому, волнует воображение общественности (английский кинофильм под названием «Разрушение звукового барьера» дает некоторое представление о задачах, связанных с полетом через единичный Мах); летчики и инженеры обсуждают проблему как серьезно, так и в шутку. Следующий «научный доклад» околозвукового полета демонстрирует прекрасное сочетание технических знаний и поэтических вольностей :

Мы плавно скользили по воздуху со скоростью 540 миль в час. Мне всегда нравился маленький XP-AZ5601-NG за его простое управление, и за то, что индикатор Прандтля-Рейнольдса запрятан в правом углу вверху панели. Я проверил приборы. Воду, топливо, обороты в минуту, КПД Карно, путевую скорость, энтальпию. Все ОК. Курс 270°. Полнота сгорания в норме - 23 процента. Старина ТРД урчал спокойно как всегда, и зубы Тони едва постукивали от его 17 створок, перекинутых им над Шенектади. Из двигателя просачивалась только тонкая струйка масла. Вот это жизнь!

Я знал, что двигатель самолета хорош для скоростей выше тех, которые мы когда-либо пытались развивать. Погода была такая ясная, небо такое голубое, воздух такой спокойный, что я не устоял и прибавил скорость. Я медленно переместил рычаг вперед на одну позицию. Регулятор только слегка качнулся, и спустя пять минут или около того все было спокойно. 590 миль в час. Я опять нажал на рычаг. Засорились только два сопла. Я нажал на очиститель узких отверстий. Снова открыты. 640 миль в час. Тихо. Выхлопная труба едва совсем не согнулась, несколько квадратных дюймов с одной стороны все еще открыты. Руки у меня так и чесались на рычаге, и я снова нажал на него. Самолет разогнался до 690 миль в час, пройдя через критический отрезок, не сломав ни единого иллюминатора. В кабине становилось тепло, поэтому я подал еще немного воздуха в вихревой холодильник. Мах 0,9! Я никогда не летал быстрее. Я мог видеть небольшое сотрясение за окном иллюминатора, поэтому отрегулировал форму крыла, и оно исчезло.

Тони теперь дремал, и я выпустил дымок из его трубки. Я не мог устоять и прибавил скорость еще на один уровень. Ровно за десять минут мы сравнялись с Махом 0,95. Сзади в камерах сгорания общее давление дьявольски падало. Вот это была жизнь! Индикатор Кармана показывал красный, но мне было все равно. Свеча Тони все еще горела. Я знал, что гамма на нуле, но мне было наплевать.

От возбуждения у меня кружилась голова. Еще немного! Я положил руку на рычаг, но как раз в этот момент Тони потянулся, и его колено задело мою руку. Рычаг подпрыгнул на целых десять уровней! Трах! Небольшой самолет содрогнулся во всю длину, а колоссальная потеря скорости отбросила нас с Тони на панель. Казалось, что мы ударились о твердую кирпичную стену! Я мог видеть, что нос самолета был смят. Я посмотрел на махометр и замер! 1,00! Боже, в один миг подумал я, мы на максимуме! Если я не заставлю его сбавить скорость, прежде чем он соскользнет, мы окажемся в убывающем сопротивлении! Слишком поздно! Мах 1,01! 1,02! 1,03! 1,04! 1,06! 1,09! 1,13! 1,18! Я был в отчаянии, но Тони знал, что делать. В мгновение ока он дал задний

ход! Горячий воздух ринулся в выхлопную трубу, он сжат в турбине, вновь прорвался в камеры, расширил компрессор. Топливо начало поступать в баки. Измеритель энтропии качнулся к полному нулю. Мах 1,20! 1,19! 1,18! 1,17! Мы спасены. Он сполз назад, он сместился назад, пока Тони и я молились, чтоб не залип делитель потока. 1,10! 1,08! 1,05!

Трах! Мы ударились о другую сторону стены! Мы в ловушке! Не хватает отрицательной тяги, чтоб прорваться назад!

В то время как мы съежились от страха перед стеной, хвост маленького самолета развалился и Тони крикнул: «Зажигай ракетные ускорители!» Но они повернули не в ту сторону!

Тони протянул руку и подтолкнул их вперед, линии Маха струились с его пальцев. Я поджог их! Удар был ошеломляющим. Мы потеряли сознание.

Когда я пришел в себя, наш маленький самолет, весь искореженный, как раз проходил через нулевой Мах! Я вытащил Тони, и мы тяжело упали на землю. Самолет замедлял ход на востоке. Через несколько секунд мы услышали грохот, как будто он ударился о другую стену.

Не было найдено ни единого винта. Тони занялся плетением сетки, а я побрел в МТИ.

Слышали ли вы громкий звук, напоминающий взрыв, когда над головой пролетает реактивный самолет? Этот звук появляется, когда самолет преодолевает звуковой барьер. А что такое звуковой барьер и почему самолет издает такой звук?

Как вам известно, звук перемещается с определенной скоростью. Скорость зависит от высоты. На уровне моря скорость звука — примерно 1220 километров в час, а на высоте 11000 метров — 1060 километров в час. Когда самолет летит на скоростях, близких к скорости звука, он подвергается определенным нагрузкам. Когда он летит на обычных (дозвуковых) скоростях, передняя часть самолета гонит перед собой волну давления. Эта волна распространяется со скоростью звука.

Волна давления возникает из-за накопления частиц воздуха по мере продвижения самолета. Волна движется быстрее, чем самолет, когда самолет летит на дозвуковых скоростях. И в результате оказывается, что воздух беспрепятственно проходит по поверхностям крыльев самолета.

А теперь давайте рассмотрим самолет, который летит со скоростью звука. Волна давления перед самолетом не появляется. Вместо этого происходит то, что волна давления образуется перед крылом (поскольку самолет и волна давления движутся с одинаковой скоростью).

Теперь происходит образование ударной волны, что вызывает большие нагрузки в крыле самолета. Выражение «звуковой барьер» появилось еще до того, как самолеты могли летать со скоростью звука — и считалось, что это выражение описывает нагрузки, которые самолет будет испытывать при этих скоростях. Это считалось «барьером».

Но скорость звука вовсе не является барьером! Инженеры и авиаконструкторы преодолели проблему новых нагрузок. И от старых взглядов у нас осталось лишь то, что удар вызывается ударной волной, когда самолет летит на сверхзвуковых скоростях.

Термин «звуковой барьер» неверно описывает условия, которые возникают при движении самолета с определенной скоростью. Можно полагать, что при достижении самолетом скорости звука появляется что-то вроде «барьера» — но ничего подобного не происходит!

Чтобы понять все это, рассмотрим самолет, летящий с небольшой, обычной скоростью. При движении самолета вперед впереди самолета образуется волна сжатия. Она образуется движущимся вперед самолетом, который спрессовывает частички воздуха.

Эта волна движется впереди самолета со скоростью звука. И ее скорость выше скорости самолета, который, как мы уже сказали, летит с небольшой скоростью. Двигаясь впереди самолета, эта волна заставляет воздушные потоки обтекать плоскости самолета.

Теперь представим, что самолет летит со скоростью звука. Впереди самолета не образуется волны сжатия, так как и самолет, и волны имеют одну скорость. Поэтому волна образуется впереди крыльев.

В результате появляется ударная волна, которая создает большие нагрузки на крылья самолета. До того, как самолеты достигли звукового барьера и превысили его, считали, что такие ударные волны и перегрузки создадут для самолета что-то вроде барьера — «звуковой барьер». Однако звукового барьера не было, так как авиационные инженеры разработали специальную конструкцию самолета для этого.

Кстати, сильный «удар», который мы слышим при прохождении самолетом «звукового барьера», и есть ударная волна, о которой мы уже говорили — при равной скорости самолета и волны сжатия.