Аэродинамикадағы критикалық Мах саны

Кіріспе

Аэродинамикадағы ұғым. Аэродинамикада ұшақтың критикалық Мах саны (Mcr немесе M*) – ұшақтың кейбір нүктесіндегі ауа ағынының дыбыс жылдамдығына жететін, бірақ одан аспайтын ең төменгі Мах саны. Төменгі критикалық Мах санында ұшақтың барлық бетімен ағып өтетін ауа дыбыс жылдамдығынан төмен болады. Конкорд сияқты және соғыс ұшақтары да жоғары критикалық Мах санына ие, онда ұшақтың барлық бетімен ағып өтетін ауа дыбыс жылдамдығынан жоғары болады.

Ұшақ ұшуы

Ұшу кезінде ұшақтың айналасындағы ауа ағынының жылдамдығы ұшақтың өз жылдамдығынан едәуір өзгеше болуы мүмкін; мұның себебі ауа ағыны ұшақтың конструкциясы бойынша қозғалғанда жылдамдап, баяулауға мәжбүр болады. Ұшақтың жылдамдығы Махтың критикалық санына жеткенде, кейбір жерлерде, әсіресе фюзеляжға жақын ауа ағынының жылдамдығы дыбыс жылдамдығына жетеді, тіпті ұшақтың өзі Мах 1.0-дан төмен жылдамдықпен ұшса да. Бұл әлсіз соққы толқынын тудырады. Ұшақ Махтың критикалық санын асырғанда, оның кедергі коэффициенті күрт өседі, соның салдарынан кедергі күрт ұлғаяды, ал трансоникалық немесе үстінкү дыбыстық жылдамдықтарға есептелмеген ұшақта, ұшуды басқару беттеріндегі ауа ағынының өзгеруі ұшақты басқарудың нашарлауына әкеледі. Махтың критикалық санынан жоғары немесе оған жуық ұшуға есептелмеген ұшақтарда, қанат пен құйрық қондырғысының үстінен өтетін ауа ағынында пайда болатын соққы толқындары қанатты тоқтатуға, басқару беттерін тиімсіз етуге немесе ұшақтың басқаруын жоғалтуға (мысалы, Мах құлағы, лифт үстінен өтетін ауа ағынындағы соққы толқындары ұшақты бақылаусыз құлауға түсіргенде) жеткілікті. Махтың критикалық санынан жоғары немесе оған жуық пайда болатын бұл проблемалық құбылыстар сығымдалу деп аталды. Сығымдалу 1930 және 1940 жылдары жоғары жылдамдықты әскери және тәжірибелік ұшақтарға қатысты көптеген апаттарға себеп болды. Сол кезде белгісіз болғанмен, сығымдалу дыбыс кедергісі деп аталатын құбылыстың себебі болды. 1940 жылдардағы әскери субдыбыстық ұшақтар, мысалы, Supermarine Spitfire, Bf 109, P-51 Mustang, Gloster Meteor, He 162 және P-80, салыстырмалы түрде қалың, бұрылмаған қанаттары бар және бақыланатын ұшу кезінде Мах 1.0-қа жете алмайды. 1947 жылы Чак Йегер Bell X-1 ұшағымен (оның да қанаты бұрылмаған, бірақ әлдеқайда жұқа) Мах 1.06 және одан да жоғары жылдамдыққа жетіп, дыбыс кедергісінің бұзылуына қол жеткізді. Hawker Hunter және F-86 Sabre сияқты ертедегі трансоникалық әскери ұшақтар, тіпті олардың критикалық Мах санынан жоғары жылдамдықпен де қанағаттанарлық түрде ұшуға есептелген. Олардың қозғалтқыштарының күші тегіс ұшу кезінде дыбыс кедергісін бұзуға жеткіліксіз болды, бірақ құлау кезінде Мах 1.0-дан асып кетуге мүмкіндік берді. Қазіргі заманғы реактивтік лайнерлер, мысалы, Airbus және Boeing ұшақтары, максималды жұмыс істейтін Мах саны Мах 1.0-дан төмен. Concorde, Tu-144, English Electric Lightning, Lockheed F-104, Dassault Mirage III және MiG-21 сияқты үстінкү дыбыстық ұшақтар тегіс ұшу кезінде Мах 1.0-дан асып кетуге есептелген, сондықтан олардың қанаттары өте жұқа. Олардың критикалық Мах саны субдыбыстық және трансоникалық ұшақтардан жоғары, бірақ әлі де Мах 1.0-дан төмен. Нақты критикалық Мах саны әр қанат үшін әртүрлі болады. Жалпы алғанда, қалың қанаттың критикалық Мах саны төмен болады, себебі қалың қанаттың айналасынан өтетін ауа ағыны жұқа қанатқа қарағанда көбірек бұрылады, соның салдарынан ауа ағынының жылдамдығы артады. Мысалы, P-38 Lightning ұшағының салыстырмалы түрде қалың қанатының критикалық Мах саны шамамен 0.69-қа тең. Ұшақ кейде осы жылдамдыққа жететін, соның салдарынан бірнеше апатқа ұшырады. Supermarine Spitfire ұшағының әлдеқайда жұқа қанаты оған критикалық Мах санын айтарлықтай жоғарырақ етуге мүмкіндік берді (шамамен 0.89).

For an aircraft in flight, the speed of the airflow around the aircraft differs considerably in places from the airspeed of the aircraft; this is due to the airflow having to speed up and slow down as it travels around the aircraft's structure. When the aircraft's airspeed reaches the critical Mach number, the speed of the airflow in some areas near the airframe reaches the speed of sound, even though the aircraft itself has an airspeed lower than Mach 1.0. This creates a weak shock wave. As the aircraft exceeds the critical Mach number, its drag coefficient increases suddenly, causing dramatically increased drag, and, in an aircraft not designed for transonic or supersonic speeds, changes to the airflow over the flight control surfaces lead to deterioration in control of the aircraft. In aircraft not designed to fly at or above the critical Mach number, the shock waves that form in the airflow over the wing and tailplane are sufficient to stall the wing, render the control surfaces ineffective, or lead to loss of control of the aircraft (such as Mach tuck, when shock waves in the airflow over the elevator send the aircraft into an uncontrollable dive). These problematic phenomena appearing at or above the critical Mach number became known as compressibility. Compressibility led to a number of accidents involving high speed military and experimental aircraft in the 1930s and 1940s. Although unknown at the time, compressibility was the cause of the phenomenon known as the sound barrier. 1940s era military subsonic aircraft, such as the Supermarine Spitfire, Bf 109, P 51 Mustang, Gloster Meteor, He 162, and P 80, have relatively thick, unswept wings, and are incapable of reaching Mach 1.0 in controlled flight. In 1947, Chuck Yeager flew the Bell X 1 (also with an unswept wing, but a much thinner one), reaching Mach 1.06 and beyond, and the sound barrier was finally broken. Early transonic military aircraft, such as the Hawker Hunter and F 86 Sabre, were designed to fly satisfactorily even at speeds greater than their critical Mach number. They did not possess sufficient engine thrust to break the sound barrier in level flight, but could exceed Mach 1.0 in a dive while remaining controllable. Modern jet airliners, such as Airbus and Boeing aircraft, have maximum operating Mach numbers slower than Mach 1.0. Supersonic aircraft, such as Concorde, Tu 144, the English Electric Lightning, Lockheed F 104, Dassault Mirage III, and MiG 21, are designed to exceed Mach 1.0 in level flight, and are therefore designed with very thin wings. Their critical Mach numbers are higher than those of subsonic and transonic aircraft, but are still less than Mach 1.0. The actual critical Mach number varies from wing to wing. In general, a thicker wing will have a lower critical Mach number, because a thicker wing deflects the airflow passing around it more than a thinner wing does, and thus accelerates the airflow to a faster speed. For instance, the fairly thick wing on the P 38 Lightning has a critical Mach number of about .69. The aircraft could occasionally reach this speed in dives, leading to a number of crashes. The Supermarine Spitfire's much thinner wing gave it a considerably higher critical Mach number (about 0.89).