Ударные волны и сверхзвуковойлёт: звук, превышающий скорость звука.

Введение

Ударная волна от полета со скоростью звука

Звуковой удар — это звук, связанный с ударными волнами, возникающими при движении объекта в воздухе быстрее скорости звука. Звуковые удары генерируют огромное количество звуковой энергии, воспринимаемой человеческим ухом как взрыв или раскат грома. Треск сверхзвуковой пули, пролетающей над головой, или щелчок хлыста — примеры звукового удара в миниатюре. Звуковые удары, создаваемые крупными сверхзвуковыми самолетами, могут быть особенно громкими и резкими, способны будить людей и вызывать незначительные повреждения зданий и сооружений. Это привело к запрету на регулярные сверхзвуковые полеты над сушей. Хотя полностью исключить их невозможно, исследования показывают, что при оптимальной форме летательного аппарата воздействие звуковых ударов можно снизить до уровня, при котором сверхзвуковые полеты над землей станут осуществимыми. Звуковой удар не возникает только в момент преодоления звукового барьера и не слышен во всех направлениях от сверхзвукового объекта. Скорее, это непрерывный эффект, сопровождающий движение объекта на сверхзвуковой скорости, который ощущают только наблюдатели, находящиеся в точке пересечения области в форме геометрического конуса, расположенного позади объекта. По мере движения объекта этот конус также перемещается, и когда конус проходит над наблюдателем, тот кратковременно испытывает "удар".

Суперзвуковые самолеты

Сверхзвуковые самолеты – это любые самолеты, способные достигать скорости, превышающей скорость звука, обозначаемую как Мах 1. "Сверхзвуковые скорости включают значения до пяти скоростей звука, или Мах 5" (Dunbar, 2015). Максимальная скорость сверхзвукового самолета обычно составляет… Как правило, большинство самолетов не превышают… Существует множество различных моделей сверхзвуковых самолетов. В некоторых моделях используется более совершенная аэродинамика, что позволяет пожертвовать некоторыми аэродинамическими характеристиками ради увеличения тяги двигателя. В других моделях эффективность и мощность двигателя компенсируют менее обтекаемую конструкцию, позволяя достигать более высоких скоростей. Типичная модель, используемая в вооруженных силах США, стоит в среднем от 13 до 35 миллионов долларов США.

Измерение и примеры

Давление от звуковых ударов, создаваемых самолетами, обычно составляет несколько фунтов на квадратный фут. Аппарат, летящий на большей высоте, создает меньшее давление на землю, поскольку интенсивность ударной волны уменьшается по мере ее распространения от аппарата, однако на звуковые удары скорость аппарата влияет незначительно. Самолет Скорость Высота Давление SR 71 Blackbird Мах 3+ 80000 футов (24384 м) 0,9 фунт/фут² 43 Па Concorde (SST) Мах 2 52000 футов (15850 м) 1,94 фунт/фут² 93 Па F 104 Starfighter Мах 1.93 48000 футов (14630 м) 0,8 фунт/фут² 38 Па Space Shuttle Мах 1.5 60000 футов (18288 м) 1,25 фунт/фут² 60 Па Источник:

Снижение

В конце 1950-х годов, когда активно разрабатывались проекты сверхзвуковых транспортных средств (SST), считалось, что, несмотря на большую силу ударной волны, проблему можно решить, поднявшись на большую высоту. Это предположение оказалось неверным, когда впервые поднялся в воздух североамериканский XB-70 Valkyrie, и выяснилось, что ударная волна оставалась проблемой даже на высоте 21 000 м. Именно в ходе этих испытаний N-волна была впервые детально изучена. Ричард Сибасс и его коллега Альберт Джордж из Корнеллского университета тщательно исследовали эту проблему и в конечном итоге определили "коэффициент эффективности" (FM) для оценки уровня звукового удара различных самолетов. FM является функцией веса и длины самолета. Чем ниже это значение, тем меньше ударную волну создает самолет, при этом значения около 1 или ниже считаются приемлемыми. Используя эту методику, они вычислили FM для Concorde равным примерно 1,4, а для Boeing 2707 – 1,9. Это в конечном итоге привело к закрытию большинства проектов SST, поскольку общественное недовольство, усугубленное политическими факторами, привело к принятию законов, ограничивающих использование таких самолетов (например, разрешая сверхзвуковой полет только над водой). Малые самолеты, такие как бизнес-джеты, оказались более предпочтительными, поскольку они производят минимальную или вовсе неслышимую ударную волну. Сибасс и Джордж выявили условия, при которых можно устранить ударные волны звукового удара. Эта работа была продолжена Кристиной М. Дарден и получила название теории минимизации звукового удара Джонса-Сибасса-Джорджа-Дарден. По состоянию на октябрь 2023 года первый полет ожидался в 2024 году.

Восприятие, шум и другие проблемы

Звук ударной волны во многом зависит от расстояния между наблюдателем и формой самолета, создающей эту волну. Ударная волна обычно воспринимается как глубокий двойной "хлопок", поскольку самолет, как правило, находится на некотором удалении. Звук очень похож на звук минометных снарядов, часто используемых в пиротехнических шоу. Распространенное заблуждение заключается в том, что генерируется только один удар при переходе от дозвуковой к сверхзвуковой скорости; на самом деле, ударная волна непрерывно распространяется по "ковру ударной волны" на протяжении всего сверхзвукового полета. Как выразился бывший пилот "Конкорда": "На борту фактически ничего не слышно. Мы видим только волну давления, движущуюся по фюзеляжу самолета – она отображается на приборах. И это то, что мы видим при достижении скорости около числа Маха 1. Но мы не слышим ударной волны или чего-то подобного. Это похоже на кильватерный след корабля – он остается позади нас". В 1964 году NASA и Федеральное управление гражданской авиации начали испытания ударных волн в Оклахома-Сити, в ходе которых в течение шести месяцев возникало восемь ударных волн в день. В ходе эксперимента были получены ценные данные, но поступило 15 000 жалоб, что в итоге втянуло правительство в коллективный судебный иск, который оно проиграло в апелляции в 1969 году. Ударные волны также были проблемой в Северной Корнуолле и Северном Девоне в Великобритании, поскольку эти районы находились под траекторией полета "Конкорда". Дрожали окна, а в некоторых случаях вибрация сдвигала "подбой" (элемент крепления шифера на крыше). В последнее время в этой области ведутся исследования, в частности, в рамках программы DARPA по разработке тихой сверхзвуковой платформы. Эксперты по акустике в рамках этой программы стали более детально изучать состав ударных волн, включая частотный спектр. Несколько характеристик традиционной N-образной ударной волны могут влиять на то, насколько громкой и раздражающей она будет казаться слушателям на земле. Даже сильные N-волны, генерируемые "Конкордом" или военными самолетами, могут быть гораздо менее неприятными, если время нарастания избыточного давления достаточно велико. Появилась новая метрика, известная как воспринимаемая громкость, измеряемая в PLdB. Она учитывает частотный спектр, время нарастания и другие факторы. Хорошо известный пример – щелчок пальцами, при котором "воспринимаемый" звук является не более чем легким раздражением. Энергетический диапазон ударной волны сосредоточен в диапазоне частот 0,1–100 герц, что значительно ниже частот дозвуковых самолетов, выстрелов и большинства промышленных шумов. Продолжительность ударной волны невелика: менее секунды, 100 миллисекунд (0,1 секунды) для большинства истребителей и 500 миллисекунд для космического шаттла или реактивного лайнера "Конкорд". Интенсивность и ширина полосы ударной волны зависят от физических характеристик самолета и режима его эксплуатации. В целом, чем выше высота полета самолета, тем ниже избыточное давление на земле. Большая высота также увеличивает боковое распространение ударной волны, подвергая воздействию более широкую территорию. Однако избыточное давление в зоне воздействия ударной волны не будет равномерным. Интенсивность ударной волны максимальна непосредственно под траекторией полета и постепенно ослабевает по мере удаления от траектории самолета. Ширина зоны воздействия ударной волны составляет примерно для каждых 1000 футов (305 м) высоты (ширина примерно в пять раз превышает высоту); то есть, самолет, летящий сверхзвуковой на высоте 30 000 футов (9144 м), создаст боковое распространение ударной волны примерно в 30 миль (48 км). При устойчивом сверхзвуковом полете ударная волна описывается как "ковровое" воздействие, поскольку она движется вместе с самолетом, поддерживающим сверхзвуковую скорость и высоту. Некоторые маневры, такие как пикирование, ускорение или поворот, могут привести к фокусировке ударной волны. Другие маневры, такие как замедление и набор высоты, могут уменьшить силу удара. В некоторых случаях погодные условия могут искажать ударные волны. До тех пор, пока подобные показатели не будут установлены, либо в результате дальнейших исследований, либо испытаний сверхзвуковых перелетов, маловероятно, что будет принято законодательство, отменяющее действующий запрет на сверхзвуковые перелеты, действующий в нескольких странах, включая Соединенные Штаты.

The sound of a sonic boom depends largely on the distance between the observer and the aircraft shape producing the sonic boom. A sonic boom is usually heard as a deep double "boom" as the aircraft is usually some distance away. The sound is much like that of mortar bombs, commonly used in firework displays. It is a common misconception that only one boom is generated during the subsonic to supersonic transition; rather, the boom is continuous along the boom carpet for the entire supersonic flight. As a former Concorde pilot puts it, "You don't actually hear anything on board. All we see is the pressure wave moving down the airplane – it indicates the instruments. And that's what we see around Mach 1. But we don't hear the sonic boom or anything like that. That's rather like the wake of a ship – it's behind us." In 1964, NASA and the Federal Aviation Administration began the Oklahoma City sonic boom tests, which caused eight sonic booms per day over six months. Valuable data was gathered from the experiment, but 15,000 complaints were generated and ultimately entangled the government in a class action lawsuit, which it lost on appeal in 1969. Sonic booms were also a nuisance in North Cornwall and North Devon in the UK as these areas were underneath the flight path of Concorde. Windows would rattle and in some cases, the "torching" (pointing underneath roof slates) would be dislodged with the vibration. There has been recent work in this area, notably under DARPA's Quiet Supersonic Platform studies. Research by acoustics experts under this program began looking more closely at the composition of sonic booms, including the frequency content. Several characteristics of the traditional sonic boom "N" wave can influence how loud and irritating it can be perceived by listeners on the ground. Even strong N waves such as those generated by Concorde or military aircraft can be far less objectionable if the rise time of the over pressure is sufficiently long. A new metric has emerged, known as perceived loudness, measured in PLdB. This takes into account the frequency content, rise time, etc. A well known example is the snapping of one's fingers in which the "perceived" sound is nothing more than an annoyance. The energy range of sonic boom is concentrated in the 0.1–100 hertz frequency range that is considerably below that of subsonic aircraft, gunfire and most industrial noise. Duration of sonic boom is brief; less than a second, 100 milliseconds (0.1 second) for most fighter sized aircraft and 500 milliseconds for the space shuttle or Concorde jetliner. The intensity and width of a sonic boom path depend on the physical characteristics of the aircraft and how it is operated. In general, the greater an aircraft's altitude, the lower the over pressure on the ground. Greater altitude also increases the boom's lateral spread, exposing a wider area to the boom. Over pressures in the sonic boom impact area, however, will not be uniform. Boom intensity is greatest directly under the flight path, progressively weakening with greater horizontal distance away from the aircraft flight track. Ground width of the boom exposure area is approximately for each 1000 feet (305 m) of altitude (the width is about five times the altitude); that is, an aircraft flying supersonic at 30000 feet (9144 m) will create a lateral boom spread of about 30 mile (48 km). For steady supersonic flight, the boom is described as a carpet boom since it moves with the aircraft as it maintains supersonic speed and altitude. Some maneuvers, diving, acceleration, or turning, can cause the focus of the boom. Other maneuvers, such as deceleration and climbing, can reduce the strength of the shock. In some instances, weather conditions can distort sonic booms. Until such metrics can be established, either through further study or supersonic overflight testing, it is doubtful that legislation will be enacted to remove the current prohibition on supersonic overflight in place in several countries, including the United States.

Бычий кнут

Хрустящий звук, который издает хлыст при правильном обращении, на самом деле является небольшим звуковым ударом. Конец хлыста, известный как "крекер", движется быстрее скорости звука, тем самым создавая звуковой удар.