Äänivalli

Äänieriste  aerodynamiikassa on nimi useille teknisille vaikeuksille, jotka johtuvat ilma-aluksen liikkeistä (esimerkiksi yliäänilentokoneista , raketeista ) nopeuksilla , jotka ovat lähellä tai sitä suurempia .

Lentokoneen aiheuttama shokkiaalto

Kun yliääninen ilmavirta virtaa kiinteän kappaleen ympärillä, sen etureunaan muodostuu iskuaalto (joskus useampi kuin yksi kappaleen muodosta riippuen). Vasemmalla olevassa kuvassa näkyy mallin rungon kärkeen, siiven etureunaan ja takareunaan sekä mallin takapäähän muodostuneet shokkiaallot.

Iskuaallon (joskus kutsutaan myös shokkiaalto) etuosassa, jonka paksuus on erittäin pieni (millimetrin murto-osat), virtauksen ominaisuuksissa tapahtuu kardinaalisia muutoksia melkein äkillisesti - sen nopeus suhteessa kehoon laskee ja muuttuu Subsonic, virtauksen paine ja kaasun lämpötila nousevat äkillisesti. Osa virtauksen kineettisestä energiasta muunnetaan kaasun sisäiseksi energiaksi . Kaikki nämä muutokset ovat sitä suurempia, mitä suurempi on yliäänivirran nopeus. Yliäänenopeuksilla ( Mach = 5 ja enemmän ) kaasun lämpötila saavuttaa useita tuhansia kelvinejä , mikä aiheuttaa vakavia ongelmia sellaisilla nopeuksilla liikkuville ajoneuvoille (esimerkiksi Columbia-sukkula romahti 1. helmikuuta 2003 lämpösuojan vaurioitumisen vuoksi lennon aikana ilmaantunut kuori).

Iskuaaltorintama siirtyy pois laitteesta vähitellen lähes säännöllisen kartiomaisen muodon, paineen aleneminen sen poikki pienenee etäisyyden kasvaessa kartion yläosasta ja shokkiaalto muuttuu ääniaaltoksi. Kartion akselin ja generatriisin välinen kulma on suhteutettu Mach -lukuun suhteella

Kun tämä aalto saavuttaa tarkkailijan, joka on esimerkiksi maan päällä, hän kuulee kovan äänen, joka muistuttaa räjähdystä. Yleinen väärinkäsitys on, että tämä johtuu siitä, että lentokone saavuttaa äänennopeuden tai "murtaa äänivallin". Itse asiassa tällä hetkellä tarkkailijan ohi kulkee shokkiaalto, joka seuraa jatkuvasti yliääninopeudella liikkuvaa lentokonetta. Yleensä heti "popin" jälkeen tarkkailija voi kuulla lentokoneen moottoreiden huminaa, jota ei kuulla ennen iskuaallon ohittamista, koska lentokone liikkuu sen tuottamia ääniä nopeammin. Hyvin samanlainen havainto tapahtuu aliäänilennon aikana - suurella korkeudella (yli 1 km) tarkkailijan yläpuolella lentävää lentokonetta ei kuulla, tai pikemminkin kuulemme sen viiveellä: suunta äänilähteeseen ei ole sama kuin tarkkailijan suunta näkyvään ilma-alukseen maasta.

Samanlainen ilmiö on havaittavissa tykistötulen aikana: muutaman kilometrin päässä aseen edessä oleva tarkkailija näkee ensin laukauksen välähdyksen, hetken kuluttua kuulee lentävän ammuksen "ukkonen" (ja muutaman sekunnin kuluttua - sen aiheuttamaa melua).

Wave Crisis

Aaltokriisi  - ilma-aluksen ympärillä olevan ilmavirran luonteen muutos, kun lentonopeus lähestyy äänen nopeutta , johon yleensä liittyy laitteen aerodynaamisten ominaisuuksien heikkeneminen - vastuksen lisääntyminen , nosto , tärinän esiintyminen jne.

Jo toisen maailmansodan aikana hävittäjien nopeus alkoi lähestyä äänen nopeutta. Samaan aikaan lentäjät alkoivat välillä havaita tuolloin käsittämättömiä ja uhkaavia ilmiöitä, joita heidän autoissaan esiintyy huippunopeuksilla lentäessä. Yhdysvaltain ilmavoimien lentäjän tunteellinen raportti komentajalle kenraali Arnoldille on säilytetty:

Sir, koneemme ovat jo nyt hyvin tiukkoja. Jos on autoja, joilla on vielä suurempi nopeus, emme voi lentää niitä. Viime viikolla sukeltasin Me-109 :llä Mustangissani . Koneeni tärisi kuin pneumaattinen vasara ja lakkasi tottelemasta peräsimiä. En voinut saada häntä ulos sukelluksestaan. Vain kolmesataa metriä maasta, en tuskin tasoittanut autoa ...

- Wave Crisis // Encyclopedia of Arms [1] .

Sodan jälkeen, kun monet lentokoneiden suunnittelijat ja koelentäjät yrittivät jatkuvasti saavuttaa psykologisesti merkittävää merkkiä - äänen nopeutta, näistä käsittämättömistä ilmiöistä tuli normi, ja monet näistä yrityksistä päättyivät traagisesti. Tämä herätti henkiin ilmaisun "äänivalli" ( fr.  mur du son , saksaksi Schallmauer -  äänimuuri  ), joka ei ole vailla mystiikkaa. Pessimistit väittivät, että tätä rajaa oli mahdotonta ylittää, vaikka harrastajat vaaransivat henkensä toistuvasti yrittäessään tehdä tämän. Tieteellisten ajatusten kehitys kaasun yliääniliikkeestä mahdollisti paitsi "ääniesteen" luonteen selittämisen, vaan myös keinojen löytämisen sen voittamiseksi.

Ilma-aluksen rungon, siiven ja hännän ympärillä kulkevan aliäänivirran myötä niiden ääriviivojen kuperille osille ilmestyy paikallisen virtauksen kiihtyvyyden vyöhykkeitä [2] . Kun lentokoneen lentonopeus lähestyy äänen nopeutta, paikallinen ilmannopeus virtauksen kiihtyvyysalueilla voi hieman ylittää äänen nopeuden (kuva 1a). Kiihtyvyysalueen ohitettuaan virtaus hidastuu väistämättömän iskuaallon muodostuessa (tämä on yliäänivirtausten ominaisuus: siirtyminen yliääninopeudesta aliääninopeudeksi tapahtuu aina epäjatkuvasti - shokkiaallon muodostuessa). Näiden iskuaaltojen intensiteetti on alhainen - painehäviö niiden rintamilla on pieni, mutta niitä syntyy välittömästi useissa eri kohdissa laitteen pinnalla, ja yhdessä ne muuttavat jyrkästi sen virtauksen luonnetta huonontuen. sen lento-ominaisuuksissa: siiven nosto putoaa, ilmaperäsimet ja siivekkeet menettävät tehokkuutensa, laite muuttuu hallitsemattomaksi, ja kaikki tämä on erittäin epävakaa, on voimakasta tärinää . Tätä ilmiötä on kutsuttu aaltokriisiksi . Kun ajoneuvon nopeus muuttuu yliääninopeudeksi ( M > 1), virtaus muuttuu jälleen vakaaksi, vaikka sen luonne muuttuu perusteellisesti (kuva 1b).

Riisi. 1a. Siipi lähellä äänivirtaa. Riisi. 1b. Siipi yliäänivirtauksessa.

Suhteellisen paksuprofiilisilla siiveillä paineen keskipiste siirtyy aaltokriisin olosuhteissa jyrkästi taaksepäin, minkä seurauksena lentokoneen nokka "raskaa". Tällaisella siivellä varustettujen mäntähävittäjien lentäjät, jotka yrittivät kehittää maksiminopeutta sukelluksessa suurelta korkeudelta suurimmalla teholla, lähestyessään "ääniestettä" joutuivat aaltokriisin uhreiksi - kerran siinä oli mahdotonta päästä ulos sukelluksesta ilman sammutusnopeutta, mikä puolestaan ​​​​on erittäin vaikea tehdä sukelluksessa. Venäjän ilmailun historian tunnetuin tapaus sukelluksesta vaakalennosta on Bakhchivandzhin katastrofi BI-1- ohjuksen kokeessa suurimmalla nopeudella. Toisen maailmansodan parhaat suorasiipiset hävittäjät, kuten P-51 Mustang tai Me-109 , kokivat aaltokriisin suuressa korkeudessa 700-750 km/h nopeuksilla. Samanaikaisesti saman aikakauden suihkukoneita Messerschmitt Me.262 ja Me.163 oli pyyhkäisty siipi, jonka ansiosta ne pystyivät saavuttamaan ilman ongelmia yli 800 km/h nopeuden. Lentokone, jossa on perinteinen potkuri vaakasuorassa lennossa, ei voi saavuttaa lähellä äänennopeutta lähellä olevia nopeuksia, koska potkurin lavat menevät aaltokriisin vyöhykkeelle ja menettävät tehonsa paljon aikaisemmin kuin lentokone. Yliäänipotkurit sapelisiipillä voivat ratkaista tämän ongelman, mutta tällä hetkellä tällaiset potkurit ovat teknisesti liian monimutkaisia ​​ja erittäin meluisia, joten niitä ei käytetä käytännössä.

Nykyaikaiset aliäänilentokoneet, joiden matkalentonopeus on riittävän lähellä ääninopeutta (yli 800 km/h), suoritetaan yleensä pyyhkäisyillä siiveillä ja ohuilla profiileilla, mikä mahdollistaa aaltokriisin alkamisnopeuden siirtämisen korkeampaan suuntaan. arvot. Yliäänilentokoneilla, joiden on läpäistävä osa aaltokriisistä saavuttaessaan yliääninopeutta, on rakenteellisia eroja aliäänilentokoneista, jotka liittyvät sekä ilmaväliaineen yliäänivirtauksen ominaisuuksiin että tarpeeseen kestää sen aikana syntyviä kuormia. yliäänilento ja aaltokriisi, erityisesti kolmion muotoinen siipi, jossa on vinoneliön muotoinen tai kolmiomainen profiili .

Suositukset turvalliseen transoniseen ja yliääneen lentoon ovat seuraavat:

Termiä aaltokriisi sovelletaan myös vesikulkuneuvoihin, jotka liikkuvat lähellä aaltojen nopeutta veden pinnalla. Aaltokriisin kehittyminen vaikeuttaa nopeuden lisäämistä. Aaltokriisin voittaminen aluksella tarkoittaa siirtymistä liukutilaan (rungon liukuminen veden pinnalla).

Moottorit

Suihkumoottorin rakenne vaihtelee huomattavasti yliääni- ja aliäänilentokoneiden välillä. Suihkumoottorit luokkana voivat parantaa polttoainetehokkuutta yliäänenopeuksilla, vaikka niiden ominaispolttoaineenkulutus olisi suurempi suuremmilla nopeuksilla. Koska niiden nopeus maan päällä on suurempi, tämä tehokkuuden aleneminen on vähemmän kuin verrannollinen nopeuteen, kunnes se ylittää 2 Machin ja kulutus matkan yksikköä kohti on pienempi.

Turbopuhallinmoottorit parantavat tehokkuutta lisäämällä matalapaineisen kylmän ilman määrää, jota ne kiihdyttävät, käyttämällä osan energiasta, jota tavallisesti käytetään kuuman ilman kiihdyttämiseen klassisessa ei- ohitussuihkumoottorissa . Tämän suunnittelun perimmäinen ilmentymä on potkuriturbiini , jossa lähes kaikki suihkukoneisto käytetään erittäin suuren tuulettimen, potkurin , voimanlähteenä . Tuulettimen suunnittelun hyötysuhdekäyrä tarkoittaa, että ohitusaste , joka maksimoi moottorin kokonaishyötysuhteen, riippuu ajonopeudesta, joka laskee potkureista puhaltimiin eikä vaihda ohitukseksi ollenkaan nopeuden kasvaessa. Lisäksi moottorin etuosan matalapainetuulettimen käyttämä suuri etuosa lisää vastusta , erityisesti yliäänenopeuksilla [ 3] .

Esimerkiksi varhaiset Tu-144-koneet toimivat matalan ohitussuhteen turbotuulettimella , ja ne olivat paljon vähemmän tehokkaita kuin Concorde-suihkukoneet yliäänilennolla. Myöhemmissä malleissa oli suihkuturbiinit, joiden hyötysuhde oli vertailukelpoinen. Nämä rajoitukset tarkoittivat, että yliäänilentokoneiden mallit eivät kyenneet hyödyntämään polttoainetalouden valtavaa parannusta, jonka suuren ohitusnopeuden moottorit toivat aliäänimoottorimarkkinoille, mutta ne olivat jo tehokkaampia kuin aliäänitehoiset turbotuulettimet.

Rakenteelliset ongelmat

Ajoneuvojen yliääninopeudet vaativat kapeampia siipi- ja runkorakenteita ja ovat alttiita suuremmille kuormituksille ja lämpötiloille. Tämä johtaa aeroelastisuusongelmiin , jotka vaativat raskaampia rakenteita ei-toivotun taipumisen minimoimiseksi. Yliäänikoneet vaativat myös paljon vahvemman (ja siten raskaamman) rakenteen, sillä niiden runko on paineistettava suuremmalla painehäviöllä kuin äänilentokoneita, jotka eivät toimi yliäänilennon edellyttämillä korkeilla. Kaikki nämä tekijät yhdessä tarkoittivat, että yhden tyhjän istuimen suhteellinen paino Concordessa oli yli kolme kertaa Boeing 747:n suhteellinen paino.

Sekä Concorde että TU-144 valmistettiin kuitenkin tavanomaisesta alumiinista ja duralumiinista , kun taas nykyaikaisemmat materiaalit, kuten hiilikuitu ja kevlar , ovat vetovoimaltaan paljon vahvempia painonsa vuoksi ja ovat myös jäykempiä. Koska rakenteellinen paino istuinta kohden on paljon suurempi yliäänilentokoneen suunnittelussa, kaikki parannukset johtavat tehokkaampaan tehokkuuteen kuin samat muutokset aliäänilentokoneessa.

Historiallisia faktoja

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Wave Crisis // Arms Encyclopedia osoitteessa km.ru  (pääsemätön linkki)
  2. ↑ Näiden vyöhykkeiden ansiosta lentokoneen nostovoima muodostuu aliäänenopeuksilla.
  3. ↑ McLean, F. Edward (1985). NASA SP-472 Supersonic Cruise Technology . NASA.

Linkit