Hanggát

A hanggát az aerodinamikában egy sor olyan műszaki nehézség elnevezése, amelyet a repülőgép hangsebességet közelítő vagy azt meghaladó sebességű  mozgását kísérő jelenségek (például szuperszonikus repülőgépek , rakéták ) okoznak.

Repülőgép által okozott lökéshullám

Amikor egy szilárd test körül szuperszonikus légáram áramlik, lökéshullám képződik a vezető élén (a test alakjától függően néha egynél is több). A bal oldali fotón láthatóak a lökéshullámok, amelyek a modell törzsének csúcsán, a szárny elülső és hátulsó élén, valamint a modell hátulján keletkeztek.

A nagyon kis vastagságú (egy milliméter töredéke) lökéshullám (néha lökéshullámnak is nevezik) elején az áramlás tulajdonságaiban kardinális változások következnek be - a testhez viszonyított sebessége csökken, és szubszonikus, az áramlási nyomás és a gáz hőmérséklete hirtelen megnő. Az áramlás kinetikus energiájának egy része a gáz belső energiájává alakul . Mindezek a változások minél nagyobbak, minél nagyobb a szuperszonikus áramlás sebessége. Hiperszonikus sebességeknél ( Mach-szám = 5 és afölött) a gáz hőmérséklete eléri a több ezer kelvint , ami komoly problémákat okoz az ilyen sebességgel haladó járműveknek (például a Columbia sikló 2003. február 1-jén összeomlott a hővédő károsodása miatt repülés közben felbukkanó héj).

A lökéshullámfront a készüléktől távolodva fokozatosan szinte szabályos kúpos alakot vesz fel, a nyomásesés rajta a kúp tetejétől való távolság növekedésével csökken , és a lökéshullám hanghullámmá alakul. A kúp tengelye és generatrixa közötti szöget a Mach-számhoz viszonyítja az összefüggés

Amikor ez a hullám elér egy megfigyelőt, aki például a Földön tartózkodik, egy robbanáshoz hasonló hangos hangot hall. Elterjedt tévhit, hogy ez annak a következménye, hogy a repülőgép elérte a hangsebességet, vagy "áttörte a hangfalat". Valójában ebben a pillanatban egy lökéshullám halad el a megfigyelő mellett, amely folyamatosan kíséri a szuperszonikus sebességgel haladó repülőgépet. Általában közvetlenül a „pop” után hallja a szemlélő a repülőgép hajtóműveinek zümmögését, ami a lökéshullám áthaladása előtt nem hallható, mivel a repülőgép gyorsabban halad, mint az általa kiadott hangok. Nagyon hasonló megfigyelés történik szubszonikus repülés során - a nagy magasságban (több mint 1 km-re) a megfigyelő felett repülő repülőgépet nem halljuk, vagy inkább késéssel halljuk: a hangforrás iránya nem esik egybe a földről a megfigyelő számára látható légi jármű iránya.

Hasonló jelenség figyelhető meg tüzérségi tűz közben is: a fegyver előtt néhány kilométerre lévő szemlélő először egy lövés villanását láthatja, egy idő után egy repülő lövedék „mennydörgését” hallja (és utána néhány másodperccel – a zajt kelt).

Wave Crisis

Hullámkrízis  - a légi áramlás természetének megváltozása a repülőgép körül, amikor a repülési sebesség megközelíti a hangsebességet , amelyet általában az eszköz aerodinamikai jellemzőinek romlása kísér - a légellenállás növekedése , a légellenállás csökkenése emelés , rezgések megjelenése stb.

A vadászgépek sebessége már a második világháború idején közeledni kezdett a hangsebességhez. Ugyanakkor a pilóták időnként olyan érthetetlen és fenyegető jelenségeket kezdtek megfigyelni, amelyek autóikkal végsebességgel repülnek. Megőrizték az amerikai légierő pilótájának érzelmes jelentését parancsnokának, Arnold tábornoknak:

Uram, a gépeink már most nagyon szigorúak. Ha vannak még nagyobb sebességű autók, akkor nem fogjuk tudni repülni. Múlt héten merültem a Me-109 -en a Mustangommal . A gépem úgy remegett, mint egy pneumatikus kalapács, és nem engedelmeskedett a kormányoknak. Nem tudtam kihozni a merüléséből. Csak háromszáz méterrel a talajtól alig simítottam ki az autót ...

- Wave Crisis // Fegyverek enciklopédiája [1] .

A háború után, amikor sok repülőgép-tervező és tesztpilóta kitartó kísérletet tett egy pszichológiailag jelentős jegy – a hangsebesség – elérésére, ezek az érthetetlen jelenségek normává váltak, és sok ilyen próbálkozás tragikusan végződött. Ezzel életre kelt a „hanggát” ( fr.  mur du son , németül  Schallmauer  - hangfal) kifejezés, amely nem mentes a misztikától. A pesszimisták azzal érveltek, hogy ezt a határt lehetetlen túllépni, bár a lelkesek életüket kockáztatva többször is megpróbálták ezt megtenni. A gáz szuperszonikus mozgásával kapcsolatos tudományos elképzelések fejlődése lehetővé tette nemcsak a "hanggát" természetének megmagyarázását, hanem a leküzdésére szolgáló eszközök megtalálását is.

A repülőgép törzse, szárnya és farka körül szubszonikus áramlás esetén a konvex szakaszain lokális áramlásgyorsulási zónák jelennek meg [2] . Amikor egy repülőgép repülési sebessége megközelíti a hangsebességet, a helyi légsebesség az áramlásgyorsulási zónákban kissé meghaladhatja a hangsebességet (1a. ábra). A gyorsulási zóna áthaladása után az áramlás lelassul, elkerülhetetlen lökéshullám kialakulásával (ez a szuperszonikus áramlások tulajdonsága: a szuperszonikusról a szubszonikusra való átmenet mindig megszakítás nélkül történik - lökéshullám kialakulásával). Ezeknek a lökéshullámoknak az intenzitása alacsony - a nyomásesés a frontjukon kicsi, de azonnal tömegesen, a készülék felületének különböző pontjain keletkeznek, és együtt élesen megváltoztatják áramlásának jellegét, romlással. repülési jellemzőiben: leesik a szárny emelése, a légkormányok és a csűrők elvesztik hatékonyságukat, a készülék irányíthatatlanná válik, és mindez rendkívül instabil, erős rezgés lép fel . Ezt a jelenséget hullámválságnak nevezik . Amikor a jármű sebessége szuperszonikussá válik ( M > 1), az áramlás ismét stabillá válik, bár jellege alapvetően megváltozik (1b. ábra).

Rizs. 1a. Szárny közel a hangáramláshoz. Rizs. 1b. Szárny szuperszonikus áramlásban.

A viszonylag vastag profilú szárnyaknál hullámválság körülményei között a nyomásközéppont élesen hátrafelé tolódik el, aminek következtében a repülőgép orra „nehezebb”. Az ilyen szárnyú dugattyús vadászrepülőgépek pilótái, akik nagy magasságból, maximális erővel próbáltak maximális sebességet kifejleszteni a merülés során, amikor a "hangsorompó" felé közeledtek, hullámválság áldozatai lettek - ha egyszer bekerültek, nem lehetett kijutni. a merülés oltási sebessége nélkül, amit viszont nagyon nehéz megtenni egy merülés során. A vízszintes repülésből történő merülés leghíresebb esete az orosz repülés történetében a Bahcsivandzsi katasztrófa a BI-1 rakéta maximális sebességű tesztje során . A második világháború legjobb egyenesszárnyú vadászgépei, mint például a P-51 Mustang vagy a Me-109 , nagy magasságban, 700-750 km/órás sebességgel hullámválságot szenvedtek. Ugyanakkor az ugyanebben az időszakban készült Messerschmitt Me.262 és Me.163 sugárhajtású repülőgépek szárnysebességük volt, aminek köszönhetően probléma nélkül el tudtak érni a 800 km/h feletti sebességet. A hagyományos légcsavarral rendelkező repülőgép vízszintes repülésben nem érheti el a hangsebességhez közeli sebességet, mivel a légcsavar lapátok a hullámválság zónájába kerülnek, és sokkal hamarabb veszítenek hatékonyságukból, mint a repülőgép. A szablyalapátokkal ellátott szuperszonikus légcsavarok megoldhatják ezt a problémát, de jelenleg az ilyen propellerek műszakilag túl bonyolultak és nagyon zajosak, ezért a gyakorlatban nem használják őket.

A hangsebességhez kellően közeli (800 km/h feletti) utazórepülési sebességű modern szubszonikus repülőgépeket általában lecsapott szárnyakkal és vékony profilokkal hajtják végre, ami lehetővé teszi a hullámválság kezdeti sebességének magasabb felé tolását. értékeket. A szuperszonikus repülõgépek, amelyeknek a szuperszonikus sebesség elérésekor át kell menniük a hullámválság szakaszán, szerkezeti különbségek vannak a szubszonikusakhoz képest, amelyek mind a légközeg szuperszonikus áramlásának jellemzõivel, mind a közben fellépõ terhelésekkel való szembenézéssel függnek össze. szuperszonikus repülés és hullámválság, különösen háromszög alaprajzú szárny, rombusz alakú vagy háromszög alakú profillal .

A biztonságos transzonikus és szuperszonikus repülésre vonatkozó ajánlások a következők:

A hullámválság kifejezést a víz felszínén a hullámok sebességéhez közeli sebességgel mozgó vízi járművekre is alkalmazzák. A hullámválság kialakulása megnehezíti a sebesség növelését. A hullámválság hajó általi leküzdése sikló üzemmódba lépést jelent (a hajótestet a víz felszínén csúsztatja).

Motorok

A sugárhajtóművek felépítése jelentősen eltér a szuperszonikus és szubszonikus repülőgépek között. A sugárhajtóművek osztályaként nagyobb üzemanyag-hatékonyságot biztosítanak szuperszonikus sebesség mellett, még akkor is, ha fajlagos üzemanyag-fogyasztásuk nagyobb sebességnél nagyobb. Mivel a talaj feletti sebességük nagyobb, a hatásfok csökkenése kisebb, mint arányos a sebességgel, amíg meg nem haladja a 2 Mach-ot, és az egységnyi távolságra jutó fogyasztás alacsonyabb.

A turbóventilátoros motorok javítják a hatékonyságot azáltal, hogy növelik az általuk felgyorsított alacsony nyomású hideg levegő mennyiségét, felhasználva a hagyományos, nem bypass turbósugárhajtóműben a meleg levegő gyorsításához használt energia egy részét . Ennek a kialakításnak a végső kifejezése a turbóprop , amelyben a sugárhajtás szinte teljes egésze egy nagyon nagy ventilátor, a propeller meghajtására szolgál . A ventilátor tervezési hatékonysági görbéje azt jelenti, hogy a megkerülési fokozat , amely maximalizálja a motor általános hatásfokát, a haladási sebességtől függ, amely a légcsavarról a ventilátorra csökken, és a sebesség növekedésével egyáltalán nem vált bypassra. Ezenkívül a motor elején található alacsony nyomású ventilátor által elfoglalt nagy elülső terület növeli a légellenállást , különösen szuperszonikus sebességeknél [3] .

Például a korai Tu-144-eseket alacsony bypass arányú turbóventilátor hajtotta , és sokkal kevésbé voltak hatékonyak, mint a Concorde turbósugárzók szuperszonikus repülésben. A későbbi modellek hasonló hatásfokú turbósugárhajtásúak voltak. Ezek a korlátok azt jelentették, hogy a szuperszonikus utasszállító repülőgépek nem tudták kihasználni az üzemanyag-takarékosság jelentős javulását, amelyet a nagy bypass motorok hoztak a szubszonikus motorok piacára, de már így is hatékonyabbak voltak, mint szubszonikus turbóventilátoros társaik.

Szerkezeti problémák

A szuperszonikus járműsebesség keskenyebb szárny- és törzsszerkezeteket igényel, és nagyobb terhelésnek és hőmérsékletnek van kitéve. Ez aeroelaszticitási problémákhoz vezet , amelyek nehezebb szerkezeteket igényelnek a nem kívánt hajlítás minimalizálása érdekében. A szuperszonikus repülőgépek is jóval erősebb (és ezért nehezebb) szerkezetet igényelnek, mivel törzsüket nagyobb nyomáseséssel kell nyomás alá helyezni, mint a szubszonikus repülőgépeknél, amelyek nem üzemelnek a szuperszonikus repüléshez szükséges nagy magasságban. Mindezek a tényezők együttesen azt eredményezték, hogy a Concorde egyetlen üres ülésének relatív súlya több mint háromszorosa a Boeing 747-esnek.

Mindazonáltal a Concorde és a TU-144 is hagyományos alumíniumból és duralumíniumból készült , míg a modernebb anyagok, mint a szénszál és a kevlár , sokkal erősebbek a feszítésben súlyuknál fogva, és merevebbek is. Mivel az egy ülésre jutó szerkezeti súly sokkal nagyobb egy szuperszonikus repülőgép-kialakításban, minden fejlesztés nagyobb hatékonyságnövekedést eredményez, mint a szubszonikus repülőgépek ugyanezen változtatásai.

Történelmi tények

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Wave Crisis // Arms Encyclopedia a km.ru oldalon  (elérhetetlen link)
  2. ↑ Ezeknek a zónáknak köszönhetően a repülőgép emelőereje szubszonikus sebességnél alakul ki.
  3. ↑ McLean, F. Edward (1985). NASA SP-472 Supersonic Cruise Technology . NASA.

Linkek