Ударные волны

     Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.

 

Акустический  удар 

     Акустический  удар — это звук, ассоциируемый с ударными волнами, созданными сверхзвуковым полётом самолёта. 

     Акустический  удар создаёт огромное количество звуковой энергии, похожей на взрыв. Звук удара хлыста — наглядный пример акустического удара. 

     Когда объект пролетает через воздух, он создает серию упругих впереди и позади себя, таких же как волны от лодки на воде. Эти волны движутся со скоростью звука, и когда скорость объекта возрастает, волны сталкиваются или сжимаются вместе, сливаясь в одну ударную волну на скорости звука. Эта скорость равна 1 Маху, что примерно соответствует 1225 км/ч на уровне моря при 20 градусах Цельсия. Звуковая волна идёт от носа к хвосту, формирует конус Маха с самолётом на его конце. 

     Конус Маха — коническая поверхность, ограничивающая в сверхзвуковом потоке газа область, в которой сосредоточены возмущения (звуковые волны), порожденные точечным источником возмущений — телом, обтекаемым потоком или, что эквивалентно, движущимся в среде со сверхзвуковой скоростью; конус Маха разграничивает возмущенную и невозмущенную области среды. Назван в честь Эрнста Маха, который ввел это понятие в физику. 

     Поверхность конуса Маха является огибающей системы  звуковых волн, порожденных телом  при движении в среде: в соответствии с принципом Гюйгенса поверхность  конуса образована интерференцией звуковых волн при их суперпозиции и колебания  на поверхности находятся в одной  фазе — фазе сжатия, образуя ударную  волну. 

     Угол  между образующими конуса и его  осью называется углом Маха, он связан с числом Маха следующим соотношением:

     

     где:

      : угол Маха

      : скорость звука

      : скорость потока

   : число Маха

 

      В электродинамике конусу Маха соответствует  «конус Черенкова» — коническая огибающая  излучения Черенкова, возникающего при движении в среде элементарной частицы со скоростью, превышающей  скорость распространения света  в среде.

     

              <    =    >  

     К носу самолёта давление возрастает, уменьшаясь к отрицательным значениям к  хвосту и возвращается к нормальному  после прохода объекта. Эта схема  известна также как N-волна, из-за формы. Хлопок происходит при внезапной  смене давления, поэтому N-волна создаёт  «двойной хлопок» от сверхзвукового судна. При маневрировании, распределение  давления представлено другой формой — U-волной. 

     Ввиду того, что хлопок генерируется постоянно, пока судно находится в гиперзвуке, самолёт оставляет за собой стреловидный след, так часто наблюдаемый нами в небе. Его ширина зависит от высоты воздушного судна. Расстояние между  точкой на земле, где слышен хлопок до самолёта зависит от высоты и  угла между ними. 

 

Звуковой барьер 

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

     Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым  самолётом. Жёлтая линия — след ударной  волны на земле. Снаружи конуса ударной  волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.

     Фотография  ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе. (Аэродинамическая лаборатория NASA).

 

Ударная волна, вызванная  летательным аппаратом 

     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 «Коламбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта). 

     Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти  правильную коническую форму, перепад  давления на нём уменьшается с  увеличением расстояния от вершины  конуса, и ударная волна превращается в звуковую. 

     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.

 

Волновой  кризис 

     Волновой  кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр. 

     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. 

     При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла  и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока. Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно — с образованием ударной волны).

 

      Интенсивность этих ударных волн невелика — перепад давления на их фронтах  мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности  аппарата, и в совокупности они  резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные  рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация. Это явление получило название волнового  кризиса. Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой (M > 1), течение  вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).  

     

Рис. 1а. Аэрокрыло  в близком к звуковому потоке. Рис. 1б. Аэрокрыло в сверхзвуковом потоке. 

     У крыльев с относительно толстым  профилем в условиях волнового кризиса  центр давления резко смещается  назад и нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с  таким крылом, пытавшиеся развить  предельную скорость в пикировании  с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового  кризиса — попав в него, было невозможно выйти из пикирования  не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать  в пикировании.  

     Современные дозвуковые самолёты с крейсерской  скоростью полёта, достаточно близкой  к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются  со стреловидным крылом и оперением  с тонкими профилями, что позволяет  сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок  волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные, как  с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так  и с необходимостью выдерживать  нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового  кризиса, в частности — треугольное  в плане крыло с ромбовидным  или треугольным профилем.

 

      Рекомендации для безопасных околозвуковых  и сверхзвуковых полетов сводятся к следующему:

на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят  от аэродинамических характеристик  самолёта и от высоты полёта);

переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными  самолётами должен выполняться насколько  возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового  кризиса. 

     Термин  волновой кризис применяется и к  водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности  воды. Развитие волнового кризиса  затрудняет рост скорости. Преодоление  судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

 

Эффект  Прандтля — Глоерта 

     Эффект  Прандтля — Глоерта — явление, заключающееся в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха. Чаще всего наблюдается у самолётов. При очень высокой влажности этот эффект возникает также при движении на меньших скоростях. 

     FA-18 Летит на скорости, близкой к  скорости звука. Видно облако  конденсата, образовавшегося вследствие  локального изменения давления (Эффект  Прандтля — Глоерта). 

     Причина его возникновения заключается  в том, что летящий на высокой  скорости самолёт создаёт область  повышенного давления воздуха впереди  себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область  пониженного давления начинает заполняться  окружающим воздухом. При этом в  силу достаточно высокой инерции  воздушных масс сначала вся область  низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих  к области низкого давления. Этот процесс локально является адиабатическим процессом, где занимаемый воздухом объём увеличивается, а его температура  понижается. Если влажность воздуха  достаточно велика, то температура  может понизиться до такого значения, что окажется ниже точки росы. Тогда  содержащийся в воздухе водяной  пар конденсируется в виде мельчайших капелек, которые образуют небольшое  облако.