Звуковой барьер — это явление, возникающее в полёте самолёта или ракеты в момент перехода от дозвуковой к сверхзвуковой скорости полёта в атмосфере.
При приближении скорости самолёта к скорости звука (1200 км/ч) в воздухе перед ним возникает тонкая область, в которой происходит резкое увеличение давления и плотности воздушной среды. Это уплотнение воздуха перед летящим самолётом называется ударной волной.
На земле прохождение ударной волны воспринимается как хлопок, похожий на звук выстрела. Превысив скорость звука, самолёт проходит сквозь эту область повышенной плотности воздуха, как бы прокалывает её – преодолевает звуковой барьер.
Долгое время преодоление звукового барьера представлялось серьёзной проблемой в развитии авиации. Для её решения потребовалось изменить профиль и форму крыла самолёта (оно стало более тонким и стреловидным), сделать переднюю часть фюзеляжа более заострённой и снабдить самолёты реактивными двигателями.
Впервые скорость звука была превышена в 1947 г. Ч. Йигером на самолёте Белл Х-1 (США) с жидкостным ракетным двигателем, запущенном с самолёта Боинг В-29. В России звуковой барьер первым преодолел в 1948 г. лётчик О. В. Соколовский на экспериментальном самолёте Ла-176 с турбореактивным двигателем.
Видео.
Скорость Звука.
Скорость распространения (относительно среды) малых возмущений давления. В совершенном газе (например, в воздухе при умеренных температурах и давлении) С. з. не зависит от характера распространяющегося малого возмущения и одинакова как для монохроматических колебаний различной частоты ( ), так и для слабых ударных волн.
В совершенном газе в рассматриваемой точке пространства С. з.
а зависит только от состава газа и его абсолютной температуры Т: a = (dp/d(())1/2 = ((()p/(())1/2 = ((()RT/(())1/2, где dp/d(() — производная давления по плотности для изоэнтропического процесса, (—) — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная, (—) — молекулярная масса (в воздухе a 20,1T1/2 м/с. при 0(°)C a = 332 м/с).
В газе с физико-химическими превращениями, например, в диссоциирующем газе, С. з. будет зависеть от того, как — равновесно или неравновесно — протекают эти процессы в волне возмущения. При термодинамическом равновесии С. з. зависит только от состава газа, его температуры и давления. При неравновесном протекании физико-химических процессов имеет место дисперсия звука, то есть С. з.
зависит не только от состояния среды, но и от частоты колебаний ( ). Высокочастотные колебания ((тт ), ()) — время релаксации) распространяются с замороженной С. з. aj, низкочастотные ((,, ) 0) — с равновесной С. з. ae, причём aj > ae. Отличие aj от ai как правило, невелико (в воздухе при Т = 6000(°)С и p = 105 Па оно составляет около 15%). В жидкостях С. з.
значительно выше, чем в газе (в воде a 1500 м/с)
Почему при преодолении самолетом звуковой барьера происходит воздушный взрыв?
Анатолий Гений (85025) 8 лет назад Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер» ? 
«…С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер» . Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом» . Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли. 
Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель. 
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии. 
А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, — он просто потеряет управление и развалится. 
Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны. Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха.
Источник
Инженер-констриктор Высший разум (189355) 8 лет назад Ни хрена подобного. Никаких взрывов при преодолении звукового барьера не образуется.
А вот при движении со сверхзвуковой скоростью образуется ударная волна.
Скорость звука — это скорость передачи возмущений в газе. Когда самолёт летит с дозвуковой скоростью, перед ним бежит звуковая волна, которая «расчищает ему дорогу» в воздухе. Как только самолёт превышает скорость звука, никакой дороги перед ним не образуется — он просто натыкается на все подряд молекулы.
Вот примерно как человек сквозь паутину проходит и тянет её за собой.
Тимур Магомедо Знаток (463) 3 года назад
Эффект Прандтля-Глоерта
*Михаил* Профи (696) 3 года назад
Я такой же грохот слышал в детстве в пионерском лагере. И не один раз. Часто летали… Только это были дозвуковые самолёты. Ни с чем не спутать плачущий и ноющий звук турбовинтового двигателя. Как сейчас помню тишина. И вдруг бабах и звук пассажирского турбовинтового лайнера. Да и видео было что это пассажирский самолет. И не ту144 это точно. Тем более он в 86 году практически не летал.
Электрон Знаток (254) 2 года назад Воспользуемся приёмом из алгебры. Чтобы понять процесс, рассмотрим его в крайних экстремальных значениях.Представьте, что самолет пролетает над Вами очень-очень медленно. В этом случае Вы будете слышать рёв мотора в точности из того места, где в это время находится самолет. Это обусловлено тем, что скоростью самолета в сравнении со скоростью звука можно пренебречь. По мере приближения и удаления самолета звук соответственно будет плавно усиливаться и ослабевать.Теперь представьте, что самолет пролетел над Вами мгновенно или со скоростью света. В этом случае работающий двигатель создаст звуковое возмущение в воздухе по всей траектории практически одновременно. В этом случае до ваших ушей первым долетит звуковое возмущение из самой близкой точки в зените у Вас над головой. И это будет самый громкий звук. Без всяких нарастаний громкости. Потому что нарастание и убывание будут достигать ваших ушей одновременно по мере удаления от Вас. В идеале Вы должны услышать громкий хлопок и медленно ослабевающий раскат звука в две стороны, прилет и улета.
Такой эффект будет наблюдаться при любых скоростях больше скорости звука. Чем меньше скорость, тем больше точка хлопка будет отклоняться от зенита в сторону прилета.
занимательный интернет-журнал
Републикую свой старый текст на тему “звукового барьера”:
Оказывается, одним из широко распространённых околоавиационных заблуждений является так называемый “звуковой барьер”, который “преодолевают” самолёты.
Даже больше: со сверхзвуковым полётом связан целый букет заблуждений. Как же обстоит дело в реальности? (Рассказ с фотографиями.)
Заблуждение первое: “хлопок”, якобы сопровождающий “преодоление звукового барьера” (ранее, ответ на этот вопрос опубликован на сайте “Элементы”).
С “хлопком” происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина “звуковой барьер”. Этот “хлопок” правильно называть “звуковым ударом”. Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления.
Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.
Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок.
Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью.
Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой, скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.
А “звуковым барьером” в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука.
При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей.
Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, – он просто потеряет управление и развалится.
Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения.
Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует “преодоление” своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается “аэродинамический удар” и характерные “скачки” в управляемости. Вот только с “хлопками” на земле эти процессы напрямую не связаны.
Заблуждение второе: “срыв тумана”.
Если о “хлопке” почти все знают, то с “туманом” ситуация несколько более “специальная”. Есть множество снимков, где летящий самолёт (обычно это истребитель) как бы “выскакивает” из туманного конуса. Смотрится очень эффектно:
Туман и относят к “звуковому барьеру”. Мол, это на фотографии как раз запечатлён момент “преодоления”, а туман и есть “тот самый барьер”.
На самом же деле, возникновение тумана связано лишь с резким перепадом давления, сопровождающим полёт самолёта.
В результате аэродинамических эффектов за элементами конструкции самолёта образуются не только области повышенного давления, но и области разрежения воздуха (возникают колебания давления).
Именно в этих областях разрежения (протекающего, фактически, без теплообмена с окружающей средой, так как процесс “очень быстрый”) и конденсируется водяной пар. Причиной этому служит резкое падение “локальной температуры”, приводящее к резкому смещению так называемой “точки росы”.
Так что, если влажность воздуха и температура подходят, то такой туман – вызванный интенсивной конденсацией атмосферной влаги – сопровождает весь полёт самолёта. И не обязательно на сверхзвуковой скорости. Например, на фотографии ниже, бомбардировщик B-2, а это дозвуковой самолёт, сопровождается характерной дымкой:
Конечно, так как фотография фиксирует один миг полёта, то, в случае со сверхзвуковыми самолётами, создаётся ощущение “выскакивающего” из тумана истребителя. Особенно выраженного эффекта можно достичь при полёте на небольших высотах над морем, так как в этом случае атмосфера обычно очень влажная.
Именно поэтому большинство “художественных” снимков сверхзвукового полёта сделано с борта того или иного корабля, а запечатлены на снимках самолёты палубной авиации.
Звуковой барьер
Необычную картину можно иногда наблюдать во время полета реактивных самолетов, которые словно выныривают из облака тумана. Это явление называется эффектом Прандтля-Глоерта и заключается в возникновении облака позади объекта, движущегося на околозвуковой скорости в условиях повышенной влажности воздуха.
Причина возникновения этого необычного явления 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.
Кликабельно 2600 рхПо мере того, как давление воздуха нормализуется, температура в нём выравнивается и вновь становится выше точки росы, и облако быстро растворяется в воздухе. Обычно время его жизни не превышает долей секунды. Поэтому при полёте самолёта кажется, что облако следует за ним — вследствие того, что оно постоянно образуется сразу позади самолёта, а затем исчезает.
Существует распространённое заблуждение, что возникновение облака из-за эффекта Прандтля-Глоерта означает, что именно в этот момент самолёт преодолевает звуковой барьер. В условиях нормальной или слегка повышенной влажности облако образуется только при больших скоростях, близких к скорости звука. В то же время при полётах на малой высоте и в условиях очень высокой влажности (например, над океаном) этот эффект можно наблюдать и при скоростях, значительно меньших скорости звука.
Кликабельно 2100 рхС “хлопком” происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина “звуковой барьер”. Этот “хлопок” правильно называть “звуковым ударом”.
Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления.
Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.
Клкиабельно 2500 рхКогда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок.
Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью.
Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.
А вот посмотрите какой интересный кадр ! Первый раз такое вижу !
Кликабельно 1920 рх — кому на стол !
Почему при преодолении самолетом звукового барьера возникает громкий звуковой хлопок?
Когда какое — то тело, летящее в пределах земной атмосферы, начинает двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, возникает сильнейший звуковой хлопок. В данном случае мы говорим, что был преодолен «звуковой барьер». Если использовать научный термин, то нужно говорить, что произошел «звуковой удар».
И так, давайте разберемся, что же происходит на самом деле?
Когда самолет начинает двигаться со скоростью, выше звуковой, в окружающем его пространстве возникают волны, именуемые ударными. Их возникновение обусловлено резкими скачками атмосферного давления. По форме они напоминают конус, который привязан к летящему самолету.
Своей вершиной он направлен в сторону носовой его части, а образующими, которые касаются поверхности земли, развернут в сторону противоположную движению.
Как только граница конуса достигает уха человека, он слышит звуковой хлопок, который возникает из-за резкого скачка атмосферного давления.
Получается, что этот звук следует за летящим самолетом как привязанный, поэтому все люди, над которыми он будет пролетать, будут его слышать. Иными словами, звуковой удар будет слышен в фиксированной точке земной поверхности, каждый раз, когда над ней будет пролетать сверхзвуковой самолет.
Что касается звукового барьера, то этот термин относится к звуковому сопротивлению, которое возникает в том случае, если скорость летящего самолета становится близкой к скорости звука.
Звук образуется вследствие того, что при сверхзвуковой скорости меняется характер обтекания воздушными массами фюзеляжа самолета. По этой причине обычные самолеты не могут развивать сверхзвуковую скорость, и прежде всего, ввиду своих конструктивных особенностей.
В этом случае пилот просто не сможет им управлять, да и нагрузка на фюзеляж будет выше критической.
Сверхзвуковые самолеты имеют иную геометрию крыла, и совершенно другие аэродинамические характеристики. Момент преодоления звукового барьера весьма ощутим, как для пилота, так и для самолета в целом. В этот момент машина плохо управляема, а пилот испытывает повышенные перегрузки. Но только к звуковым хлопкам, которые мы слышим на земле, это никакого отношения не имеет.
Что это, преодоление звукового барьера? Ответ неверный
Стивен Даулинг BBC Future
Правообладатель иллюстрации SPL
О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель BBC Future рассказывает об истинной причине феномена.
Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.
По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет — внутри компактного облака.
Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами — визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.
На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта — физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.
- По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.
- Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.
- Так что же это за таинственные облака конденсата?
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфере
По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.
Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.
Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. «Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, — объясняет Ирвин.
— Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde — запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью».
Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть — только при помощи специального оборудования.
Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсат
- Фотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.
- В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.
- Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.
- Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.
- Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео.
- «Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха», — говорит Ирвин.
- На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США — и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.
- Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазом
На таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.
Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы — ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.
- Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично — на дозвуковой.
- «Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения», — говорит Ирвин.
- По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно — теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.
Все, что вам остается сделать, — попросить об услуге профессионального фотографа, и — вуаля! — ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.
Как преодолевалась скорость звука
У всего в нашей Вселенной есть определенные скорости. В середине прошлого века преодоление скорости звука человеком было существенно и знаменательно.
В 1940-1950-х годах звуковой барьер обладал почти мифическим статусом, так как инженеры по всему миру пытались построить самолет, скорость которого превышала бы 1236 километров в час, что соответствовало быстроте перемещения, с которой звук передвигается в атмосфере Земли при температуре 20 град.
Но что означает это ограничение перемещения? Что подразумевает физика этого явления, и как она влияет на попытки нашей инженерии преодолеть ее?
Скорость звука в воздухе при температуре 20 градусов и нормальном давлении составляет порядка 1236 километров в час или 343,3 метров в секунду
Быстрота перемещения звуковой волны
Звук в разных газовых средах передвигается, возмущая их молекулы — это всего лишь импульс давления, который перемещается сквозь воздух.
Быстрота перемещения этой волны давления определяется свойствами воздуха и зависит от его температуры: чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы воздуха.
Кроме того, она зависит от массы молекул воздуха, а воздух, как известно, — это, в первую очередь, смесь азота и кислорода. И еще реакция воздуха на сжатие может быть обусловлена так называемым «адиабатическим индексом».
В разумном приближении, скорость звуковой волны зависит, главным образом, от среднего движения молекул воздуха при определенной температуре.
Следовательно, скорость звука — совсем не предел. Это просто быстрота перемещения, с которой волна давления проходит через воздух, и нет никаких причин, почему бы какому-либо объекту не удалось бы ее превысить.
Это было известно задолго до того, как были изобретены самолеты, но это знание не удовлетворяло тех, кто хотел помочь человеку двигаться быстрее звука.
В ходе второй мировой войны было предпринято множество попыток производства сверхзвуковых самолетов, но преодоление скорости звука не было вплоть до 14 октября 1947 года, когда американский лётчик-испытатель Чак Йегер стал первым человеком, пилотировавшим сверхзвуковой самолет.
На самолете Bell-XSl Йегер стартовал из бомбового отсека модифицированного бомбардировщика В29 и в горизонтальном полете преодолел звуковой барьер, с чем и вошел в историю авиации. Год позже советский пилот Иван Федоров повторил достижение Йегера в 1948 году. Советские самолеты Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950) уже позднее смогли преодолеть скорость звука.
Преодоление скорости звука сопровождается красивыми визуальными и звуковыми эффектами.
Первый серийный околозвуковой истребитель-бомбардировщик Хоукер «Хантер» уже мог преодолевать скорость звука. Это легендарный британский истребитель послевоенной эпохи, созданный в 1950-х годах. Этот самолет не должен летать на сверхзвуковых скоростях в горизонтальном полете, но в умелых руках пилота он смог превысить 1200 км в час, преодолевая звуковой барьер.
Именно относительно быстрое движение материальной точки относительно выбранной системы ввело ещё одно понятие как число Маха по имени австрийского учёного Эрнста Маха (1838-1916). Это внесистемная единица измерения показывающая отношение скорости полета относительно звука.
Сейчас рекорд скорости для пилотируемых аппаратов на реактивных двигателях принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3955 км в час или 3,2 Маха
Следовательно, звуковой барьер — это вовсе не препятствие, а всего лишь ограничение перемещения самого звука, определяемое физикой движения молекул воздуха.
В настоящее время скорость ракеты в космосе достигла величины 40 тыс. км/ч и пока имеет технологическое ограничение.
А что же световой барьер — то же самое?
Почему достаточно мощный самолет или космический корабль не может летать быстрее, чем волны в электрическом и магнитном полях? Ответ заключается в том, что «световой барьер» имеет совершенно иную природу и в принципе не может быть преодолен. Причиной этого является то, что распространение света в пространстве имеет более важную роль во Вселенной, чем просто перемещение чего-либо.
Кто первым преодолел звуковой барьер?
Иногда, когда в небе пролетает реактивный самолет, можно услышать громкий хлопок, по звуку напоминающий взрыв. Этот «врыв» является результатом преодоления самолетом звукового барьера.
Что такое звуковой барьер и почему мы слышим взрыв? И кто первым преодолел звуковой барьер? Эти вопросы мы рассмотрим ниже.
Что такое звуковой барьер и как он образуется?
Аэродинамический звуковой барьер – ряд явлений, которые сопровождают движение любого летательного аппарата (самолета, ракеты и т.п.), скорость которого равна или превышает скорость звука. Другими словами, аэродинамический «звуковой барьер» — это резкий скачок сопротивления воздуха, который возникает при достижении самолетом скорости звука.
Звуковые волны перемещаются в пространстве с определенной скоростью, которая изменяется в зависимости от высоты, температуры и давления. Например, на уровне моря скорость звука составляет примерно 1220 км/час, на высоте 15 тыс. м – до 1000 км/час и т.д.
Когда скорость самолета приближается к скорости звука, на него действуют определенные нагрузки. На обычных скоростях (дозвуковых) нос самолета «гонит» перед собой волну сжатого воздуха, скорость которой соответствует скорости звука. Скорость движения волны больше, чем обычная скорость самолета.
В результате этого, воздух свободно обтекает всю поверхность самолета.
Но, если скорость самолета соответствует скорости звука, волна сжатия образуется не на носу, а перед крылом. В результате этого образуется ударная волна, увеличивающая нагрузки на крылья.
Чтобы летательный аппарат смог преодолеть звуковой барьер, кроме определенной скорости он должен иметь особую конструкцию.
Именно поэтому авиаконструкторы разработали и применили в самолетостроении специальный аэродинамический профиль крыла и другие хитрости.
В момент преодоления звукового барьера пилот современного сверхзвукового летательного аппарата ощущает вибрации, «скачки» и «аэродинамический удар», который на земле мы воспринимаем, как хлопок или взрыв.
Вопрос «первопроходцев» звукового барьера такой же, как и вопрос первых покорителей космоса. На вопрос «Кто первым преодолел сверхзвуковой барьер?» можно дать разные ответы. Это и первый человек, преодолевший звуковой барьер, и первая женщина, и, как ни странно, первое устройство…
Первым, кто преодолел звуковой барьер, был летчик-испытатель Чарльз Эдвурд Йегер (Чак Игер). 14 октября 1947 года его экспериментальный самолет Bell X-1, оснащенный ракетным двигателем, выйдя в пологое пикирование с высоты 21379 м над Викторвиллем (Калифорния, США), достиг скорости звука. Скорость самолета в этот момент составила 1207 км/ч.
На протяжении своей карьеры военный летчик сделал большой вклад в развитие не только американской военной авиации, но и космонавтики. Чарльз Элвуд Йегер закончил свою карьеру в звании генерала ВВС США, побывав во многих уголках планеты. Опыт военного летчика пригодился даже в Голливуде при постановке эффектных воздушных трюков в художественном фильме «Летчик».
Историю Чака Йегера о преодолении звукового барьера рассказывает фильм «Парни что надо», который в 1984 году удостоился четырех статуэток Оскар.
Другие «покорители» звукового барьера
Кроме Чарльза Йегера, который первым преодолел звуковой барьер, были и другие рекордсмены.
- Первый советский летчик-испытатель – Соколовский (26 декабря 1948).
- Первая женщина – американка Жаклин Кохран (18 мая 1953 г.). Пролетая над военно-воздушной базой Эдвардс (Калифорния, США), ее самолет F-86 преодолел звуковой барьер на скорости 1223 км/час.
- Первый гражданский самолет – американский пассажирский авиалайнер Douglas DC-8 (21 августа 1961 г.). Его полет, проходивший на высоте около 12,5 тыс. м, был экспериментальным и организовывался с целью сбора данных, необходимых для будущего проектирования передних кромок крыльев.
- Первый автомобиль, преодолевший звуковой барьер — Thrust SSC (15 октября 1997 г.).
- Первый человек, преодолевший звуковой барьер в свободном падении – американец Джо Киттингер (1960 г.), прыгнувший с парашютом с высоты 31,5 км. Однако после него, пролетая 14 октября 2012 г. над американским городом Розуэлл (Нью-Мексико, США), австриец Феликс Баумгартнер поставил мировой рекорд, покинув воздушный шар с парашютом на высоте 39 км. Его скорость при этом составила около 1342,8 км/час, а спуск на землю, большая часть пути которого проходила в свободном падении, занял всего 10 минут.
- Мировой рекорд преодоления звукового барьера летательным аппаратом принадлежит гиперзвуковой аэробаллистической ракете Х-15 класса «воздух-земля» (1967 г.), находящейся сейчас на вооружении российской армии. Скорость ракеты на высоте 31,2 км составила 6389 км/час. Хотелось бы отметить, что максимально возможная скорость передвижения человека в истории пилотируемых летательных аппаратов – 39897 км/час, которую в 1969 г. достиг американский космический корабль «Аполлон-10».
Первое изобретение, преодолевшее звуковой барьер
Как ни странно, но первым изобретением, преодолевшим звуковой барьер был… простой хлыст, придуманный древними китайцами 7 тыс. лет назад.
До изобретения в 1927 году моментальной фотографии, никто не мог подумать, что щелчок хлыста – это не просто удар ремешка о рукоятку, а миниатюрный сверхзвуковой щелчок. Во время резкого взмаха формируется петля, скорость которой увеличивается в несколько десятков раз и сопровождается щелчком. Петля преодолевает звуковой барьер на скорости порядка 1200 км/час.
Штурм звукового барьера
| Десять лет назад ветеран Второй мировой и вьетнамской войн отставной бригадный генерал Чак Йегер отметил 50-летие первого сверхзвукового полета новым сверхзвуковым полетом на своем F-15. USAF |
14 октября 1947 года человечество преодолело очередной рубеж. Рубеж вполне объективный, выражающийся в конкретной физической величине — скорости звука в воздухе, которая в условиях земной атмосферы находится в зависимости от её температуры и давления в пределах 1100–1200 км/ч.
Сверхзвуковая скорость покорилась американскому пилоту Чаку Йегеру (Charles Elwood «Chuck» Yeager) — молодому ветерану Второй мировой, обладавшему незаурядной отвагой и отменной фотогеничностью, благодаря чему он немедленно стал популярен у себя на родине так же, как спустя 14 лет — Юрий Гагарин.
А отвага для перехода через звуковой барьер действительно требовалась.
Советский пилот Иван Федоров, повторивший достижение Йегера год спустя, в 1948 году, вспоминал тогдашние свои ощущения: «Перед полетом на преодоление звукового барьера стало очевидным, что гарантии выжить после него нет никакой. Никто не знал практически, что это такое и выдержит ли конструкция самолета напор стихии. Но об этом старались не думать».
Действительно, полной ясности относительно того, как себя поведет машина на сверхзвуковой скорости, не было.
У авиаконструкторов были ещё свежи в памяти воспоминания о внезапной напасти 30-х годов, когда с ростом скоростей самолетов пришлось срочно решать проблему флаттера — автоколебаний, возникающих как в жестких конструкциях самолета, так и в его обшивке, в считанные минуты разрывающих самолет на части. Процесс развивался лавинообразно, стремительно, пилоты не успевали изменить режим полета, и машины рассыпались в воздухе на части. Довольно долго математики и конструкторы в различных странах бились над решением этой проблемы. В конце концов теорию явления создал тогда ещё молодой российский математик Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978), впоследствии президент АН СССР. С помощью этой теории удалось найти способ навсегда избавиться от неприятного явления.
| Когда самолет движется с дозвуковой скоростью, акустические волны убегают от него, словно круги по воде от упавшего камня: давление вблизи волнового фронта меняется более или менее плавно. Самолет, движущийся со сверхзуковой скоростью, возбуждает ударные волны: давление на волновом фронте такой волны меняется скачком. А стоящий на земле человек слышит сначала звук похожий на взрыв — и только после этого рокот мотора. Dr. Leonard Weinstein/DFRC/NASA |
Вполне понятно, что столь же неприятных сюрпризов ожидали и от звукового барьера. Численное решение сложных дифференциальных уравнений аэродинамики в отсутствие мощных вычислительных машин было невозможно, и приходилось полагаться на «продувку» моделей в аэродинамических трубах.
Но из качественных соображений было ясно, что при достижении скорости звука вблизи самолета возникает ударная волна. Наиболее ответственный момент — преодоление звукового барьера, когда скорость самолета сравнивается со скоростью звука.
В этот момент разность давлений по разные стороны фронта волны быстро нарастает, и если момент продлится дольше мгновения, самолет может развалиться не хуже чем от флаттера.
Порой при преодолении звукового барьера с недостаточным ускорением созданная самолетом ударная волна даже вышибает стекла из окон домов на земле под ним.
Отношение скорости самолета к скорости звука называют числом Маха (по имени знаменитого немецкого механика и философа Эрнста Маха).
При прохождении звукового барьера пилоту кажется, что число М перескакивает через единицу скачкообразно: Чак Йегер увидел, как стрелка махометра скакнула с 0,98 на 1,02, после чего в кабине наступила «божественная» тишина — на самом деле, кажущаяся: просто уровень звукового давления в кабине самолета падает в несколько раз. Этот момент «очищения от звука» очень коварен, он стоил жизни многим испытателям. Но опасность развалиться для его самолета Х-1 была невелика.
Самолет Х-1, изготовленный компанией Bell Aircraft в январе 1946 года, был чисто исследовательским летательным аппаратом, предназначенным для покорения звукового барьера и ни для чего более. Несмотря на то что машина была заказана министерством обороны, вместо оружия её нашпиговали научной аппаратурой, отслеживающей режимы работы узлов, приборов и механизмов.
Х-1 походил на современную крылатую ракету. Имел один ракетный двигатель Reaction Motors тягой 2722 кГ. Максимальный взлетный вес — 6078 кг. Длина — 9,45 м, высота — 3,3 м, размах крыльев — 8,53 м. Максимальная скорость — на высоте 18290 м 2736 км/ч.
Машина запускалась со стратегического бомбардировщика В-52, а приземлялась на стальные «лыжи» на высохшем соляном озере.
| В настоящее время самолет X-1, на котором Чак Йегер впервые преодолел звуковой барьер, экспонируется в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики ( National Air and Space Museum ) в Вашингтоне. USAF/Senior Airman J.G. Buzanowski |
Не менее впечатляют и «тактико-технические параметры» её пилота. Чак Йегер родился 13 февраля 1923 года. После школы пошел в летное училище, и после его окончания отправился воевать в Европу. Сбил один Мессершмит-109. Сам был сбит в небе Франции, но его спасли партизаны. Как ни в чем не бывало вернулся на базу в Англию.
Однако бдительная служба контрразведки, не поверив чудесному избавлению от плена, отстранила пилота от полетов и направила его в тыл. Честолюбивый Йегер добился приема у главнокомандующего союзными войсками в Европе генерала Эйзенхауэра, который Йегеру поверил.
И не ошибся — молодой пилот за полгода, остававшиеся до окончания войны, совершил 64 боевых вылета, сбил 13 вражеских самолетов, причем 4 в одном бою. И вернулся на родину в звании капитана с прекрасным досье, в котором значилось, что он обладает феноменальной летной интуицией, невероятным хладнокровием и удивительной выдержкой в любой критической ситуации.
Благодаря такой характеристике он попал в команду испытателей-сверхзвуковиков, которых отбирали и готовили столь же тщательно, как впоследствии — астронавтов.
Переименовав Х-1 в «Пленительную Гленис» (Glamorous Glennis) в честь своей жены, Йегер не единожды устанавливал на нем рекорды. В конце октября 1947 года пал прежний рекорд высоты — 21 372 м.
В декабре 1953 года новая модификация машины — X-1A развила скорость 2,35 М — почти 2800 км/ч, а полгода спустя поднялась на высоту 27 430 м. А до того были испытания ряда запускавшихся в серию истребителей и обкатка нашего МиГ-15, захваченного и переправленного в Америку во время корейской войны.
Впоследствии Йегер командовал различными испытательными подразделениями ВВС как в США, так и на американских базах в Европе и Азии, принимал участие в боевых действиях во Вьетнаме, тренировал пилотов. В отставку он вышел в феврале 1975 года в звании бригадного генерала, налетав за время доблестной службы 10 тыс.
часов, обкатав 180 различных сверхзвуковых моделей и собрав уникальную коллекцию орденов и медалей. В середине 80-х годов был снят фильм, основанный на биографии бравого парня, первым в мире покорившего звуковой барьер, и после этого Чак Йегер стал даже не героем, а общенациональной реликвией.
В последний раз он сел за штурвал F-16 14 октября 1997 года и преодолел звуковой барьер на пятидесятую годовщину своего исторического полета. Было Йегеру тогда 74 года. В общем, как сказал поэт, гвозди бы делать из этих людей.
Таких людей немало и по другую сторону океана… Советские конструкторы начали примеряться к покорению звукового барьера одновременно с американскими.
Но для них это было не самоцелью, а актом вполне прагматичным.
Если Х-1 был сугубо исследовательской машиной, то у нас звуковой барьер штурмовали на прототипах истребителей, которые предполагалось запустить в серию для укомплектования ими частей ВВС.
| Самолеты МиГ-15 появились несколько позже Х-1 отчасти потому, что разработчики ставили комплексную задачу и стремились не только к преодолению звукового барьера, но и решению других технических задач. В результате машина оказалось настолько удачной, что долгое время различные ее модификации стояли на вооружении в разных странах. Этот экземпляр был доставлен с южнокорейского фронта в США, где его «осваивал» Чак Йегер. USAF |
В соревнование включились несколько конструкторских бюро — ОКБ Лавочкина, ОКБ Микояна и ОКБ Яковлева, — в которых параллельно разрабатывались самолеты со стреловидным крылом, что тогда было революционным конструктивным решением. К сверхзвуковому финишу они пришли в таком порядке: Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950).
Однако там проблема решалась в довольно сложном контексте: военная машина должна обладать не только высокой скоростью, но и множеством иных качеств — маневренность, живучесть, минимальное время предполетной подготовки, мощное вооружение, внушительный боекомплект и т.д. и т.п.
Следует отметить и то, что в советские времена на решение государственных приемочных комиссий зачастую влияли не только объективные факторы, но и субъективные моменты, связанные с политическими маневрами разработчиков.
Вся эта совокупность обстоятельств привела к тому, что в серию был запущен истребитель МиГ-15, который прекрасно показал себя на локальных аренах военных действий 50-х годов. Именно эту машину, захваченную в Корее, как было выше сказано, «объезжал» Чак Йегер.
В Ла-176 была применена рекордная по тем временам стреловидность крыла, равная 45 градусам. Турбореактивный двигатель ВК-1 обеспечивал тягу в 2700 кГ. Длина — 10,97 м, размах крыльев — 8,59 м, площадь крыла 18,26 кв.м. Взлетная масса — 4636 кг. Потолок — 15 000 м.
Дальность полета — 1000 км. Вооружение — одна 37-мм пушка и две 23-мм. Машина была готова осенью 1948 года, в декабре начались её летные испытания в Крыму на военном аэродроме близ города Саки.
Среди тех, кто руководил испытаниями, был и будущий академик Владимир Васильевич Струминский (1914–1998), пилотами экспериментального самолета были капитан Олег Соколовский и полковник Иван Федоров, получивший впоследствии звание Героя Советского Союза.
Соколовский по нелепой случайности погиб во время четвертого полета, забыв закрыть фонарь кабины.
Звуковой барьер полковник Иван Федоров преодолел 26 декабря 1948 года. Поднявшись на высоту 10 тыс. метров, он отклонил ручку управления от себя и начал разгоняться на пикировании. «С большой высоты разгоняю свой 176-й, — вспоминал пилот. — Слышен нудный негромкий свист.
Наращивая скорость, самолет мчится к земле. На шкале махометра стрелка с трехзначных цифр переходит на четырехзначные. Самолет дрожит, словно в лихорадке. И вдруг — тишина! Взят звуковой барьер. Последующая расшифровка осциллограмм показала, что число М перевалило за единицу».
Произошло это на высоте 7 000 метров, где была зафиксирована скорость 1,02М.
| Уже первые полеты самолета YF-12C в 1962 году положили конец спорам о преимуществах стреловидных крыльев. Он послужил прототипом самолета SR-71 со стреловидностью 60°, поставившего несколько рекордов и втрое превысившего скорость звука. После этого преимущества стреловидных крыльев стали казаться очевидными. DFRC/NASA |
В дальнейшем скорость пилотируемых самолетов продолжала неуклонно наращиваться за счет увеличения мощности двигателей, применения новых материалов и оптимизации аэродинамических параметров. Однако этот процесс не безграничен.
С одной стороны, он тормозится соображениями рациональности, когда учитывается расход топлива, стоимость разработки, безопасность полета и прочие не праздные соображения. И даже в военной авиации, где деньги и безопасность пилота не столь уж и значимы, скорости наиболее «шустрых» машин находятся в диапазоне от 1,5М до 3М. Больше как будто бы не требуется.
(Рекорд скорости для пилотируемых аппаратов с реактивными двигателями принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3,2М.)
С другой стороны, существует непреодолимый тепловой барьер: при определенной скорости нагревание корпуса машины трением о воздух происходит настолько быстро, что невозможно отведение тепла с его поверхности. Расчеты показывают, что при нормальном давлении это должно происходить на скорости порядка 10М.
Тем не менее предел в 10М все-таки был достигнут все на том же полигоне Эдвардс. Произошло это в 2005 году.
Рекордсменом стал беспилотный ракетный самолет Х-43А, изготовленный в рамках 7-летней грандиозной программы Hiper-X по отработке технологий нового типа, призванных радикально изменить облик ракетно-космической техники будущего. Его стоимость составляет $230 млн.
Рекорд был установлен на высоте 33 тыс. метров. В беспилотнике использована новая система разгона.
Вначале отрабатывает традиционная твердотопливная ракета, с помощью которой Х-43А достигает скорости 7М, а затем включается двигатель нового типа — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД, или скрамджет), в котором в качестве окислителя используется обычный атмосферный воздух, а топливом является газообразный водород (прямо-таки классическая схема неуправляемого взрыва).
В соответствии с программой были изготовлены три беспилотных модели, которые после выполнения задания были утоплены в океане. Следующий этап предполагает создание пилотируемых машин. После их испытания полученные результаты будут учтены при создании самых разнообразных «полезных» аппаратов.
Помимо летательных аппаратов для нужд NASA будут создаваться гиперзвуковые военные машины — бомбардировщики, разведчики и транспортники. Boeing, которая принимает участие в программе Hiper-X, планирует к 2030–2040 годам создать гиперзвуковой авиалайнер на 250 пассажиров.
Вполне понятно, что иллюминаторов, которые на таких скоростях ломают аэродинамику и не выдерживают теплового нагрева, в нем не будет. Вместо иллюминаторов предполагаются экраны с видеозаписью проплывающих облаков.
| Гиперзвуковой беспилотный «скрамджет» Х-43а более чем втрое превысил рекорд скорости SR-71. Схема полета получилась довольно сложной: сначала бомбардировщик выводил сборку на высоту в 10 000 метров, после чего отстрелившаяся ракета разгонялась до 7М, одновременно поднимаясь на высоту 30 000 м. Дальше до 10М «скрамджет» разгонялся уже сам. Jim Ross/DFRC/NASA |
Сомневаться не приходится, этот вид транспорта будет востребован, поскольку чем дальше, тем больше дорожает время, вмещающее все больше и больше в единицу времени эмоций, заработанных долларов и прочих компонентов современной жизни.
В связи с этим не приходится сомневаться и в том, что когда-нибудь люди превратятся в бабочек-однодневок: один день будет насыщен как вся нынешняя (скорее — уже вчерашняя) человеческая жизнь.
И можно предположить, что кто-то или что-то реализует в отношении человечества программу Hiper-X.
Владимир Тучков, 15.10.2007
Телеграф «Вокруг Света»: Штурм звукового барьера