Ударная волна - Sonic boom

Источник звука движется со скоростью в 1,4 раза превышающей скорость звука (1,4 Маха). Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он опережает продвигающийся волновой фронт.
Звуковой удар, производимый летательным аппаратом, движущимся с М = 2,92, рассчитанным из угла конуса 20 градусов. Наблюдатели ничего не слышат, пока ударная волна на краях конуса не пересечет их местоположение.
Угол конуса Маха
Данные НАСА, показывающие сигнатуру N-волны.
Коническая ударная волна с зоной контакта с землей в форме гиперболы, выделенной желтым цветом.

Звуковой удар является звуком , связанным с ударными волнами , созданных , когда объект проходит через воздух быстрее , чем скорость звука . Звуковые удары генерируют огромное количество звуковой энергии, звучащее для человеческого уха подобно взрыву или удару грома . Трещина сверхзвуковой пули, пролетающей над головой, или трещина кнута - примеры звукового удара в миниатюре.

Звуковые удары, создаваемые большим сверхзвуковым самолетом, могут быть особенно громкими и пугающими, могут разбудить людей и могут вызвать незначительные повреждения некоторых конструкций. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя полностью предотвратить их невозможно, исследования показывают, что при тщательном формировании транспортного средства неудобства из-за звуковых ударов могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать возможным вариантом.

Звуковой удар не происходит только в тот момент, когда объект пересекает скорость звука; и он также не слышен во всех направлениях, исходящих от сверхзвукового объекта. Скорее, стрела - это непрерывный эффект, который возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью. Но это влияет только на наблюдателей, которые находятся в точке, которая пересекает область в форме геометрического конуса позади объекта. По мере движения объекта эта коническая область также перемещается за ним, и когда конус проходит над наблюдателем, он на короткое время ощущает удар стрелы .

Причины

Когда летательный аппарат проходит по воздуху, он создает серию волн давления перед ним и позади него, похожих на носовые и кормовые волны, создаваемые лодкой. Эти волны распространяются со скоростью звука, и по мере того, как скорость объекта увеличивается, волны прижимаются друг к другу или сжимаются, потому что они не могут достаточно быстро уйти друг от друга. В конце концов они сливаются в единую ударную волну, которая распространяется со скоростью звука, критической скоростью, известной как 1 Мах , и составляет примерно 1235 км / ч (767 миль в час) на уровне моря и температуре 20 ° C (68 ° F).

При плавном полете ударная волна начинается у носа самолета и заканчивается в хвосте. Поскольку различные радиальные направления вокруг направления движения самолета эквивалентны (при условии "плавного полета"), ударная волна образует конус Маха , подобный конусу пара , с самолетом на его вершине. Половина угла между направлением полета и ударной волной определяется как:

,

где - величина, обратная числу Маха самолета ( ). Таким образом, чем быстрее летит самолет, тем тоньше и острее конус.

Давление на носу повышается, постепенно снижается до отрицательного давления в хвосте, после чего после прохождения объекта происходит внезапное возвращение к нормальному давлению. Этот « профиль избыточного давления » известен как N-волна из-за его формы. «Бум» ощущается при резком изменении давления; следовательно, N-волна вызывает два штанги - один, когда начальное повышение давления достигает наблюдателя, а другой, когда давление возвращается к норме. Это приводит к отличительной «двойной стреле» сверхзвукового самолета. Когда самолет маневрирует, распределение давления принимает разные формы с характерной формой U-образной волны.

Поскольку штанга создается постоянно, пока самолет является сверхзвуковым, она заполняет узкую дорожку на земле, следующую за траекторией полета самолета, немного похожую на разворачивающуюся красную ковровую дорожку и, следовательно, известную как ковер штанги . Его ширина зависит от высоты полета самолета. Расстояние от точки на земле, где слышен звук стрелы, до самолета зависит от его высоты и угла .

Для современных сверхзвуковых самолетов в нормальных условиях эксплуатации пиковое избыточное давление варьируется от менее 50 до 500 Па (от 1 до 10 фунтов на квадратный фут (фунт на квадратный фут)) для N-образной стрелы. Пиковое избыточное давление для U-волны усиливается в два-пять раз по сравнению с N-волной, но это усиленное избыточное давление воздействует только на очень небольшую область по сравнению с областью, подверженной воздействию остальной части звукового удара. Самый сильный из когда-либо зарегистрированных звуковых ударов составил 7000 Па (144 фунта на фут), и он не причинил вреда исследователям, которые подверглись его воздействию. Стрела была произведена F-4, летевшим чуть выше скорости звука на высоте 100 футов (30 м). В недавних испытаниях максимальная стрела, измеренная в более реалистичных условиях полета, составляла 1010 Па (21 фунт / фут). Существует вероятность того, что некоторые повреждения - например, разбитое стекло - возникнут в результате звукового удара. Здания в хорошем состоянии не должны иметь повреждений при давлении 530 Па (11 фунтов на квадратный фут) или меньше. И, как правило, воздействие звукового удара на население составляет менее 100 Па (2 фунта на фут). Движение грунта в результате звукового удара встречается редко и значительно ниже пороговых значений структурного повреждения, принятых Горным бюро США и другими агентствами.

Мощность или объем ударной волны зависит от количества ускоряемого воздуха и, следовательно, от размера и формы летательного аппарата. В качестве самолета увеличивается скорость ударной конус становится плотнее вокруг корабля и становится слабее , к тому , что при очень высоких скоростях и высотах не стрела не слышала. «Длина» стрелы спереди назад зависит от длины самолета в степени 3/2. Таким образом, более длинные самолеты «разводят» свои штанги больше, чем более мелкие, что приводит к менее мощной штанге.

Несколько меньших ударных волн могут образовываться и обычно образуются в других точках самолета, в первую очередь в любых выпуклых точках или кривых, на передней кромке крыла и особенно на входе в двигатели. Эти вторичные ударные волны вызваны тем, что воздух вынужден вращаться вокруг этих выпуклых точек, что создает ударную волну в сверхзвуковом потоке .

Более поздние ударные волны несколько быстрее, чем первая, распространяются быстрее и добавляют к основной ударной волне на некотором расстоянии от самолета, создавая гораздо более определенную форму N-волны. Это максимизирует как величину, так и «время нарастания» удара, из-за чего стрела кажется громче. На большинстве конструкций самолетов характерное расстояние составляет около 40 000 футов (12 000 м), что означает, что ниже этой высоты звуковой удар будет «мягче». Однако сопротивление на этой высоте или ниже делает сверхзвуковое путешествие особенно неэффективным, что создает серьезную проблему.

Измерение и примеры

Давление от звуковых ударов , вызванных воздушными судами часто несколько фунтов на квадратный фут. Транспортное средство, летящее на большей высоте, будет создавать более низкое давление на землю, потому что ударная волна уменьшается по интенсивности по мере того, как она распространяется от транспортного средства, но звуковые удары меньше зависят от скорости транспортного средства.

Самолет Скорость Высота Давление (фунт-сила / фут 2 ) Давление (Па)
SR-71 Блэкберд Маха 3+ 80000 футов (24000 м) 0,9 43 год
Конкорд (SST) Мах 2 52000 футов (16000 м) 1,94 93
Истребитель F-104 1,93 Маха 48000 футов (15000 м) 0,8 38
Космический шаттл 1.5 Маха 60000 футов (18000 м) 1,25 60
Ссылка:

Уменьшение

В исследовательском центре Гленна НАСА проводятся новые исследования, которые могут помочь ослабить звуковой удар, производимый сверхзвуковыми самолетами. В 2010 году были завершены испытания крупномасштабной модели сверхзвукового воздухозаборника с малой стрелой и микромассивом управления потоком. Здесь изображен аэрокосмический инженер НАСА в аэродинамической трубе с крупномасштабной сверхзвуковой входной моделью с малой стрелой.

В конце 1950-х, когда активно разрабатывались сверхзвуковые транспортные средства (SST), считалось, что, хотя стрела будет очень большой, проблем можно избежать, взлетая выше. Это предположение оказалось ложным, когда North American XB-70 Valkyrie впервые поднялся в воздух, и было обнаружено, что стрела была проблемой даже на высоте 70 000 футов (21 000 м). Именно во время этих тестов впервые была охарактеризована N-волна.

Ричард Сибасс и его коллега Альберт Джордж из Корнельского университета тщательно изучили проблему и в конечном итоге определили « показатель качества » (FM) для характеристики уровней звукового удара различных самолетов. FM зависит от веса и длины самолета. Чем ниже это значение, тем меньше стрелы создает самолет, при этом приемлемыми считаются цифры около 1 или ниже. Используя этот расчет, они нашли FM около 1,4 для Concorde и 1,9 для Boeing 2707 . Это в конечном итоге обрекло большинство проектов SST, поскольку общественное недовольство, смешанное с политикой, в конечном итоге привело к законам, которые сделали любой такой самолет менее полезным (например, сверхзвуковой полет только над водой). Приветствуются небольшие конструкции самолетов, такие как бизнес-джеты, которые, как правило, производят минимальные удары или вообще их не слышат.

Сибасс и Джордж также работали над проблемой под другим углом, пытаясь распространить N-волну в поперечном и временном (продольном) направлениях, создавая сильную и направленную вниз ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) ударную волну. острый, но широкоугольный носовой обтекатель, который будет перемещаться со слегка сверхзвуковой скоростью ( носовой удар ), и с помощью развернутого назад летающего крыла или наклонного летающего крыла, чтобы сгладить этот удар по направлению полета (хвостовая часть амортизатора движется со скоростью звуковая скорость). Чтобы адаптировать этот принцип к существующим самолетам, которые создают ударную нагрузку на носовом конусе и еще более сильную ударную нагрузку на передней кромке крыла, фюзеляж под крылом имеет форму в соответствии с правилом площади . В идеале это повысило бы характеристическую высоту с 40 000 футов (12 000 м) до 60 000 футов (с 12 000 м до 18 000 м), где, как ожидается, будет летать большинство самолетов SST.

НАСА F-5E модифицирован для испытаний звуковой ударной волны DARPA

Это оставалось непроверенным в течение десятилетий, пока DARPA не запустило проект Quiet Supersonic Platform и не профинансировало демонстрационный самолет Shaped Sonic Boom (SSBD) для его испытаний. SSBD использовала истребитель F-5 Freedom Fighter . У F-5E была усовершенствованная форма, которая удлинила нос по сравнению с моделью F-5F. Обтекатель простиралась от носа всего пути обратно к бухтам на нижней части самолета. SSBD тестировался в течение двух лет, завершившихся 21 полетом, и представлял собой обширное исследование характеристик звукового удара. После измерения 1300 записей, некоторые из которых были сделаны внутри ударной волны самолетом преследования , SSBD продемонстрировал уменьшение стрелы примерно на треть. Хотя сокращение на одну треть не является огромным, оно могло бы уменьшить стрелу Concorde до приемлемого уровня ниже FM = 1.

В дополнение к SSBD в 2006 году группа NASA - Gulfstream Aerospace провела испытания Quiet Spike на самолете NASA-Dryden F-15B 836. Quiet Spike - телескопическая стрела, установленная на носовой части самолета, специально разработанная для ослабления прочности. ударных волн, образующихся на носовой части самолета на сверхзвуковых скоростях. Выполнено более 50 испытательных полетов. Несколько полетов включали исследование ударных волн вторым F-15B, испытательным стендом НАСА Intelligent Flight Control System , самолет 837.

Существуют теоретические конструкции, которые, похоже, вообще не создают звуковых ударов, такие как биплан Буземана . Однако создание ударной волны неизбежно, если они создают аэродинамическую подъемную силу.

НАСА и Lockheed Martin Aeronautics Co. работают вместе над созданием экспериментального самолета под названием Low Boom Flight Demonstrator (LBFD), который снизит звуковой удар, синонимичный высокоскоростному полету, до звука закрывающейся двери автомобиля. Агентство заключило контракт на 247,5 миллиона долларов на создание рабочей версии обтекаемого однопилотного самолета к лету 2021 года и должно начать испытания в течение следующих лет, чтобы определить, можно ли в конечном итоге адаптировать эту конструкцию для коммерческих самолетов.

Восприятие, шум и другие проблемы

Точечный источник, излучающий сферические фронты, линейно увеличивая скорость со временем. На короткое время виден эффект Доплера . Когда v  =  c , виден звуковой удар. Когда v  >  c , виден конус Маха.

Звук звукового удара во многом зависит от расстояния между наблюдателем и формой летательного аппарата, производящего звуковой удар. Звуковой удар обычно слышен как глубокий двойной «удар», поскольку самолет обычно находится на некотором расстоянии. Звук очень похож на звук минометных бомб , обычно используемых в фейерверках . Распространено заблуждение, что во время перехода от дозвукового к сверхзвуковому образуется только одна стрела; скорее, стрела непрерывна вдоль ковра стрелы в течение всего сверхзвукового полета. Как сказал бывший пилот Concorde: «На самом деле вы ничего не слышите на борту. Все, что мы видим, - это волна давления, движущаяся вниз по самолету - она ​​показывает показания приборов. И это то, что мы видим в районе 1 Маха. Но мы не слышите звуковой удар или что-то в этом роде. Это скорее похоже на след корабля - он позади нас ".

В 1964 году НАСА и Федеральное управление гражданской авиации начали испытания звукового удара в Оклахома-Сити , которые вызвали восемь звуковых ударов в день в течение шести месяцев. Ценные данные были собраны в ходе эксперимента, но было подано 15000 жалоб, которые в конечном итоге вовлекли правительство в коллективный иск, который оно проиграло по апелляции в 1969 году.

Звуковые удары также мешали в Северном Корнуолле и Северном Девоне в Великобритании, поскольку эти районы находились под траекторией полета Конкорда. Окна будут дребезжать, и в некоторых случаях "факел" (направленный под шифер крыши) смещался из-за вибрации.

В этой области недавно были проведены работы, особенно в рамках исследований тихой сверхзвуковой платформы DARPA. Исследования, проведенные экспертами по акустике в рамках этой программы, позволили более внимательно изучить состав звуковых ударов, включая частотный состав. Некоторые характеристики традиционного звукового удара "N" волны могут влиять на то, насколько громким и раздражающим он будет восприниматься слушателями на земле. Даже сильные N-волны, такие как генерируемые Concorde или военными самолетами, могут быть гораздо менее нежелательными, если время нарастания избыточного давления достаточно велико. Появилась новая метрика, известная как воспринимаемая громкость, измеряемая в PLdB. При этом учитывается частотная составляющая, время нарастания и т. Д. Хорошо известным примером является щелканье пальцев, при котором «воспринимаемый» звук является не более чем раздражением.

Энергетический диапазон звукового удара сконцентрирован в диапазоне частот 0,1–100  Гц, что значительно ниже, чем у дозвуковых самолетов, стрельбы и большинства промышленных шумов . Продолжительность звукового удара кратковременна; менее секунды, 100 миллисекунд (0,1 секунды) для большинства самолетов размером с истребитель и 500 миллисекунд для космических челноков или лайнеров Concorde. Интенсивность и ширина траектории звукового удара зависит от физических характеристик летательного аппарата и от того, как он эксплуатируется. Как правило, чем больше высота самолета, тем меньше избыточное давление на землю. Большая высота также увеличивает поперечный разброс стрелы, открывая более широкую зону для стрелы. Однако избыточное давление в зоне удара звуковой стрелы не будет равномерным. Интенсивность штанги наибольшая непосредственно под траекторией полета, постепенно ослабевая с увеличением горизонтального расстояния от траектории полета самолета. Ширина зоны воздействия стрелы составляет приблизительно 1 статутную милю (1,6 км) на каждые 1000 футов (300 м) высоты (ширина примерно в пять раз превышает высоту); то есть самолет, летящий на сверхзвуке на высоте 30 000 футов (9 100 м), создаст боковой разброс стрелы примерно на 30 миль (48 км). Для устойчивого сверхзвукового полета стрела описывается как ковровая стрела, поскольку она движется вместе с самолетом, поддерживая сверхзвуковую скорость и высоту. Некоторые маневры, ныряние, ускорение или повороты могут вызвать фокусировку стрелы. Другие маневры, такие как замедление и подъем, могут снизить силу удара. В некоторых случаях погодные условия могут искажать звуковые удары.

В зависимости от высоты самолета звуковые удары достигают земли от 2 до 60 секунд после пролета. Однако не все удары слышны на уровне земли. Скорость звука на любой высоте зависит от температуры воздуха. Снижение или повышение температуры приводит к соответствующему уменьшению или увеличению скорости звука. В стандартных атмосферных условиях температура воздуха понижается с увеличением высоты. Например, когда температура на уровне моря составляет 59 градусов по Фаренгейту (15 ° C), температура на высоте 30 000 футов (9 100 м) падает до минус 49 градусов по Фаренгейту (-45 ° C). Этот температурный градиент помогает изгибать звуковые волны вверх. Следовательно, чтобы стрела достигла земли, скорость самолета относительно земли должна быть больше скорости звука у земли. Например, скорость звука на высоте 30 000 футов (9 100 м) составляет около 670 миль в час (1080 км / ч), но самолет должен двигаться не менее 750 миль в час (1210 км / ч) (1,12 Маха) в течение бум, чтобы быть услышанным на земле.

Состав атмосферы также играет важную роль. Колебания температуры, влажность , атмосферное загрязнение и ветер могут влиять на восприятие звукового удара на земле. Даже сама земля может повлиять на звук звукового удара. Твердые поверхности, такие как бетон , тротуар и большие здания, могут вызывать отражения, которые могут усилить звук звукового удара. Точно так же травянистые поля и обильная листва могут помочь ослабить силу избыточного давления звукового удара.

В настоящее время нет принятых в отрасли стандартов приемлемости звукового удара. Однако ведется работа по созданию показателей, которые помогут понять, как люди реагируют на шум, создаваемый звуковыми ударами. До тех пор, пока такие показатели не будут установлены путем дальнейшего изучения или испытаний сверхзвукового полета, сомнительно, что будет принят закон, отменяющий текущий запрет на сверхзвуковой полет, действующий в нескольких странах, включая Соединенные Штаты.

Кнут

Австралийский кнут

Щелкающий звук, издаваемый кнутом при правильном использовании, на самом деле является небольшим звуковым ударом. Конец хлыста, известный как «взломщик» , движется быстрее скорости звука, создавая таким образом звуковой удар.

Кнут сужается от рукоятки к хлопушке. Взломщик имеет гораздо меньшую массу, чем секция ручки. Когда хлыст резко взмахивает, энергия передается по длине сужающегося хлыста. Горили и Макмиллен показали, что физическое объяснение является сложным, включая то, как петля движется по конической нити под действием натяжения.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки