Почему при преодолении звукового барьера слышится хлопок?

Проблемы сверхзвукового полета

Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.

Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе.

Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году.

Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.

Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144

Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков:

• ударная волна;
• большой расход топлива;
• сложность эксплуатации;
• шум над аэродромом.

Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва. В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Преодоление скорости звука

Как же происходит преодоление звукового барьера? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все сильнее. Его обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть и несколько – в зависимости от формы летательного аппарата.

Схема образования ударной волны

В данной области давление и плотность воздушной среды резко повышается. В момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и возникает звук громкого хлопка, который похож на выстрел. Пилот в кабине никаких звуков не слышит – о преодолении звукового барьера он узнает только по специальным датчикам. Также ощутимы изменения в плане управления самолетом.

Громкий взрывоподобный хлопок – это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда самолет летит на сверхзвуковой скорости неподалеку. Ударные волны, которые он образует, визуально можно представить в виде конуса, сопровождающего летательный аппарат. Вершина конуса располагается в носовой части. Волны распространяются от нее на большие расстояния.

Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы данного воображаемого конуса. Резкий скачок давления воспринимается как взрывообразный хлопок. С момента преодоления барьера звуковой удар постоянно сопровождает самолет. Однако хлопок будет слышно каждый раз, когда он пролетает над фиксированной точкой поверхности.

Так как самолет движется быстрее звука, сперва наблюдатель услышит хлопок и только после этого шум двигателя.

Звуковой удар достигает наблюдателя
Интересный факт: с преодолением звукового барьера часто связывают возникновение белого облака в хвостовой части самолета. Однако к звуковому барьеру оно отношения не имеет. Речь идет об эффекте Прандтля-Глоерта – конденсации влаги сразу за движущимся самолетом.