Звуковой удар — это звук, связанный с ударными волнами, возникающими, когда объект движется по воздуху со скоростью, превышающей скорость звука . Звуковые удары генерируют огромное количество звуковой энергии, звучащей для человеческого уха похожей на взрыв или раскат грома .
Треск сверхзвуковой пули , пролетающей над головой, или треск кнута — примеры звукового удара в миниатюре. [2]
Звуковые удары, исходящие от больших сверхзвуковых самолетов , могут быть особенно громкими и поразительными, могут будить людей и могут причинить незначительные повреждения некоторым конструкциям . Это привело к запрету обычных сверхзвуковых полетов по суше. Хотя их невозможно полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательной настройке транспортного средства неудобства, вызванные звуковыми ударами, могут быть уменьшены до такой степени, что сухопутный сверхзвуковой полет может стать возможным вариантом. [3] [4]
Звуковой удар возникает не только в момент пересечения объектом звукового барьера и не слышен во всех направлениях, исходящих от сверхзвукового объекта. Скорее, удар представляет собой непрерывный эффект, который возникает, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью, и влияет только на наблюдателей, которые расположены в точке, пересекающей область в форме геометрического конуса позади объекта. По мере движения объекта эта коническая область также движется за ним, и когда конус пройдет над наблюдателем, он на короткое время испытает «бум».
Когда самолет проходит через воздух, он создает серию волн давления перед самолетом и позади него, похожих на волны в носовой части и корме, создаваемые лодкой. Эти волны движутся со скоростью звука , и по мере увеличения скорости объекта волны сближаются или сжимаются, потому что они не могут достаточно быстро уйти друг от друга. В конце концов, они сливаются в одну ударную волну, которая распространяется со скоростью звука, критической скоростью, известной как 1 Маха , что составляет примерно 1192 км/ч (741 миль в час) на уровне моря и при температуре 20 °C (68 °F).
При плавном полете ударная волна начинается в носовой части самолета и заканчивается в хвостовой части. Поскольку различные радиальные направления вокруг направления движения самолета эквивалентны (при условии «плавного полета»), ударная волна образует конус Маха , похожий на конус пара , с самолетом на его кончике. Полуугол между направлением полета и ударной волной определяется выражением:
где – обратное число Маха самолета . Таким образом, чем быстрее летит самолет, тем тоньше и заостренее становится конус.
Давление в носовой части повышается, постепенно снижается до отрицательного давления в хвостовой части, а после прохождения объекта внезапно возвращается к нормальному давлению. Этот « профиль избыточного давления » из-за своей формы известен как N-волна. «Бум» ощущается при внезапном изменении давления; следовательно, N-волна вызывает два бума – один, когда первоначальное повышение давления достигает наблюдателя, а другой, когда давление возвращается к норме. Это приводит к характерному «двойному удару» сверхзвукового самолета. При маневрировании самолета распределение давления принимает различные формы с характерной формой U-волны.
Поскольку стрела генерируется постоянно, пока самолет находится на сверхзвуке, она заполняет узкую дорожку на земле, следующую за траекторией полета самолета, что немного похоже на разматывающуюся красную ковровую дорожку и, следовательно, известную как ковер стрелы . Его ширина зависит от высоты полета самолета. Расстояние от точки на земле, где слышен грохот, до самолета зависит от его высоты и угла наклона .
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 стрелы N-волны. Пиковое избыточное давление для U-волн усиливается в два-пять раз больше, чем N-волна, но это усиленное избыточное давление воздействует только на очень небольшую область по сравнению с областью, подвергающейся воздействию остальной части звукового удара. Самый сильный звуковой удар, когда-либо зарегистрированный, составлял 7000 Па (144 фунтов на квадратный фут), и он не причинил вреда исследователям, подвергшимся его воздействию. Удар был произведен самолетом F-4 , летевшим чуть выше скорости звука на высоте 100 футов (30 м). [5] В ходе недавних испытаний максимальное давление стрелы, измеренное в более реалистичных условиях полета, составило 1010 Па (21 фунт на квадратный фут). Существует вероятность того, что некоторые повреждения (например, разбитое стекло) возникнут в результате звукового удара. Здания в хорошем состоянии не должны пострадать от давления 530 Па (11 фунтов на квадратный фут) или менее. И, как правило, воздействие звукового удара на население не превышает 100 Па (2 фунта на квадратный фут). Движение грунта в результате звукового удара происходит редко и значительно ниже пороговых значений структурного повреждения, принятых Горным бюро США и другими агентствами. [6]
Мощность или объем ударной волны зависит от количества ускоряемого воздуха и, следовательно, от размера и формы самолета. По мере того, как самолет увеличивает скорость, ударный конус сжимается вокруг самолета и становится слабее до такой степени, что на очень высоких скоростях и высотах грохот не слышен. «Длина» стрелы спереди назад зависит от длины самолета в степени 3/2. Таким образом, более длинные самолеты «разбрасывают» свои стрелы больше, чем меньшие, что приводит к менее мощной стреле. [7]
Несколько меньших ударных волн могут образовываться и обычно формируются в других точках самолета, в первую очередь в любых выпуклых точках или изгибах передней кромки крыла и особенно входных отверстий двигателей. 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 первой, распространяются быстрее и добавляются к основной ударной волне на некотором расстоянии от самолета, создавая гораздо более определенную форму N-волны. Это максимизирует как силу, так и «время нарастания» удара, из-за чего удар кажется громче. Для большинства конструкций самолетов характерное расстояние составляет около 40 000 футов (12 000 м), а это означает, что ниже этой высоты звуковой удар будет «мягче». Однако сопротивление на этой высоте или ниже делает сверхзвуковое путешествие особенно неэффективным, что представляет собой серьезную проблему.
Сверхзвуковые самолеты — это любые самолеты, способные летать со скоростью, превышающей 1 Маха, что соответствует скорости звука. «Сверхзвуковая скорость включает в себя скорость, в пять раз превышающую скорость звука, или 5 Маха». (Данбар, 2015) Максимальный пробег сверхзвукового самолета в час обычно составляет от 700 до 1500 миль в час (от 1100 до 2400 км/ч). Обычно скорость большинства самолетов не превышает 1500 миль в час (2414 км/ч). Существует множество модификаций сверхзвуковых самолетов. В некоторых моделях сверхзвуковых самолетов используется более совершенная аэродинамика, которая позволяет немного пожертвовать аэродинамикой модели ради мощности двигателя. Другие модели используют эффективность и мощность двигателя, чтобы позволить менее аэродинамичной модели достигать более высоких скоростей. Типичная модель, используемая в военных целях в США, стоит в среднем от 13 до 35 миллионов долларов США.
Давление от звуковых ударов, вызванных самолетами , часто составляет несколько фунтов на квадратный фут. Транспортное средство, летящее на большей высоте, будет создавать меньшее давление на землю, поскольку интенсивность ударной волны уменьшается по мере распространения от транспортного средства, но скорость транспортного средства меньше влияет на звуковые удары.
В конце 1950-х годов, когда активно разрабатывались проекты сверхзвукового транспорта (SST), считалось, что, хотя стрела будет очень большой, проблем можно избежать, если полететь выше. Это предположение оказалось ложным, когда североамериканский XB-70 Valkyrie впервые поднялся в воздух, и было обнаружено, что стрела представляла собой проблему даже на высоте 70 000 футов (21 000 м). Именно во время этих тестов впервые был охарактеризован зубец N.
Ричард Сибасс и его коллега Альберт Джордж из Корнеллского университета тщательно изучили эту проблему и в конечном итоге определили « показатель качества » (FM), характеризующий уровни звукового удара различных самолетов. FM является функцией веса и длины самолета. Чем ниже это значение, тем меньшую стрелу создает самолет, причем значения около 1 или ниже считаются приемлемыми. Используя этот расчет, они обнаружили FM около 1,4 для Конкорда и 1,9 для Боинга 2707 . Это в конечном итоге обрекло большинство проектов SST, поскольку общественное недовольство, смешанное с политикой, в конечном итоге привело к принятию законов, которые сделали любой такой самолет менее полезным (например, полеты на сверхзвуке только над водой). Предпочтительны небольшие конструкции самолетов, такие как бизнес-джеты, которые, как правило, производят минимальный шум или вообще его не слышно. [7]
Сибасс и Джордж также работали над проблемой под другим углом, пытаясь распространить N-волну в поперечном и временном (продольном) направлении, создавая сильный и сфокусированный вниз ( SR-71 Blackbird , Boeing X-43 ) толчок на острый, но широкоугольный носовой обтекатель, который будет двигаться со слегка сверхзвуковой скоростью ( носовой удар ), и с помощью стреловидного назад летающего крыла или наклонного летающего крыла сглаживать этот удар вдоль направления полета (хвост удара движется со скоростью скорость звука). Чтобы адаптировать этот принцип к существующим самолетам, которые создают ударную нагрузку в носовом обтекателе и еще более сильную в передней кромке крыла, фюзеляж под крылом имеет форму в соответствии с правилом площади . В идеале это увеличило бы характерную высоту с 40 000 футов (12 000 м) до 60 000 футов (с 12 000 м до 18 000 м), на которой должно было летать большинство самолетов SST. [7]
_DARPA_sonic_tests_04.07R.jpg/1280px-Northrop_F-5E_(modified)_DARPA_sonic_tests_04.07R.jpg)
Это оставалось непроверенным в течение десятилетий, пока DARPA не запустило проект «Тихая сверхзвуковая платформа» и не профинансировало демонстрационный самолет Shaped Sonic Boom (SSBD) для его испытаний. SSBD использовал истребитель F-5 Freedom Fighter . F-5E получил усовершенствованную форму, удлинившую нос по сравнению с моделью F-5F. Обтекатель простирался от носовой части самолета до воздухозаборников в нижней части самолета. SSBD испытывался 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 -преследователем , SSBD продемонстрировал снижение силы удара примерно на одну треть. Хотя сокращение на одну треть не является огромным сокращением, оно могло бы снизить подъем «Конкорда» до приемлемого уровня ниже FM = 1.
В продолжение SSBD в 2006 году группа НАСА и Gulfstream Aerospace испытала Quiet Spike на самолете F-15B 836 НАСА Драйдена. Quiet Spike представляет собой телескопическую стрелу, установленную на носовой части самолета, специально разработанную для ослабления прочности ударные волны, образующиеся на носовой части самолета на сверхзвуковых скоростях. Выполнено более 50 испытательных полетов. Несколько полетов включали исследование ударных волн вторым F-15B, испытательным стендом интеллектуальной системы управления полетом НАСА , самолетом 837.
Некоторые теоретические конструкции вообще не создают звуковых ударов, например, биплан Буземанна . Однако создание ударной волны неизбежно, если она создает аэродинамическую подъемную силу. [7]
В 2018 году НАСА заключило с Lockheed Martin контракт на сумму 247,5 миллиона долларов на создание конструкции, известной как « Демонстратор полета с низкой стрелой» , целью которой является уменьшение шума стрелы до звука закрывающейся двери автомобиля. [9] По состоянию на октябрь 2023 года первый полет ожидался в 2024 году. [10]
Звук звукового удара во многом зависит от расстояния между наблюдателем и формой самолета, производящего звуковой удар. Звуковой удар обычно слышен как глубокий двойной «бум», поскольку самолет обычно находится на некотором расстоянии. Звук очень похож на звук минометных мин , обычно используемых в фейерверках . Распространено заблуждение, что во время перехода от дозвукового к сверхзвуковому создается только один удар; скорее, стрела непрерывна вдоль ковра стрелы на протяжении всего сверхзвукового полета. Как выразился бывший пилот «Конкорда»: «На самом деле вы ничего не слышите на борту. Все, что мы видим, это волна давления, движущаяся по самолету – она указывает на приборы. И это то, что мы видим в районе 1 Маха. услышать звуковой удар или что-то в этом роде. Это похоже на след корабля – он позади нас». [11]
В 1964 году НАСА и Федеральное управление гражданской авиации начали испытания звуковых ударов в Оклахома-Сити , которые вызывали восемь звуковых ударов в день в течение шести месяцев. В ходе эксперимента были собраны ценные данные, но было подано 15 000 жалоб, которые в конечном итоге втянули правительство в коллективный иск, который оно проиграло в апелляционном порядке в 1969 году.
Звуковые удары также доставляли неудобства в Северном Корнуолле и Северном Девоне в Великобритании, поскольку эти районы находились под траекторией полета Конкорда. Окна дребезжали, и в некоторых случаях « поджигание » (указание на шифер крыши) смещалось вместе с вибрацией.
В этой области недавно проводились работы, в частности, в рамках исследований Тихой сверхзвуковой платформы DARPA. Исследования экспертов по акустике в рамках этой программы начали более внимательно изучать состав звуковых ударов, включая частотный состав. Некоторые характеристики традиционного звукового удара волны «N» могут влиять на то, насколько громко и раздражающе он будет восприниматься слушателями на земле. Даже сильные N-волны, например, генерируемые «Конкордом» или военными самолетами, могут быть гораздо менее нежелательными, если время нарастания избыточного давления достаточно велико. Появился новый показатель, известный как воспринимаемая громкость, измеряемая в PLdB. При этом учитывается частотный состав, время нарастания и т. д. Известный пример — щелканье пальцами, при котором «воспринимаемый» звук представляет собой не что иное, как раздражение.
Энергетический диапазон звукового удара сосредоточен в диапазоне частот 0,1–100 Гц , что значительно ниже, чем у дозвуковых самолетов, стрельбы и большинства промышленных шумов . Продолжительность звукового удара непродолжительна; менее секунды, 100 миллисекунд (0,1 секунды) для большинства самолетов размером с истребитель и 500 миллисекунд для космического челнока или реактивного лайнера Конкорд. Интенсивность и ширина траектории звукового удара зависят от физических характеристик самолета и способа его эксплуатации. Как правило, чем больше высота самолета, тем ниже избыточное давление на землю. Большая высота также увеличивает боковое распространение стрелы, открывая для стрелы большую площадь. Однако избыточное давление в зоне воздействия звукового удара не будет равномерным. Интенсивность удара максимальна непосредственно под траекторией полета и постепенно ослабевает по мере удаления от траектории полета самолета по горизонтали. Ширина зоны воздействия стрелы составляет примерно 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 сверхзвуковой скорости на высоте 30 000 футов (9 100 м), создаст боковой разброс стрелы на расстояние около 30 миль (48 км). Для устойчивого сверхзвукового полета стрелу называют ковровой стрелой, поскольку она движется вместе с самолетом, сохраняя сверхзвуковую скорость и высоту. Некоторые маневры, например пикирование, ускорение или поворот, могут привести к сосредоточению стрелы. Другие маневры, такие как замедление и набор высоты, могут уменьшить силу толчка. В некоторых случаях погодные условия могут искажать звуковые удары. [6]
В зависимости от высоты самолета звуковые удары достигают земли через 2–60 секунд после пролета. Однако не все грохоты слышны на уровне земли. Скорость звука на любой высоте является функцией температуры воздуха. Уменьшение или увеличение температуры приводит к соответствующему уменьшению или увеличению скорости звука. В стандартных атмосферных условиях температура воздуха снижается 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 (1 080 км/ч), но самолет должен двигаться со скоростью не менее 750 миль в час (1 210 км/ч) (1,12 Маха) для грохот, который будет слышен на земле. [6]
Состав атмосферы также имеет значение. Перепады температуры, влажность , загрязнение атмосферы и ветры могут повлиять 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 усиливать звук звукового удара. Точно так же травянистые поля и обильная листва могут помочь ослабить силу избыточного давления звукового удара.
В настоящее время не существует общепринятых стандартов приемлемости звукового удара. Однако ведется работа по созданию показателей, которые помогут понять, как люди реагируют на шум, создаваемый звуковыми ударами. [12] До тех пор, пока такие показатели не будут установлены либо путем дальнейшего изучения, либо путем испытаний сверхзвуковых полетов, сомнительно, что будет принят закон, снимающий текущий запрет на сверхзвуковые полеты, действующий в нескольких странах, включая Соединенные Штаты.
Треск, который издает кнут при правильном использовании, на самом деле является небольшим звуковым ударом. Конец кнута, известный как «взломщик», движется быстрее скорости звука, создавая таким образом звуковой удар. [2]
Кнут сужается от рукоятки к крекеру. Взломщик имеет гораздо меньшую массу, чем часть рукоятки. Когда кнут резко взмахивается, импульс передается по всей длине сужающегося кнута, а уменьшающаяся масса компенсируется увеличением скорости. Горили и МакМиллен показали, что физическое объяснение сложное и включает в себя то, как петля движется вниз по сужающейся нити под натяжением. [13]
