"Конкорд-2". Часть 4. Звуковой удар

Аватар пользователя kv1

Звуковой удар представляет собой резкое повышение давления, создаваемое летящим на сверхзвуке самолетом вдоль всей трассы полета. Точнее, сначала идет скачок давления от носовой части и передней кромки крыла, а потом следует скачок разрежения от задней кромки крыла и хвостовой части фюзеляжа. Интенсивность звукового удара определяется разностью давления между этими двумя пиками (давления и разрежения). На графике это выглядит в виде N-образной кривой (см. рис.). Для снижения звукового удара нужно уменьшать как пик давления, так и пик разрежения. Непосредственным источником звукового удара являются любые выступающие в поток части самолета, а также "пятна" давления под крылом, которые создают подъемную силу (это справедливо и для "пятен" разрежения над крылом - они непосредственно создают волну разрежения в верхнюю полусферу, а также "перетекают" через заднюю кромку крыла и создают волну разрежения в нижнюю полусферу). Поэтому интенсивность звукового удара возрастает при росте массы самолета (от нее зависит и "пятно" создающего подъемную силу давления, и мидель СПС). Распространяется звуковой удар в виде конуса, вершина которого совпадает с носом самолета, а ось направлена назад, и этот удар будет слышен на земле во всей полосе, охватываемой этим конусом. Примерная ширина этой полосы при полете на крейсерской высоте - 100 км. За ее пределами удара не будет вообще.

Вблизи самолета каждая выступающая часть создает свой "удар", поэтому мы фактически имеем два последовательных удара - от носа и от крыла. Однако скорость звука увеличивается с ростом плотности воздуха, поэтому более интенсивный удар "разгоняет сам себя" при положительном давлении и "тормозит сам себя" при отрицательном. На самолетах типа "Конкорда" или Ту-144, где наплывы крыла начинаются практически от самого носового конуса, это приводит к тому, что сильная волна от крыла по пути к земле догоняет более слабую волну от носа и поглощает ее, тем самым усиливаясь. Сзади аналогично - слабая волна разрежения от хвоста распространяется быстрее, чем сильная волна разрежения от задней кромки крыла, и в конце концов догоняет ее. В результате у земли образуется "идеальная" N-образная кривая - наихудший вариант из всех возможных (синяя кривая на рисунке).

Значительный вклад в звуковой удар вносят воздухозаборники. На существующих СПС они расположены под крылом, чтобы звуковой удар (то есть по сути область повышенного давления) создавал дополнительную подъемную силу. У Ту-144 эта "добавка" достигает 20%, у "Конкорда" - 10%. По данным моделирования, перенос воздухозаборников из-под крыла на верхнюю поверхность крыла уменьшает звуковой удар почти на треть. В этом случае, как говорится в известном фильме, "кто нам мешает - тот нам поможет". Создаваемый воздухозаборниками "положительный" звуковой удар гасится "отрицательным" звуковым ударом от области разрежения над крылом. Но область повышенного давления, создаваемая воздухозаборниками над крылом, уменьшает его подъемную силу. Поэтому, коли выбрана такая компоновка, располагать их нужно как можно ближе к задней кромке крыла или вообще за ней (все равно эта "положительная" волна догонит "отрицательную" волну от задней кромки).

На данный момент основным методом снижения звукового удара (помимо переноса воздухозаборников) считается его "дробление" на несколько более слабых ударов (скажем, волна с пиком в 100 Па дробится на две волны по 50 Па). Для этого расстояние между носом и крылом делают как можно больше, а носовую часть специально "притупляют", чтобы увеличить скорость и интенсивность первой волны. Если расстояние между пиками больше 1/20 секунды (что при двух "махах" соответствует расстоянию между носом и крылом порядка 25 метров), при давлении 50 Па первый пик успевает полностью "рассосаться" до прихода второго пика (от крыла), и суммарное пиковое давление не превысит 50 Па. Почему в этом примере именно 100 Па? Просто именно такое избыточное давление звукового удара от "Конкорда" (кстати, у более крупного Ту-144 оно примерно равно 110 Па). Но надо сразу сказать, что аэродинамику все эти меры ухудшают, поэтому неизбежной платой будет увеличение расхода топлива на крейсерском режиме.

Что касается задней части самолета (то есть волны разрежения), то довольно эффективен переход от треугольного крыла с прямой задней кромкой к стреловидному (кстати, это еще один плюс крылу изменяемой стреловидности). Как вариант можно использовать ступенчатую заднюю кромку (как у проекта Ту-444) или поперечную V-образность крыла. В последнем случае с точки зрения звукового удара крыло становится "виртуально стреловидным", но при этом не возникают присущие стреловидному крылу проблемы с прочностью и жесткостью, вынуждающие делать его значительно толще треугольного (с соответствующим увеличением миделя). Ну и расположение двигателей над крылом или за ним тоже приводит к "вычитанию" звукового удара от воздухозаборников из волны разрежения.

Субъективно звуковой удар воспринимается как раскат грома (в зависимости от интенсивности - близкий или дальний). Какой уровень звукового удара считается приемлемым? После испытаний сверхзвукового бомбардировщика "Валькирия" местные жители буквально завалили власти США судебными исками, причем некоторые их них касались не только морального, но и вполне себе материального ущерба (в первую очередь разбитых стекол). Американцы выяснили, что при уровне избыточного давления 25 Па жалоб не было вообще, при уровне 75 Па были немногочисленные жалобы, а при уровне выше 100 Па жалобы становились уже массовыми. На данный момент эксперты считают приемлемым уровень звукового удара 25 - 50 Па (при "пессимистичном" и "оптимистичном" сценарии соответственно). То есть даже по "оптимистичному" сценарию для "Конкорда" надо снизить звуковой удар как минимум вдвое. Сразу скажу, что официальных норм на звуковой удар (в отличие от шума) на данный момент нет, сверхзвуковые полеты (что военные, что гражданские) над жилыми районами просто запрещены. Однако определенная деятельность в этом направлении ведется, и в принципе возможно появление официальных норм вместо полного запрета. Поэтому нелишне прикинуть, до каких уровней можно реально снизить звуковой удар. Не забываем, что перспективный СПС должен вдобавок быть экономичнее СПС первого поколения, а все реальные меры по снижению звукового удара идут в ущерб аэродинамике и экономичности.

Кстати, при разгоне СПС на сверхзвуке нас поджидает еще одна гадость, которая называется "фокусировка звукового удара". Суть этого эффекта в том, что скорость ударной волны растет с ростом скорости самолета, поэтому на пути к земле более "поздняя" волна догоняет более "раннюю" от того же самолета и сливается с ней, в результате на некоторых участках местности волна оказывается в разы сильнее, чем при равномерном полете. Если будут приняты формальные ограничения, они будут распространяться на всю территорию без исключений. И что делать? Можно разгоняться над незаселенными участками (выбрать какое-нибудь большое озеро или лес), либо разгоняться очень плавно (но это невыгодно с точки зрения расхода топлива), либо разгоняться в пикировании... В любом случае это одна из проблем, которую нужно держать в голове при разговоре о концепциях СПС второго поколения. А что это за концепции - поговорим в следующей части.

Авторство: 
Авторская работа / переводика

Комментарии

Аватар пользователя mastak
mastak(8 лет 4 месяца)

yes

 

Добавьте к тексту ссылки на предыдущие части.

Аватар пользователя theTurull
theTurull(7 лет 6 месяцев)

не совсем понял только вот этот абзац

И что делать? Можно разгоняться над незаселенными участками (выбрать какое-нибудь большое озеро или лес), либо разгоняться очень плавно (но это невыгодно с точки зрения расхода топлива), либо разгоняться в пикировании... В любом случае это одна из проблем, которую нужно держать в голове при разговоре о концепциях СПС второго поколения. А что это за концепции - поговорим в следующей части.

а что, с высоты полета 10 км, на землю (h=0) приходит какой то удар??? 

я бы понял, когда разгон на сверхзвук шел на высоте от 500 м и выше (т.е. и разгоняемся и набираем высоту одновременно).

но что мешает, сначала набрать эшелон, а потом уже переходить на сверхзвук?!?!

Аватар пользователя PersonaNonGrata
PersonaNonGrata(7 лет 1 месяц)
При проходе Ту-160 на высоте 300-500 метров и скорости около 1500 км/час (в теории, фактически такой режим для Ту-160 невозможен) на земле в строениях будут выбиты все стёкла (даже с рамами), а люди сбиты с ног и контужены. Именно по этой причине в СССР полёт со сверхзвуковой скоростью любого самолёта был запрещён ниже высоты 12 км
Отсель
Аватар пользователя valeryma
valeryma(6 лет 5 месяцев)

Во времена СССР жил в Луцке. Рядом, в Киверцах, базировался авиаполк, сначала на Су-7, потом на Су-17. Летали очень интенсивно. Удар от сверхзвука, достаточно громкий, над городом, был вполне обычным явлением, народ даже не дергался, только морщился недовольно.  И то, сидишь дома, мучаешь домашнюю по алгебре, а над головой ба-бах, опять ба-бах.

Не думаю, что они на высоте 12 км это делали. Вряд ли Су-17 вообще на 12 км поднимется.

Аватар пользователя PersonaNonGrata
PersonaNonGrata(7 лет 1 месяц)

Не буду спорить. Во времена СССР каждое лето загорал и купался сравнительно недалеко (5-10 км ближе не подойдешь) от Багеровского аэродрома (Крым). Сверхзвука в конце 70-х, начале 80-х там уже не было (а может уже меня склероз одолел), но, блин, когда лежишь на пляже, а над тобой парочка заходит на посадку, то шум был мама не горюй.

ЗЫ СУ-17 - потолок практический 14 и более км. (от модификации)

Аватар пользователя kv1
kv1(5 лет 2 недели)

Имейте в виду, что взлетный вес Су-17 примерно в 10 раз меньше, чем у Конкорда.

Аватар пользователя cr4zyr0m
cr4zyr0m(8 лет 4 месяца)

я как-то всегда думал о проблеме удара который накапливается именно в процессе перехода от дозвука к сверхзвуку, и совсем не думал про этот постоянный конус. А что с той волной на переходе? Она наверное вообще даже не создаёт проблем, ведь напоравлена вперёд? Хотя и давление там будет очень неслабое.

Аватар пользователя kv1
kv1(5 лет 2 недели)

Почему вперед? Она всегда направлена назад, просто угол конуса меняется. По мере разгона конус становится все уже и наклонная дальность до земли все больше, но и интенсивность звуковой волны от выступающих частей с ростом скорости увеличивается.

Аватар пользователя cr4zyr0m
cr4zyr0m(8 лет 4 месяца)

Вы рассказывали про случай 3, полёт на сверхзвуке создаёт конус.

А я всегда думал что проблемный только случай 2, когда в момент перехода, самолёт летит на скорости звука и все круги складываются. Но при этом, обратите внимание, суперволна направлена вперёд, а не вверх и вниз как конус из 3. В случае 2, если самолёт пролетит некоторое время на скорости звука, то там наскладывается и 200 и 300 Па, наверное, и больше.

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 4 месяца)

Вы ошибаетесь. Перепад давления на ударной волне с ростом скорости - растет. Никакой суперволны не существует.

Короче, в "Прикладной газовой динамике" Абрамовича все написано, с формулами и картинками :)

Аватар пользователя ИЮЛь Майский

Не думаю, что они на высоте 12 км это делали.

Интенсивность скачка уплотнения при подобии скоростей, дальности наблюдателя и аэродинамической компоновки зависит от характерного размера летательного аппарата. СУ-17 существенно меньше самолётов типа "Конкорд/Ту-144.

Аватар пользователя kv1
kv1(5 лет 2 недели)

Все цифры для крейсерского полета на высоте порядка 16 км. При сверхзвуковом полете на 500 м вообще стекла выбивает. 

Аватар пользователя valeryma
valeryma(6 лет 5 месяцев)

Слышал байку, якобы во времена ирано-иракской войны иракские летчики летали на МиГ-25 на сверхзвуке на предельно малой высоте над иранскими позициями, что выводило из строя целые иранские батальоны и полки по причине разрыва у военных барабанных перепонок.

Аватар пользователя Muller
Muller(9 лет 3 месяца)

Лет 12 назад истребитель перешел на сверхзвук на небольшой высоте на границе Московской и Смоленской области. Звук слышала вся Москва.

Аватар пользователя shprotas
shprotas(5 лет 2 месяца)

90ые. Вечер, сидим телек смотрим, вдруг бабабах. Стекла дрожат, машины за окном орут. На утро узнали, что над городом митеран пролетал на конкорле, говорили, что в пекин. Прибалтика от франции далеко, летел явно высоко. А громкость взрыва была похожа на громкость грома от очень близкой (1сек) и сильной молнии.

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(9 лет 4 месяца)

В 90-е ? Вроде раньше, в эпоху СССР. Редкий случай появления Конкорда на советских аэродромах - дальность-то у него - 6500км, а от Парижа до Пекина - 8000. А до Токио и вовсе 9700. Без дозаправки никак.

http://s7-direct-line.livejournal.com/207795.html

Аватар пользователя shprotas
shprotas(5 лет 2 месяца)

89 тоже подходит:) Получилось как в том анекдоте- не в пекин, а в японию, не в середине 90, а в конце 80ых.

 

Аватар пользователя PersonaNonGrata
PersonaNonGrata(7 лет 1 месяц)

Чет мне кажется, что только полеты по баллистической траектории реализуют желание людей "быстрее, выше, дальше" ...

Аватар пользователя mastak
mastak(8 лет 4 месяца)

С промежуточным полетом через стратосферу.

Аватар пользователя Ice
Ice(4 года 9 месяцев)

Антигравитация это настолько далёкое будущее что пока об этом можно забыть.

мастак, так конкорд итак в стратосфере летал )))

Аватар пользователя PersonaNonGrata
PersonaNonGrata(7 лет 1 месяц)

При чем здесь антигравитация ? Вы же в курсе о траектории баллистической ракеты ?

Другое дело - сколько энергии надо затратить на достижение результата. И насколько удобно шариться с околокосмическими скоростями

Аватар пользователя Ice
Ice(4 года 9 месяцев)

А как вы собирайтесь бороться с перегрузками на разгоне, и невесомостью на этапе свободного падения? Проблема именно в этом. Получится что сначала всех пассажиров расплющим, потом все массово начнут блевать. Почитайте про тошнолёт. Сомнительное удовольствие летать на таком чуде.

Аватар пользователя PersonaNonGrata
PersonaNonGrata(7 лет 1 месяц)

Я же написал

Другое дело - сколько энергии надо затратить на достижение результата. И насколько удобно шариться с околокосмическими скоростями

Т.е. не предлагаю никаких вариантов решения этой проблемы. А то, что она есть, так это не секрет.

Аватар пользователя dil62
dil62(4 года 2 месяца)

Читаю и ощущение, что Конкорд был последним СПС. Позабавились и хватит, надо народ возить... ((

Аватар пользователя nehnah
nehnah(8 лет 7 месяцев)

Ну почему-же, для госнужд спецборт сделать на основе опыта эксплуатации Ту-160, по моему, вполне разумно. Ну а далее, кто знает, возможно будут решены и прочие вопросы, которые сделают сверхзвук обыденным. Типа того как на земле, в том-же Китае стали обыденными железнодорожные ВСМ... ;-)

Тем более что сверх- и гиперзвуковая аэродинамика в РФ вне конкуренции...

Аватар пользователя VDF
VDF(4 года 7 месяцев)

По теме.

Комментарий администрации:  
*** Уличен в систематической дезинформации, пример - https://aftershock.news/?q=node/843533 ***
Аватар пользователя on_to_rotor
on_to_rotor(5 лет 9 месяцев)

Чем больше я читаю материала на эту тему, тем больше мне представляется, что сверхзвук для пассажиров был предназначен прежде всего для освоения военной тематики. По крайней мере, в СССР.

Однако, тут получилось всё наоборот, чем в случае с космосом.

Поэтому сверхзвук появится для бизнес-элиты и для богатых фриков. Мест, эдак, на 15-25. Остальные будут дожидаться новых технологий или летать на тёплом ламповом дозвуке...

Аватар пользователя Хмурый ослик
Хмурый ослик(5 лет 7 месяцев)

Звуковой удар невозможно "уменьшить" в принципе.

Аватар пользователя ИЮЛь Майский

Примерная ширина этой полосы при полете на крейсерской высоте - 100 км. За ее пределами удара не будет вообще.

Принципиально неверно. Чёткой границы у скачка уплотнения нет. Просто на большом удалении интенсивность его настолько мала, что становится сравнимой с флуктуациями атмосферного давления.

Аватар пользователя Ёлка-ёлка
Ёлка-ёлка(6 лет 2 месяца)

хотел много написать критики (не автора, а идеи СПС2), но подожду финальную часть.

Аватар пользователя Просто Владимир

На высоте 12 км плотность воздуха ниже в 4 раза. Поэтому сверхзвуковой полёт нужно проводить именно выше 12 км. Разница давлений будет много меньше чем в нижних слоях . Поэтому и ударная волна будет много слабее. Пока дойдёт до земли она почти  погаснет.Ударной волны на земле не будет И уходить на сверхзвук там же. Что бы снизить акустический удар... нужно убрать хвостовой оперение.

 

Комментарий администрации:  
*** Отключен (возбужденная политота в ассортименте) ***