Эрнст Мах. Идеалист с материалистическими наклонностями:-).
В сегодняшней небольшой статье немного пройдемся по теоретическим основам и коснемся одной из важнейших характеристик полета летательных аппаратов на большой скорости, в том числе и сверхзвуковой.
Сверхзвук и число Маха … Эти два понятия довольно тесно связаны и в наше время нет, наверное, ни одного человека, который бы так или иначе не слышал о числе М . Обычно этот термин сопровождает характеристики любого сверхзвукового (и даже просто скоростного) самолета. А самолетов таких у в мире сейчас немало и число их, я думаю, вряд ли будет уменьшаться:-).
Но ведь еще совсем не так давно теория сверхзвуковых течений была именно теорией, к тому же делающей, всего лишь, первые шаги. Фундаментальные основы она начала приобретать только около 140 лет назад, когда немецкий ученый и философ Эрнст Мах занялся исследованиями аэродинамических процессов при сверхзвуковом движении тел. В тот период он открыл и исследовал некоторые явления аэродинамики сверхзвука, получившие впоследствии свое название в его честь. В их ряду стоит и число Маха .
Интересен тот факт, что в советской науке (и в научной литературе, в особенности до войны и сразу после нее) этот термин часто употреблялся либо без расшифровки (просто число М, слово «Мах» не употеблялось), либо с использованием второй фамилии - Маиевский. То есть число Маха-Маиевского .
Все это было следствием нашего тогдашнего идеологического состояния. Эрнст Мах по своим философским взглядам (он был, по словам В.И.Ленина «субъективным идеалистом») не очень-то вписывался в рамки марксистско-ленинской философии, а Н.В.Маиевский был русским ученым, который занимался, в частности, проблемами внешней баллистики.
Внешняя баллистика — наука, исследующая движение тел после их выхода из устройства, придавшего им это движение, то есть, например, полет снаряда после его выхода из ствола артиллерийского орудия. Снаряд при этом летит с очень большой скоростью, в том числе и сверхзвуковой.
Вполне закономерно, что Н.В.Маиевский в своих исследованиях и разработках (передовых для своего времени и ставших впоследствии фундаментальными) оперировал понятием, аналогичным числу Маха , причем лет на 15 раньше своего немецкого коллеги.
А самое главное (для официальной идеологии:-)) было то, что русский ученый не был философом 🙂 и не имел взглядов, противоречащих марксистско-ленинской науке 🙂 …
Однако, как бы то ни было, сегодня едва ли не самое главное определение для сверхзвука носит имя (точнее фамилию:-)) немца Эрнста Маха. И само по себе это слово уже давно перестало быть просто фамилией. Мах, он мах и есть 🙂 . Только скорость, только полет 🙂 …
Вернемся, тем не менее, к конкретике. Что же такое это самое число М , и зачем оно вообще-то нужно в авиации? Ведь летали же себе люди раньше на дозвуковых скоростях безо всяких чисел Маха, да и сейчас подавляющее большинство летательных аппаратов на земле - дозвуковые. Однако, не все так просто, как выглядит:-).
При любом полете аппарата тяжелее воздуха одним из самых важных его параметров является . Способов измерения скорости на сегодняшний день, вобщем-то, предостаточно:-). Для примера, параметры движения самолета относительно воздушной среды можно измерить следующими способами: ультразвуковой, термодинамический, тепловой, турбинный, манометрический.
А (то есть скорость относительно земли) можно измерить допплеровским, корелляционным, радиационным способом, а также способом визирования земной поверхности.
Но самый, так сказать, простой и логичный, давно применяющийся, а поэтому, естественно, проработанный и привычный все же аэрометрический (точнее говоря, аэродинамический) способ. С его помощью как раз и замеряется воздушная скорость самолета и число Маха .
Однако способ этот имеет определенные недостатки. Сам принцип его достаточно прост, и о нем мы уже . Воздух, набегая на летательный аппарат, в результате своего движения обладает некоторой кинетической энергией или, попросту говоря, скоростным напором (ρV²/2 ).
Попадая в приемник воздушного давления ( , или ) он тормозится, и его напор превращается в давление на мембрану стрелочного прибора-указателя. Чем быстрее летит самолет, тем больше скоростной напор, тем большую скорость показывает стрелка прибора. То есть, вроде бы, все как по нотам.
Но не тут-то было:-). Пока летательный аппарат летит не очень быстро (примерно до 400 км/ч) и не слишком высоко (тысяч где-то до 2-ух, 3-х) все действительно разворачивается просто и закономерно. А далее ноты начинают врать:-)…
Воздух взаимодействует с аэродинамическими поверхностями самолета, определяя тем самым параметры его полета. А эти параметры зависят от параметров состояния воздуха, как газа, которые, конечно, зависят от условий, в которых находится данный объем газа.
Например, с высотой падают . А чем плотность ниже, тем меньше будет скоростной напор, с которым набегающий поток давит на мембрану указателя скорости.
То есть получается, что если прибор в кабине пилота показывает одинаковую скорость на высотах, к примеру, 2000 м и 10000 м (), то на самом деле это означает, что самолет на 10000 м относительно воздуха (и земли, конечно, тоже:-)) движется значительно быстрее (). Все из-за того, что воздух на высоте разрежен.
Плюс еще такая, не совсем, мягко говоря, удобная для полета вещь, как сжимаемость . Воздух — это газ, и, как любой газ, его можно при определенных условиях сжать, тем самым меняя параметры его состояния. Такие условия появляются при обтекании аэродинамических поверхностей на достаточно больших скоростях полета (формально отсчет начинают от 400 км/ч ).
Воздух перестает быть однородной, одинаковой во всех направлениях средой, каковой он считается (хоть и довольно приближенно) для малоскоростных летательных аппаратов. Создаются условия для возникновения так называемых скачков уплотнения, меняются скорости движения воздушного потока на различных участках аэродинамической поверхности (профиля крыла, например), происходит сдвиг точки приложения аэродинамических сил, то есть меняется сам характер обтекания и, в конечном итоге, параметры управляемости летательного аппарата. То есть говоря «умными» терминами теории сверхзвука:-), начинается волновой кризис .
Однако, о нем мы еще будем говорить в дальнейшем. А пока можно заметить, что все эти процессы зависят от параметров воздушной среды и технико-конструктивных свойств самого летательного аппарата.
Чтобы описать аэродинамические свойства самолета во взаимодействии со средой, одной скорости движения бывает недостаточно. Ведь ее измеренная величина, качественно сама зависящая от параметров этой среды, не всегда характеризует истинную картину обтекания (как в примере выше).
Здесь нужен такой критерий, который бы учитывал «в себе» параметры потока и, опираясь на который, можно было бы всегда правильно охарактеризовать аэродинамические свойства летательного аппарата вне зависимости от условий полета.
Говоря это, я как раз и имею в виду число М . И слово «критерий» употребляю не случайно. Дело в том, что число Маха – это, говоря языком физики, один из критериев подобия в газовой динамике .
Смысл этого слегка замысловатого названия на самом деле прост и заключается в том, что если две или более физические системы имеют однотипные критерии подобия, равные по величине, то это означает, что рассматриваемые системы подобны , то есть похожи или, говоря совсем упрощенно (:-)) одинаковы.
Применительно к нашему авиационному случаю это может выглядеть, например, так. Воздушный поток на двух различных высотах (допустим те же 2000 и 10000 м), взаимодействующий с нашим летательным аппаратом – это и есть две физические системы.
Однако, если на этих высотах одинаковы, то это вовсе не означает, что указанное взаимодействие тоже будет одинаковым, скорее как раз наоборот. То есть скорость не может быть критерием подобия, и эти две системы в такой ситуации вовсе не подобны.
Однако, если мы говорим о том, что самолет на различных высотах (и вообще в различных условиях) летит с одинаковым числом Маха, то вполне правомерно утверждать, что условия обтекания и аэродинамические свойства на этих высотах (в этих условиях) будут одинаковы.
Здесь обязательно стоит сказать, что это утверждение, несмотря на свою верность, опирается, однако, на немалые упрощения. Первое – это то, что число Маха , хоть и основной для нас критерий подобия в газодинамике, но не единственный. А второе исходит из определения самого числа М .
Эрнст Мах, проводя свои исследования, вряд ли задумывался о применении их результатов в авиации:-). Ее тогда попросту не было. Определение было чисто научным и физически точным. Число Маха – это безразмерная величина, равная отношению скорости потока в данной точке движущейся газовой среды к скорости звука в этой точке.
То есть М = V/ a , где V – скорость потока в м/с, а – скорость звука в м/с. Таким образом число М как бы учитывает в себе скорость движения плюс изменение параметров воздушной среды через скорость звука, которая как раз от этих параметров и зависит.
Число Маха величина безразмерная. В единицах скорости выразить его невозможно, и перевод его в линейную скорость нецелесообразен из-за непостоянства скорости звука. Скорость летательного аппарата, используя число М , можно выразить только качественно, то есть оценивая, во сколько раз скорость самолета больше, либо меньше скорости звука.
При этом формат записи значений может быть как с использованием знака равенства, так и без него. Например запись М3 (как и М=3) может означать, что скорость летательного аппарата превысила скорость звука в три раза.
Упрощения применительно к авиации состоят в том, что скорость потока заменена на скорость движения физического тела в газовой среде, то есть имеется в виду движения самолета. За скорость звука принимается скорость звука на высоте полета. При этом, однако, не учитывается, что поток возле тела сложной формы, коим летательный аппарат и является:-), может иметь самые различные значения вблизи различных участков поверхности этого тела.
Указатель числа М на приборной доске сверхзвукового "Конкорда" (правый нижний угол). Над ним указатель скорости.
Однако, несмотря на достаточную некорректность упрощений, концепция числа Маханашла в авиации очень широкое применение. Причем не только на сверхзвуковых самолетах, для которых сведения о числе М , так сказать, жизненно необходимы:-), но и на многих дозвуковых современных самолетах.
Ведь скорости их, хоть и дозвуковые, достаточно велики. К тому же практические высоты полетов тоже немаленькие. Так как скорость звука с высотой ощутимо падает, то возникает целесообразность на больших высотах использовать при пилотировании число Маха .
Для этого есть, по крайней мере, две причины. Во-первых, из-за большой разницы , о чем я упоминал выше (лишние погрешности, к тому же очень ощутимые, никому не нужны:-)), а, во-вторых, для возможности оценки приближения волнового кризиса.
Дело в том, что для каждого типа летательного аппарата его проявления имеют место при определенных значениях числа М. В связи с этим практически все современные лайнеры имеют полетные ограничения по числу Маха для обеспечения устойчивого управления. Пилот при управлении самолетом следит за тем, чтобы это ограничение не было превышено.
Указатель приборной скорости и числа М (в центре) на приборной доске самолета ЯК-42.
Указатель истинной воздушной скорости и числа М (в центре) на приборной доске Boeing-747.
Таким образом число М - это не скорость в чистом виде, но, тем не менее, важный параметр, позволяющий экипажу правильно оценивать условия полета и осуществлять безопасное и точное управление летательным аппаратом.
Для получения информации о числе Маха практически все современные скоростные самолеты имеют в кабине экипажа указатель числа М. В просторечии его иногда именуют махметром . В большинстве случаев он представляет собой стрелочный указатель по типу указателя скорости. Такие приборы могут выдавать либо только значения числа Маха, либо могут быть объединены (скомбинированы) с указателем скорости, истинной или приборной.
Указатель числа М.
Указатель скорости УС-1600.
Указатель истинной скорости и числа М УСИМ-И. Такого типа указатель стоит на самолете МИГ-25.
Указатель истинной скорости и числа М (слева вверху) на приборной доске сверхзвукового МИГ-25.
Часто указатели числа М выполняют со специальным сигнализатором , который в нужный момент выдает предупреждение экипажу о превышении какого-либо порогового значения этого числа.
МС-1. Указатель числа М с электрической сигнализацией.
По своей конструкции и принципу действия указатель числа М вобщем-то аналогичен . Но для учета изменения условий с высотой в него добавлена анероидная коробка , реагирующая на изменение давления.
Кинематическая схема указателя числа М.
Подавляющее большинство современных самолетов летает все-таки на дозвуке . Этому режиму соответствует число Маха менее 0,8 . Следующие режимы полета, на которых М принимает значения от 0,8 до 1,2 объединены под названием трансзвук . А когда число М меняется от 1,0 до 5,0 , то это уже чистый сверхзвук , зона сверхзвукового полета современных военных самолетов.
Есть, правда, экземпляры напрямую к армии не относящиеся, более того достигающие скоростей, на которых число Маха превышает пять единиц. Это уже зона гиперзвука . Однако говорить об этих полуэкзотических аппаратах и режимах их полета мы будем уже в следующих статьях общей темы, посвященной сверхзвуку.
До новых встреч:-).
Фотографии кликабельны .
Которые достигнут скорости 6-8 Махов, должны появиться до конца 2020 года. Об этом на днях заявил гендиректор корпорации «Тактическое ракетное вооружение» Борис Обносов.
Это новые запредельные скорости. Гиперзвук начинается с 4,5 Махов. Один Мах - это 300 м/с, или 1 тысяча км/ч. Создать такие системы оружия, которые набирают скорость в атмосфере, превышающие 4,5 Маха – огромная научно-техническая задача. Тем более, речь идёт о достаточно продолжительном полёте в атмосфере. На баллистических ракетах эта гиперзвуковая скорость кратковременно достигается, – отметил Обносов, добавив, что пилотируемые гиперзвуковые полеты – это вопрос, который решится между 2030 и 2040 годами.
И здесь сразу же возникает вопрос гонки в области высокоскоростного неядерного оружия. Так, 21 ноября в приложении к «Независимой газете» - «НВО» - вышла статья «Новая гонка высокоскоростных вооружений» содиректора Программы по ядерной политике и старшего научного сотрудника Фонда Карнеги за международный мир Джеймса Эктона. Эксперт считает, что в последнее время появляются четкие признаки назревания новой гонки сверхскоростных вооружений дальнего действия, которая может оказаться весьма опасной. Так, в августе США и Китай с интервалом в 18 дней испытали ракетно-планирующее оружие. Что касается России, то военно-политическое руководство также не раз делало заявления о разработках гиперзвукового оружия.
Самая серьезная угроза – применение ракетно-планирующего оружия в неядерном оснащении в ходе конфликта. Это чревато новым риском его эскалации вплоть до перерастания в ядерный, - пишет Эктон.
Отметим, что работы по созданию гиперзвуковых крылатых ракет, самолетов и управляемых боеголовок в мире ведутся очень давно, но пока не вышли из разряда опытных разработок. Российские зенитные управляемые ракеты ЗРК С-300 и С-400 летают на гиперзвуке, но недолго, так же как и боевые блоки МБР (межконтинентальных баллистических ракет) в момент входа в плотные слои атмосферы.
Соединенные Штаты работают сразу над несколькими перспективными «гиперзвуковыми» проектами: планирующей бомбой AHW (Advanced Hypersonic Weapon) (разработки ведутся под эгидой Сухопутных войск США), беспилотными гиперзвуковыми аппаратами Falcon HTV-2 (с 2003 года разрабатывается Агентством министерства обороны США по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA)) и X-43 (построен по программе NASA «Hyper-X»), крылатой гиперзвуковой ракетой Boeing X-51 (разработана консорциумом, куда входят ВВС США, Boeing, DARPA и др.) и рядом других программ.
Самая перспективная из них – ракета Boeing X-51 (утверждается, что она поступит на вооружение в 2017-м). Так, в мае 2013 года она была запущена с борта самолета B-52 на высоте 15200 метров и затем с помощью ускорителя поднялась на высоту 18200 метров. В ходе полета, который продолжался в течение шести минут, ракета X-51A развила скорость в 5,1 Маха и, пролетев расстояние в 426 километров, самоуничтожилась.
Активен в «гиперзвуковой» сфере и Китай. Помимо пока неудачных испытаний гиперзвукового планирующего аппарата WU-14 (судя по всему, частично скопирован с экспериментального гиперзвукового беспилотного летательного аппарата X-43), Поднебесная ведет разработки реактивной гиперзвуковой крылатой ракеты.
Что касается России, то в августе 2011 года Борис Обносов сообщал, что его концерн приступает к разработке ракеты, способной развивать скорость до 12-13 Махов. Есть основания полагать, что речь шла о противокорабельной ракете, которая «засветилась» в прессе под названием «Циркон». Однако, учитывая успешные испытания американской X-51А, российским разработчикам в перспективе надо представлять не один комплекс, а целую линейку ударных гиперзвуковых систем.
Тем более что в Советском союзе был сделан неплохой задел. Так, с конца 50-х годов в ОКБ А.Н.Туполева велись работы по созданию гиперзвукового самолета, запускаемого ракетой-носителем, – Ту-130. Предполагалось, что он будет лететь со скоростью 8-10 Маха на расстояние до четырех тысяч км. Но в 1960 году все работы, несмотря на явные успехи, были свернуты. Интересно, что американский HGB - прототип американской гиперзвуковой системы AHW, внешне очень похож на советский Ту-130. Что касается отечественных разработок в области гиперзвуковых ракет, то в СССР они активно велись, начиная с 1970-х годов, однако в 1990-е практически сошли на нет. В частности, «НПО машиностроения» создавало ракету «Метеорит», а позднее начало работы на аппаратом с шифром «4202»; МКБ «Радуга» в 1980-х начало проект Х-90 / ГЭЛА; в 1970-х годах на базе ракеты комплекса С-200 была создана ракета «Холод».
Военный эксперт Виктор Мясников замечает: гиперзвуковая ракета необходима для мгновенного упреждающего и обезоруживающего удара, чтобы противник не сумел среагировать на атаку.
Ракета, летящая со скоростью 10-15 Махов, сможет достигать любой точки планета в несколько десятков минут, причем толком зафиксировать и перехватить ее никто не успеет. При этом можно обойтись и без «ядерной начинки», поскольку ракеты с обычным взрывчатом веществом и так гарантировано выведут из строя узлы связи и управления противника. Поэтому американцы вбухивают в свои проекты AHW, Falcon HTV-2 и X-51A огромные деньги, торопясь их поскорее завершить, чтобы контролировать весь мир и диктовать ему свою волю.
Но на данный момент мы можем говорить о гонке технологий, но не о гонке гиперзвуковых вооружений, потому что такого оружия пока не существует. Чтобы оно появилось, ведущим державам придется решить массу проблем, в частности, как «научить» ракету или аппарат летать в атмосфере, где есть пока непреодолимые факторы - сопротивление среды и нагрев. Да, сегодня ракеты, которые уже ставятся на вооружение, достигают скорости 3-5 Махов, но - на достаточно коротком расстоянии. И это не тот гиперзвук, который подразумевают, когда говорят о гиперзвуковом оружии.
В принципе, технологический путь развития высокоскоростного оружия во всех странах одинаков, ведь физика, как известно, не зависит от географии и общественного строя. Тут ключевой момент в том, кто быстрее преодолеет технологические и научные сложности, кто создаст новые стойкие материалы, высокоэнергетическое горючее и т.д., то есть многое зависит от таланта и оригинальности идей разработчиков.
Так что, вопрос этот системный, поскольку для создания такого оружия нужно развивать научные, технические и технологический секторы, что довольно дорого. И чем дольше будет идти такой процесс, тем дороже он будет обходиться бюджету. А в наших НИИ привыкли работать не торопясь: есть темы, которые ученый готов разрабатывать годами, тогда как для армии и промышленности требуются оперативные решения. За рубежом в этом плане все продвигается гораздо быстрее, потому что там – конкуренция: кто быстрее успел запатентовать разработку, тот и получил прибыль. У нас же вопрос прибыли не ключевой, поскольку из бюджета деньги и так выделят…
Удастся ли России создать гиперзвуковое оружие с нашими известными проблемами в «оборонке» после 90-х годов - большой вопрос. В СССР разработка гиперзвуковых ракет велась, но после развала Союза дальнейшее развитие такого вооружения проходило на уровне развития отдельных систем.
Мы уже давно живем в условиях применения гиперзвуковых боевых частей межконтинентальных баллистических ракет: их ядерные блоки на пассивном участке идут со скоростью 7-8 Махов, говорит главный редактор журнала «Арсенал Отечества», член Экспертного совета председателя Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ Виктор Мураховский.
Так что, ближайшее десятилетие принципиально нового мы ничего не увидим. Увидим только новые технические решения, которые позволят на гиперзвуке выводить средства, не относящиеся к баллистическим ракетам. А для систем ПРО, которые в некоторых странах есть или перспективно разрабатываются, по сути, нет различий, что за цель идет на гиперзвуке – боеголовка или летательный аппарат.
«СП»: - ЗРК С-400 «Триумф» способен работать по гиперзвуковым целям...
И даже С-300ВМ «Антей-2500», правда, по ракетам малой и средней дальности. А уж С-400 и С-500 вообще считаются средствами ПРО ТВД (театра военных действий – СП»), как и американская система Aegis.
США, конечно, тема гиперзвукового оружия волнует не в смысле совершенствования ядерного вооружения - они не собираются слишком серьезно развивать свои стратегические силы, а в плане реализации концепции быстрого глобального удара. И здесь применять МБР в неядерном оснащении невыгодно, так как ПРО противника все равно приравняет ракеты к ядерным, поэтому Штаты и делают ставку на аэродинамические системы.
Опытные образцы есть, испытания идут, однако я не рискну сказать, что гиперзвуковая крылатая ракета или гиперзвуковой летательный аппарат появятся на вооружении крупнейших держав через 5-10 лет. Так, разговоры о электрохимических и электромагнитных пушках идут уже около 15 лет, но пока – все никак.
Что касается гонки высокоскоростных вооружений, но, на мой взгляд, она не то, чтобы началась, она - не прекращалась. Да, США и Россия заключили в 1987 году Договор о ликвидации ракет средней и меньшей дальности (от 500 до 5500 км – «СП»), но я не думаю, что гиперзвуковые ракеты и аэродинамические аппараты будут оснащаться ядерными боеголовками, потому как технология МБР отработана десятилетиями, и она показывает высокую надежность при контрольных пусках.
Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. Понятие скорости известно нам ещё со школьной скамьи. Если говорить о её физической сущности, то это – расстояние, пройденное движущимся телом (материальной точкой) за определённый промежуток времени.
В качестве расстояния выступают как системные, так и внесистемные единицы (метры, мили, углы и др.), время же определяется в секундах или часах. Таким образом, скорость можно выразить многообразием величин, таких как метр в секунду (м/сек), километр в час (км/час), радиан в секунду (1/сек) и т.д.
Несмотря на то, что вышеупомянутые обозначения скорости без труда конвертируются одно в другое, существует ряд областей, где удобно (или исторически принято) измерять скорость в специфических единицах .
Например, моряки предпочитают «узел» (морская миля в час). В астрономии пользуются лучевой (радиальной) скоростью, в космонавтике – космическими скоростями (там их три).
В авиации же, где приходится иметь дело со сверхзвуковыми скоростями, точкой отсчёта, как правило, служит скорость распространения звуковых волн в газообразной среде (проще – скорость звука в воздухе).
Это обусловило появление такой единицы измерения, как «число Маха » (в честь австрийского физика-экспериментатора в области аэродинамики Эрнста Маха). Зачем это нужно, поговорим ниже (а попутно отметим, что к фразе «дал(а) маху» этот учёный отношения не имеет).
Особенности скорости звука
Отличительной чертой скорости звука является то, что она изменяется в зависимости от характера окружающей среды .
В частности, в чугуне скорость звука приблизительно равна 5000 м/сек, в пресной воде – 1450 м/сек, в воздухе – 331 м/сек (1200 км/час). Определение «приблизительно» выбрано неслучайно, поскольку на быстроту прохождения звуковых колебаний влияют и другие факторы.
Для интересующей нас воздушной среды факторами , влияющими на скорость звука, являются:
- температура (Т);
- давление (Р);
- плотность (p);
- влажность (f).
Перечисленные показатели тесно взаимосвязаны между собой (так, плотность является функцией от температуры, давления и влажности), а также с высотой над уровнем моря. Влияют они и на скорость звука.
Наглядно эта взаимосвязь показана в нижеприведённой таблице (по данным ИКАО).
Главное тут то, что скорость звука существенно меняется в зависимости от высоты.
1 Мах - это сколько километров в секунду
Непостоянство скорости звука (в отличие от скорости света) явилось одной из причин того, что в аэродинамике стали пользоваться параметром, получившим название «Мах».
Мах характеризует движение летательного аппарата (ЛА) в воздушном потоке, иными словами, показывает соотношение между скоростью звука в воздушной среде, обтекающей ЛА, и скоростью самого ЛА. То есть является безразмерной единицей.
1 Мах на приборной доске кабины пилота означает, что самолёт движется со скоростью звука на конкретной высоте .
Если самолет превысит скорость распространения звука на этой высоте в два раза, то на приборной панели будет красоваться 2 Мах (2 М). Общая формула расчета выглядит так:
В литературе встречается и упрощенный подход, где число Маха переводится в линейную скорость (километры в час или в секунду). В качестве эталонной единицы 1 Мах принимается равным 1 198,8 км/час или 333 м/сек , что эквивалентно скорости звука при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) и нулевой температуре и влажности у поверхности Земли.
Но, как отмечено выше, атмосферные условия меняются с набором высоты, поэтому такой подход не считается корректным и не используется в математических расчётах по аэродинамике.
Когда высоко в небе мы видим реактивный самолёт, оставляющий за собой белый газовый шлейф, а в какой-то момент слышим характерный хлопок, это значит, что самолёт преодолел звуковой барьер , то есть превысил значение 1 Мах (Мах˃1).
В справочной литературе указано, что максимальная скорость истребителя МиГ-29 составляет 2,3 Маха или 2450 км/час. Получается, что в данном случае 1 Мах = 1065 км/час (295,8 м/сек). Сравнив это значение с табличными данными (см. выше), увидим, что оно соответствует высоте порядка 18 000 м, что на самом деле и является практическим потолком МиГ-29.
Подытожим . Отвечая на вопрос «какова скорость 1 маха в километрах в час» мы должны, уточнить о какой высоте полета идет речь. Посмотреть на приведенную выше таблицу и взять наиболее близкое к нужной высоте значение скорости звука и умножить его на единицу (1 Мах) или на 27, как в случае со скоростью Авангарда (об этом читайте ниже).
27 Махов - это мечта или реальность
- Скорость от 1 до 5 Махов считается сверхзвуковой
- Более 5 Махов – гиперзвуковой
- 23 Маха – это уже первая космическая скорость
А вот о скорости в 27 Махов заговорили в конце 2018 года, когда гиперзвуковая ракета боевого назначения «Авангард» преодолела этот рубеж на пусковых испытаниях, что сделало её недосягаемой для средств противовоздушной обороны противника.
Если принять упрощённый подход, о котором говорилось выше, то 27 Махов – это порядка 9 000 м/сек или 32 400 км/час. Но это у поверхности Земли. На высоте в 10 км это будет уже порядка 8 000 м/сек (27 х 299,5) или 28 800 км/час. В любом случае трудно себе представить, что материальное тело может летать с такой скоростью.
Хотя, что я говорю? Посадочные модули космических кораблей (и сами корабли — наш Буран или американские шаттлы) входят в атмосферу земли и на бОльших скоростях. Например, если американцы действительно были на луне, то входить в атмосферу земли при возвращении они должны были на скорости 40 Махов!
Поэтому 27 Махов — это реальность , доступная человечеству еще в шестидесятые года прошлого столетия (глупости про то, что нет материалов способных защитить от неизбежного при этом перегрева, я отнесу на необразованность).
Так в чем же Авангардов? В том, что они могут достаточно долго лететь на этой скорости (планировать) и при этом маневрировать и по высоте, и по углу.
Сбить летящую на бешенной скорости, но по заданной траектории цель не сложно (простая математика). Другое дело сбить цель, которая на такой скорости хаотично (непредсказуемо) маневрирует. Для этого противоракета должна двигаться еще быстрее, а вот это уже невозможно (вверх лететь, это вам не вниз падая планировать).
В то же время следует отметить, что ракетный двигатель не в состоянии обеспечить длительный установившийся полёт на такой скорости. Эту задачу учёные и конструкторы пытаются решить с помощью гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ГПВРД), способного работать непрерывно в течение десятков минут.
Так что исследования по созданию полноценного гиперзвукового ЛА продолжаются как в России, так и за рубежом. Видимо, у нас они уже дали результат либо было найдено альтернативное решение.
Почему еще можно быть уверенным, что Авангард действительно соответствует заявленным МО характеристикам?
Посудите сами. Удар был нанесен по цели на камчатском полигоне, который отстоит всего на сотню миль от американских радаров, и которые без проблем могут отследить чуть ли не всю важнейшую стадию полета инновационной ракеты. Для чего это сделали? Можно было ведь и другие полигоны использовать?
Нужно было дать возможность противнику убедиться в заявленных характеристиках. Они убедились и это очень важно (остужает горячие головы). Теперь уже пусть они ломают голову, как это возможно и на каких физических принципах основано.
Удачи вам! До скорых встреч на страницах блога сайт
Вам может быть интересно
Что такое метеорит и метеор
Ассонанс - это единство гласных
СОЭ выше нормы - что это значит у мужчин, женщин и детей (таблицы значений по возрасту и возможные проблемы)
LTE - что это, разговоры по VoLTE, отличие от 4G и выбор правильного телефона
Аллитерация - это художественное повторение звуков
Сколько мегабайт в гигабайте, бит в байте (или килобайте) и что это вообще такое за единицы измерения информации
Что такое ассортимент - его виды и 5 способов формирования
Тандем - это взаимовыгодный союз
Хеш - что это такое и как хэш-функция помогает решать вопросы безопасности в интернете
Пинг - что это такое, как можно его проверить и при необходимости уменьшить (понизить ping)
Антиплагиат.ру - онлайн сервис, где можно проверить тексты на уникальность и выявить плагиат в любой работе (ВУЗ, журнал)
Гиперзвуковая скорость, «гиперзвук» - сегодня в ракетной и авиационной сфере это самое модное слово. Как «нанотехнологии» повсеместно лет десять назад. Но что же это такое «гиперзвук», и в чем он измеряется?
От дозвука до гиперзвука
Скорость звука в воздухе давно принята за некую эталонную точку отсчета для самых разных научных и практических измерений. Впервые об этой величине как о достаточно стабильной упоминал еще Аристотель. Он использовал ее для сравнения и характеристики движения тел. Первым же человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер, стал в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на экспериментальном самолете Bell Х-1. Первый советский пилот, капитан Олег Соколовский, разогнался до скорости звука годом позже - на Ла-176, также экспериментальном.
Правда, сверхзвуковые полеты середины ХХ века были весьма условными по нынешним понятиям. Ла-176 достигал скорости звука лишь в пологом пикировании, а Bell Х-1 для этого и вовсе поднимался в небо не собственными силами, а с помощью самолета-носителя, дабы не потратить все топливо на взлете.
Сверхзвуковым принято называть диапазон от 1 до 5 скоростей звука, ну а 5 «звуковых» скоростей и далее - это тот самый «гиперзвук», о котором сегодня так много говорят. Правда, пока он упоминается чаще всего применительно к ракетному оружию, ибо пилотируемые и беспилотные самолеты, перемещающиеся на таких скоростях, в массе своей представляет штучные тестовые модели.
Наиболее характерным представителем этой категории летающих машин стоит назвать американский NASA X-43, ставший в первой половине прошлого десятилетия относительно открытой компиляцией всех аналогичных секретных военных разработок России и США, начавшихся еще в 1950-е гг. Этот небольшой беспилотник достиг почти десяти скоростей звука. Правда, для этого он (как тот самый Bell Х-1 в 1947-м!) сперва поднимался в воздух, будучи прицепленным к крылу бомбардировщика B-52, затем десять секунд набирал скорость с помощью реактивного двигателя, после чего в течение такого же времени планировал и в итоге тонул в океане…
Скорость звука и число Маха
Когда заходит речь о сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях, вместо привычных большинству людей километров (или миль) в час начинают фигурировать какие-то странные «Махи». Например - «скорость самолета превысила 5,2 Маха». Что же это за единица измерения и как ее воспринимать?
Так называемое «число Маха» названо в честь Эрнста Маха, австрийского физика. Будучи одним из основоположников газовой механики и окончив жизнь в эпоху первых летающих «этажерок», «небесных тихоходов», он и подумать не мог, что уже в конце 1940-х гг. реактивные истребители вплотную приблизятся к звуковому барьеру, и единица скорости, названная его именем, войдет в повседневный обиход авиаторов.
Число Маха, или число М, как его также называют - не самая очевидная вещь для понимания. Одна из канонических трактовок звучит так: «отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде»… Впрочем, попробуем объяснить его понятными словами, «на пальцах».
Запредельно упрощенно (и весьма некорректно!) можно сказать, что единица числа Маха - это скорость звука. Иными словами, 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Соответственно, 2 Маха - условно 680 метров в секунду или 2448 км/ч, и далее соответственно. Однако любой преподаватель газодинамики за такое объяснение отвесит вам полновесного «леща» учебником Абрамовича. Ибо число Маха - это не скорость в классическом понимании - в виде расстояния, пройденного за отрезок времени. Эта безразмерная единица, хотя и плотно привязана к скорости звука в воздухе, учитывает тот факт, что скорость звука - вовсе не постоянная величина!
Большинство считает, что скорость звука в воздухе равна 340 метрам в секунду. Но свойства-то воздуха могут быть разными. А значит, различна и скорость распространения звука в нем! В приземном слое она действительно равна тем самым 340 метрам в секунду, но, к примеру, на высотах около десяти километров, скорость из-за разреженности воздуха и низких температур - иная, и составляет уже около 300 метров в секунду.
Чтобы преодолеть звуковой барьер непосредственно над землей, самолету нужно достичь скорости 1224 км/ч, а на высоте десяти тысяч метров для этого достаточно скорости 1076 км/ч - на 148 км/ч меньше. Разница около 13–14 процентов - это весьма немало и имеет существенное значение как для инженеров, проектирующих самолет, так и для пилотов, им управляющих. Иными словами, 1 Мах - это скорость звука при конкретных параметрах высоты и температуры, в которых летит самолет, «здесь и сейчас».
Для чего нужно измерение скорости в Махах?
Слово «MACH» или буква «М» значатся на особых индикаторах скорости в пилотских кабинах - этими приборами часто дополняют измерители приборной скорости и на летном жаргоне их именуют «махометрами». Лимб «махометра» размечен в условных единицах - условно говоря, если его стрелка встанет на цифру 1, то самолет летит со скоростью звука в данный момент времени и на данной высоте. Если полет, предположим, проходит низко над землей, то фактическая скорость при 1 Махе будет равняться 1224 км/ч, если на высоте десяти тысяч метров - 1076 км/ч.
Но возникает естественный вопрос - для чего пилоту необходимы данные скорости с «махометра»? Дело в том, что момент перехода через звуковой барьер связан с резкими изменениями аэродинамического баланса самолета и требует повышенного внимания в управлении. И этот момент как раз точно индицирует «махометр».
В дальнейшем, после «перехода через единицу» этот прибор также необходим для оценки реальной ситуации, что называется, «онлайн», ибо за звуковым пределом машина ведет себя совсем не так, как до него. Ну, и наконец, индикация реальной скорости в Махах нужна для отслеживания числа М, обозначенного создателями самолета, как конструктивный предел его прочности.
Впрочем, «махометр» имеется не в каждом самолете. Собственно, принято считать, что для летающих машин, не превышающих скоростей около 400 км/ч и высот около 2–3 тысяч километров конвертация скорости в число М неактуальна - самолет в своем штатном дозвуковом диапазоне рабочих скоростей ведет себя достаточно линейно и предсказуемо.
Вы когда-нибудь хотели стать летчиком? Знайте, цель без плана - это просто желание (слова великого классика Антуана де Сент-Экзюпери). Стоит заметить, он был не только писателем, но и профессиональным пилотом.
Абсолютно все люди, связанные с небом, проходят курсы аэродинамики. Это наука о движении воздуха (газа), которая также изучает воздействие этой среды на обтекаемые объекты. Одним из разделов аэродинамики являются особенности полёта на сверхзвуковых летательных аппаратах. И здесь учащемуся предстанет взору во всей красе буква M. Что же она обозначает?
Очень краткая справка
Латинская буква M в учебниках по аэродинамике - не что иное, как число Маха. Обозначает оно отношение скорости обтекания потоком объекта (например, самолёта) к местной скорости звука. Своему названию в авиационных трудах она обязана австрийскому учёному Эрнсту Маху. Научными словами выглядит так:
M = v / a
Здесь, v - скорость набегающего потока, a - местная скорость звука. Стоит заметить, что в зарубежных источниках используется скорость объекта, в отличие от отечественной литературы. У человека, который не встречается с этим в профессиональной деятельности, скорее всего, останется два вопроса. Какая-такая местная скорость звука? Зачем нужно число Маха?
К взлёту готов!
Что понимается под словом звук? Прежде всего, это волна. Ведь создает в среде возмущения, которые передаются молекулам воздуха, и так по цепочке. Поэтому с увеличением высоты, где атмосфера более разряжена, звуковая волна будет распространяться с меньшей скоростью. Соответственно, в формуле числа Маха присутствует именно местная скорость звука.Все значения для конкретных высот уже посчитаны (спец. таблицы) - вам остаётся только подставить. Скорость набегающего потока измеряется с помощью приемников воздушного давления (ПВД), которые устанавливаются на всех самолётах. Теперь у нас все данные, значит, с легкостью посчитаем число Маха. Возникает справедливый вопрос: "А Почему бы не использовать просто скорость полёта?". Не забываем, вы летаете на высоких числах М.
Три, два, один - поехали
Число Маха в авиации (и не только) играет огромную роль. Практически все пилоты гражданских, военных и космических шаттлов не могут обойтись без него. Настолько важен этот параметр!
Когда летательный аппарат перемещается в пространстве, молекулы воздуха вокруг него начинают «возмущаться». Если скорость воздушного судна мала (M<1,~ 400 км/ч, дозвуковые ВС), то плотность окружающей среды остается постоянной. Но, по мере увеличения кинетической энергии, часть её уходит на сжатие околосамолётного воздушного пространства. Этот эффект компрессии зависит от того, с какой силой летательный аппарат действует на молекулы воздуха. Чем выше скорость полёта, тем больше воздух сжимается.
На околозвуковой скорости (~1190 км/ч), малые возмущения передаются другим молекулам вокруг воздушного судна (проще рассматривать поверхность крыла), и в один прекрасный момент, когда в какой-то точке скорость набегающего потока сравнивается с местной скоростью звука (M=1, именно потока, ВС может лететь с меньшей скоростью), возникает ударная волна. Поэтому так очевидна разница в конструкции истребителей: их крылья, хвостовое оперение и фюзеляж, по сравнению с дозвуковыми летательными аппаратами.
На воздушных судах, выполняющих полеты с M<1, но на высоких скоростях (современные пассажирские лайнеры), такая ситуация тоже может произойти, только переход на околозвуковую скорость приведёт к более сильной ударной волне, значительному увеличению лобового сопротивления, уменьшению подъёмной силы, потере управления и дальнейшему падению.
Для таких ВС в документах по летной эксплуатации (РЛЭ для отечественных, FCOM для зарубежных) указывается критическое число Маха. Это самое минимальное значение М, на котором набегающий поток в любой части воздушного судна достигнет скорости звука (Мкр). Вот и весь секрет!
Кстати, самые удачливые летающие пассажиры Советского Союза, путешествовали быстрее современных. Не верите?
Новое - это давно забытое старое
Старички быстрее молодых! И это не шутка. Один старый забытый всеми самолёт был когда-то флагманом авиации СССР. Звали его ТУ-144. Это был первый (и есть) в мире сверхзвуковой пассажирский авиалайнер, выполнявший коммерческие рейсы, с максимальной скоростью до 2500 км/ч. Хотя летная карьера Ту-144 была непродолжительной, его судьба была неразрывно связана с числом М.
Вторым похожим воздушным судом являлся британо-французский «Конкорд». Примечательно, что первый полёт они совершили с разницей всего лишь в два месяца. Хорошие знания аэродинамики помогут пассажирам коммерческих рейсов забыть о долгих перелётах через Атлантику. А полеты воздушных судов и космических кораблей будут и дальше вдохновлять человечество на новые открытия.
