Вы думаете, что скорость звука – всегда одинаковая? Вы хотели бы узнать, почему сверхзвуковую скорость измеряют в числе Маха, а не в км/ч? Постараюсь объяснить всё это предельно просто. Потому как написав про гиперзвуковые ракеты «Кинжал», просто невозможно было обойти стороной вопрос: «Что же такое «сверхзвук», «гиперзвук» и «число Маха»?».
Конечно, в рамках статьи объяснить, что такое скорость звука (особенно, когда она гиперзвуковая) практически невозможно. Но основные понятия я всё-таки предоставлю.
Это как объяснить кратко, что такое дом – это стены, пол, потолок, окна, двери и крыша. Что такое многоэтажка – это тоже самое что дом, только с лестницей. Что такое высотка – это тоже самое что многоэтажка, только с мусоропроводом и лифтом. Примерно вот в таком вот виде получится объяснить, что такое гиперзвук.
Итак, давайте разбираться вместе.
Что такое скорость звука?
Как всем известно из «Физики», скорость звука = 340 м/сек (1224 км/ч).
Но нужно хорошо понимать, что скорость звука – это совсем не тоже самое, что скорость машины или самолета. А всё потому, что звук – это волна!
Скорость звука нельзя вычислить по формуле «расстояние деленное на время». Волна ведет себя по-другому. И поэтому в газах, в жидкостях и в твёрдых телах – скорость звука разная.
На скорость звука влияет:
- плотность;
- упругость среды;
- давление;
- удельный объем;
- температура;
- и еще куча разных «мелочей».
Если сказать предельно просто, то скорость звука зависит от всех свойств среды, в которой он летит.
А вот влажность воздуха на скорость звука оказывает очень малое влияние, всего десятые доли процента между 0% и 100%, поэтому ею просто пренебрегают и в параметрах МСА ее просто нет.
Например, скорость звука при идеальных условиях (температура +15, давление 750 мм. рт. ст., относительная влажность 0%) – 340 м/сек, в углекислом газе – 250 м/сек, в чистом кислороде – 316 м/сек, в азоте – 334 м/сек, в воде – около 1500 м/сек, а в алмазе – 12000 м/сек.
Чем плотнее среда, тем быстрее распространяются волны и тем быстрее скорость звука. Как видите, разница более чем существенная.
Новейшие измерения скорости звука
Совсем недавно, физиками Англии и России в 2020 году была впервые рассчитана максимально возможная скорость звука, внимание (!) в 36000 м/сек. Эта скорость была достигнута в среде твёрдого атомарного металлического водорода, давление которого превышало 1.000.000 атмосфер.
Представляете: 36 километров в секунду!
Этот рекорд побил предыдущий рекорд скорости звука в 12 км/сек, который был рассчитан для самого твердого материала известного на земле – алмаза.
Что такое число М (Маха)?
Постараюсь совсем не сложно объяснить, для чего нужно «число М» и почему именно в нём измеряются скорости сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов и ракет.
Как мы уже выяснили – скорость звука далеко не одинакова даже в воздухе. У самой поверхности Земли скорость звука равняется 340 м/сек. А на высоте более 11 км и температура ниже, и давление ниже, и там скорость звука уже будет равна 295 м/сек.
Становится понятно, что скорость звука нельзя использовать для точных математических расчетов в аэродинамике, так как это значение непостоянное.
Поэтому решили взять «число Маха» – это, можно сказать, расчетная величина скорости звука для разных высот, позволяющая сократить объем расчетов на определенном этапе проектирования в авиа и ракетостроении, хотя в принципе может быть использована и для расчета в других средах.
Число Маха было названо по имени австрийского учёного Эрнста Маха. Однако, в советской послевоенной научной литературе и учебниках 1950-х годов писали не «число Маха», а именно «число М» и что этому числу дали имя основателя русской научной школы баллистики Маиевского. Ну, ладно, не в этом суть...
Число М – это отношение скорости движения воздуха к скорости звука. Оно характеризует изменение плотности воздуха от изменения скорости. Количественное изменение плотности и скорости в процентном отношении квадрат числа М показывает, на сколько изменится плотность воздуха при изменении его скорости движения на 1%. Синус угла наклона ударной волны (или линии Маха) равен 1/М.
Было решено, что 1 Мах = 340 м/сек не в идеальной воздушной среде, а в МСА – международной стандартной атмосфере на уровне моря. Именно параметры МСА используются для расчета ЛХ летательных аппаратов, в том числе числа М на разных высотах.
Таким образом получается, что если взять абсолютно одинаковую скорость, то чем выше летит самолет от Земли, тем ниже скорость звука и выше число Маха.
Как скорость звука меняется от высоты?
От 0 до 10 км ввысь, скорость звука будет постепенно уменьшаться. На высоте 10 км скорость звука равна 299 м/сек (где летают обычные пассажирские самолеты), что на 12% ниже, чем возле поверхности Земли.
Это происходит из-за того, что воздух становится более разреженный, плотность, температура, влажность и давление также понижаются с высотой. Поэтому волне распространяться уже сложнее.
От 11 км до 18 км скорость звука составит 295 м/сек. Там плотность и другие характеристики воздуха практически не меняются. Этот слой атмосферы называется – тропопауза (остановка). Он считается переходным и у него нет четких границ. Он примерно в 17 километрах над экватором и в 9 километрах над полярным кругом.
Выше 18-20 км скорость звука опять начинает постепенно уменьшатся.
Что такое «сверхзвук» и «гиперзвук»?
Теперь о том, какая скорость может считаться «сверхзвуковой», а какая «гиперзвуковой» и в чём их разница?
Как мы уже поняли, на разной высоте скорость звука разная, а «число Маха» одинаковое. И поэтому скорость самолета или ракеты стали писать, как скорость от числа Маха, т.е. часть от скорости звука именно на той высоте, на которой летит аппарат.
Есть четыре звуковые скорости изучаемые и используемые в аэродинамике:
1. Скорость до 0,9 от числа Маха – это дозвуковая скорость
Например, самолет летит на высоте 10 км и его скорость 0,84 М (Маха).
Таким образом можно легко рассчитать скорость самолета. Берем скорость 299 м/сек (скорость звука на 10 км), переводим в километры в час и получаем 1076 км/ч. Теперь умножаем на 0,84 и получаем 904 км/час – это скорость обычного пассажирского дозвукового самолета, такого как ТУ-134 или Боинга.
2. Скорость 1 Мах – это трансзвуковая скорость
3. Скорость от 1,1 до 4,5 Маха – это сверхзвуковая (сверхзвук)
Например, мы знаем, что СУ-27 имеет максимальную скорость 2,35 Маха и летает на 18 км от Земли. Давайте подсчитаем, сколько это будет в километрах. Берем 295 м/сек (скорость звука на 18 км) и считаем: 1062 х 2,35 = 2495,7, что примерно и составляет 2500 км/час – скорость сверхзвуковых самолетов Су-27, Су-57 или МиГ-31.
Внимание! Некоторые источники указывают, что сверхзвук заканчивается на 5 Махах – это тоже считается правильным!
4. Скорость от 4,5 Махов и выше – это гиперзвуковая (гиперзвук)
Другими словами, гиперзвук – это скорость, начиная от 4,5 от числа Маха и до пределов возможности физического тела не переходить в плазму.
Внимание! Некоторые источники указывают, что гиперзвук начинается с 5 Махов – это тоже считается правильным!
Гиперзвуковые ракеты «Кинжал» летят со скоростью 5,13 Махов. Проделав все вышеописанные расчёты получаем, что скорость составляет 1700 м/сек или 6100 км/час.
Почему число Маха такое важное?
Нужно хорошо понимать, что «число М» в авиации – это не количественная, а качественная величина – это не скорость как мы её понимаем, а критерий, показывающий насколько скорость больше или меньше скорости звука.
Вот почему так важно число М (Мах) в аэродинамике и именно в нём указываются сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости.
Гиперзвуковая скорость самолета или ракеты – это скорость, значительно превосходящая скорость звука в атмосфере. И при гиперзвуковых скоростях на арену выступают уже другие законы физики и аэродинамики. Самые понятные слова: ударная волна, конденсат, высокотемпературный поток и скорость обтекания. Но это уже совсем другая история…
Вместо заключения
Хочу рассказать старый советский анекдот, он немного не по теме, но очень мне его хочется рассказать:
Встречаются на аэродроме американский новенький стелс-бомбардировщик B-2 Spirit и советский старенький «Кукурузник».
Американцы сквозь смех:
- Спорим не догоните? Устроим гонку?
Наши сдаваться не привыкли, поспорили. А сами думают, как же не опозорится и придумали – ночью привязали «Кукурузник» к их бомбардировщику тросом.
Утром начинается гонка. Взлетает американский самолет, следом наш. Американский командир спрашивает у помощников:
- Как там русские?
- На хвосте, сэр!
Разгоняются до 500 км/ч, командир снова спрашивает:
- Как там русские, отстали?
- Всё ещё на хвосте, сэр!
У американцев шок, командир психует и требует разогнаться еще в 2 раза быстрее, на грани возможностей мощного новейшего стелса.
Наш «Кукурузник» на тросе уже весь дребезжит, начали отваливаться шасси и загибаться крылья.
Американец снова спрашивает:
- Джон, ну сейчас то они отстали?!
- Нет, сэр, похоже мы проиграли... нужно возвращаться на аэродром.
- Почему?
- Русские только сейчас убрали шасси и меняют геометрию крыла!
Понравилась статья? Если «да», то ставьте лайк. Лайк – лучшее спасибо! Пишите комментарии – это возможность поспорить и найти истину.
Возможно Вам будут интересны следующие статьи:
