Почему сверхзвуковую скорость измеряют в махах, а не в км/ч? Зачем скорость звука всегда рассчитывают по-разному? Чем отличается «сверхзвук» от «гиперзвука» и что такое «число Маха»? Давайте разбираться вместе.
Конечно, в рамках одной статьи объяснить, что такое скорость звука (особенно, когда она гиперзвуковая) практически невозможно. Это как объяснить кратко: что такое дом (это стены, пол, потолок, окна, двери и крыша), что такое многоэтажка (это дом, только с лестницей), что такое высотка (это многоэтажка, только с мусоропроводом и лифтом). Примерно вот в таком вот виде получится объяснить, что такое гиперзвук. Но... основные понятия я всё-таки предоставлю.
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! 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 распространяется.
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;
- в алмазе – 12000 м/сек.
Чем плотнее среда, тем быстрее распространяются волны и тем быстрее скорость звука. Как видите, разница более чем существенная.
Удивительный факт: физиками Англии и России в 2020 году была впервые рассчитана максимально возможная скорость звука 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)?
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 объём 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 потока в данной точке движущейся газовой среды к скорости звука в этой точке. Или, применительно к авиации, отношение скорости тела (самолёта) в среде к скорости звука в ней же. Оно характеризует изменение плотности воздуха от изменения скорости.
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 Маха – дозвуковая скорость
Например, самолёт 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 – трансзвуковая скорость
1 Мах ≈ 1200 км/ч (на уровне моря).
3. Скорость от 1,1 до 4,5 Маха – сверхзвуковая (сверхзвук)
Например, мы знаем, что СУ-27 имеет максимальную скорость 2,35 Маха и летает он 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 Мах – это тоже считается правильным!
4. Скорость от 4,5 Мах и выше – гиперзвуковая (гиперзвук)
Другими словами, гиперзвук – это скорость, начиная от 4,5 от числа Маха и до пределов возможности физического тела не переходить в плазму.
Гиперзвуковые ракеты «Кинжал» летят со скоростью 5,13 Махов (1700 м/сек или 6100 км/час). А ракеты «Сармат» – 20 Мах (это, на минуточку, почти 7000 м/сек или 25200 км/час).
Внимание! Некоторые источники указывают, что гиперзвук начинается с 5 Махов – это тоже считается правильным!
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.
Звук – это механические колебания некой среды, если очень грубо, то чем плотнее среда, тем выше скорость их распространения.
Скорость звука в газах определяется формулой:
a = ✓kRT
где, корень квадратный из произведения:
- k – показатель адиабаты, для двухатомных газов, каким является воздух, k =1,4 (для газов камеры сгорания ГТД k=1,33, там молекулы разорваны);
- R – постоянная Больцмана. В физике (где всё в молях) численно 8,31, а в технике (где килограммы) равно 287 кДж/кГ × К – это только для воздуха, а для , например, водорода – другая;
- Т – абсолютная температура по Кельвину, то есть Цельсий плюс 273 от абсолютного нуля.
Переменной остаётся одна температура – умножаем, извлекаем корень и получаем скорость.
Например, на улице +16, прибавляем 273, извлекаем корень из 289 (17), множим на 20,1 = 341,7 м/с. Точность приемлема. За бортом -48, то есть 225 К, скорость звука 301,5 м/с. Почувствуйте разницу...
Теперь начнем обтекать воздухом что-нибудь, перемещающиеся в атмосфере за счёт взаимодействия с этим самым воздухом.
До 200 км/ч воздух – это воздух, от 200 до 800 км/ч – вода, а после 800 км/ч – металл.
До 0,2 М воздух ведёт себя как несжимаемая жидкость (то есть закон Бернулли выполняется идеально – струя над крылом сжимается, давление понижается, подъемная сила – полетели).
После 0,4 М начинает проявляться сжимаемость воздуха. Бернулли стыдливо опускает глазки – над крылом заметно падает не только давление, но и температура – и привязанная к ней скорость звука. Но… пока ещё бояться нечего.
После 0,6 М возникает обоюдное стремление: скорость поджатого потока всё больше, а местная (вот в этой самой точке сечения крыла) скорость звука всё меньше. То есть число Маха всего самолёта, допустим, 0,6 ... А в той самой точке крыла, к примеру – 0,8.
Начался тот самый трансзвук. И вот они встретились... М равно М критическому... В точке встречи появляется ударная волна.
Первыми из-за этого бились немцы на реактивных «Мессершмиттах», но больше всего жаль японских камикадзе на ракетных самолётах-снарядах. Самолёт вдруг начинает опускать нос, и ты ничего не можешь с этим поделать, и понимаешь в последний момент, что не попадешь в свою цель и погибнешь совершенно зазря. Затягивание в пикирование...
Так почему число Маха такое важное? Самое главное, для чего нужно понимание числа М – это зона трансзвука, когда меняется характер обтекания летательного аппарата и его управления. И именно поэтому в нём указываются сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости.
Гиперзвуковая скорость самолета или ракеты
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…
И, напоследок, оставлю здесь некоторые расчёты, которые наглядно показывают зависимость «баллистической дальности» ракеты от её скорости разгона:
10 махов (3 000 м/с или 10 800 км/ч) – до 1200 км
11 Махов (3 300 м/с или 11 880 км/ч) – до 1400 км
12 Махов (3 600 м/с или 12 960 км/ч) – до 1600 км
13 Махов (3 900 м/с или 14 040 км/ч) – до 1800 км
14 Махов (4 200 м/с или 15 120 км/ч) – до 2150 км
15 Махов (4 500 м/с или 16 200 км/ч) – до 2700 км
16 Махов (4 800 м/с или 17 280 км/ч) – до 3400 км
17 Махов (5 100 м/с или 18 360 км/ч) – до 4200 км
18 Махов (5 400 м/с или 19 440 км/ч) – до 5100 км
19 Махов (6 200 м/с или 22 320 км/ч) – до 6300 км
20 Махов (6 600 м/с или 25 200 км/ч) – до 7000 км
Впечатляет? Конечно!
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!
***
Возможно, Вам будет интересно:
Благодарю, что дочитали до конца. Лайк – лучше спасибо мне, как автору!