Bariera dźwięku - Polski Serwis Naukowy

Samolot F-18 lecący blisko prędkości dźwięku. Za samolotem widać tzw. obłok Prandtla-Glauerta

Bariera dźwięku – potoczne, obrazowe określenie dotyczące zjawisk, które zachodzą w zakresie prędkości lotu bliskich prędkości dźwięku. Przy prędkości dokładnie równej prędkości dźwięku nie dzieje się nic nadzwyczajnego, w szczególności nie powstaje grom dźwiękowy.

Pikowanie, nurkowanie (lot nurkowy) – manewr lotniczy (lub figura akrobacji lotniczej) polegający na zdecydowanym obniżeniu nosa samolotu poniżej horyzontu, co prowadzi do szybkiego spadku wysokości lotu i równie szybkiego wzrostu prędkości. W "klasycznym" ujęciu oś podłużna maszyny jest prostopadła do ziemi. Stosowany jest w sytuacjach związanych bądź z potrzebą utraty wysokości, lub nabrania prędkości, także w czasie walki powietrznej, ale zasadniczo ogranicza się jego stosowanie do pokazów lotniczych.

Bell X-1 – eksperymentalny samolot amerykański, który jako pierwszy przekroczył barierę dźwięku w sposób kontrolowany w locie poziomym. Pierwszy z samolotów serii X przeznaczonych do testowania nowych technologii. Samoloty serii X były projektami tajnymi.

Zjawiska fizyczne

Wykres współczynnika oporu Cx w funkcji liczby Macha

Termin "bariera dźwięku" powstał w notatniku dziennikarza, któremu w czasie udzielania wywiadu w latach 40. XX w. brytyjski inżynier lotniczy W. F. Hilton pokazał wykres ukazujący zdecydowany szczyt współczynnika oporu Cx, jaki napotyka samolot w zakresie prędkości w pobliżu prędkości dźwięku. Od tamtej pory, dzięki działaniu na wyobraźnię, zwrot ten istnieje w wielu językach. Niemniej poza takim wykresem żadna bariera, którą z hukiem można "pokonać", fizycznie nie istnieje. Na pokazanym zdjęciu F/A-18 Hornet nie przekracza prędkości dźwięku, lecz leci z prędkością nieco mniejszą.

Profil lotniczy – obrys przekroju skrzydła samolotu, łopaty śmigła itp. w płaszczyźnie prostopadłej do osi biegnącej wzdłuż rozpiętości skrzydła (lub promienia śmigła czy wirnika). Cechą charakterystyczną profilu lotniczego jest zdolność do efektywnego wytwarzania siły nośnej pod wpływem powietrza opływającego profil (płat).

Usterzenie płytowe - typ usterzenia samolotów, nie posiadający podziału na statecznik i ster - ruchoma jest cała, jednolita powierzchnia. Wykorzystywane jest w samolotach naddźwiękowych i latających z prędkościami zbliżonymi do prędkości dźwięku.

Powietrze opływające samolot ma w wielu miejscach prędkość względem samolotu większą niż prędkość tego samolotu względem powietrza niezakłóconego; następnie ta prędkość maleje. Gdy samolot zwiększa prędkość i osiąga tak zwaną krytyczną liczbę Macha, w niektórych miejscach opływu jego prędkość przekracza lokalną prędkość dźwięku. Zwiększanie prędkości opływu i zmniejszanie ciśnienia odbywa się płynnie i bez strat, natomiast zmniejszenie tej prędkości jest możliwe tylko skokowo, na powierzchni zwanej falą uderzeniową, gdzie występuje nieciągłość (spadek) prędkości, wzrost ciśnienia i temperatury. Powstanie fal uderzeniowych pociąga za sobą powstanie dodatkowego oporu falowego oraz – zakłócając opływ za falą – dodatkowego oporu profilowego.

Reguła pól – zasada w konstrukcji samolotów polegająca na takim ukształtowaniu bryły płatowca, aby pola jego przekrojów poprzecznych nie zmieniały się gwałtownie wzdłuż jego długości. Na skutek zachowania reguły pól, zmniejsza się opór falowy wywołany powstawaniem fal uderzeniowych.

Charles Elwood "Chuck" Yeager (ur. 13 lutego 1923 w Myra w Zachodniej Wirginii) — amerykański as myśliwski z czasów II wojny światowej, a w późniejszym okresie pilot doświadczalny. Był pierwszym człowiekiem, który bezsprzecznie przekroczył barierę dźwięku.

Pokazany obok wykres dotyczy jednak współczynnika oporu, nie samego oporu, który jest proporcjonalny do tego współczynnika mnożonego przez kwadrat prędkości. Ze wzrostem prędkości opór rośnie bardzo szybko w zakresie, w którym rośnie Cx i rośnie wolniej tam, gdzie Cx maleje. W przypadku niektórych konstrukcji może nawet nieznacznie w tym zakresie maleć.

Siła nośna – siła działająca na ciało poruszające się w ośrodku ciągłym, skierowana do góry i równoważąca siłę ciężkości. Najbardziej reprezentatywnym przykładem wykorzystania siły nośnej jest siła nośna skrzydła samolotu.

Samolot myśliwski, myśliwiec – samolot bojowy przeznaczony przede wszystkim do zwalczania innych statków powietrznych i uzyskania przewagi powietrznej, jak i obrony własnych samolotów o innym przeznaczeniu, czym różni się od bombowców, służących do atakowania celów naziemnych, głównie przy użyciu bomb. Myśliwce z założenia są względnie małe, przeważnie jednomiejscowe, a przy tym silnie uzbrojone, szybkie i bardzo zwrotne.

Widoczny na zdjęciu obłok pary wodnej nie jest jednak obrazem fali uderzeniowej, lecz tak zwanym obłokiem Prandtla-Glauerta i odpowiada pewnemu specyficznemu obszarowi obniżonego ciśnienia i temperatury, gdzie następuje skroplenie pary wodnej zawartej w powietrzu. Obszar ten od tyłu ograniczony jest powierzchnią fali uderzeniowej, która na przedstawionym zdjęciu jest prawie prostopadła do kierunku lotu.

North American F-86 Sabre (ang. – szabla) – amerykański odrzutowy samolot wojskowy zaprojektowany dla Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych w latach 40. XX wieku i budowany po zakończeniu II wojny światowej w ponad osiemnastu wersjach. Pierwszy amerykański samolot wyposażony w fotel pilota wyrzucany energią znajdującego się pod nim ładunku wybuchowego.

Para wodna - stan gazowy wody. Jako prawie czysty gaz, występuje w naturze w gejzerach, w gorących jaskiniach, jest wyrzucana z podziemi, jest wytwarzana i używana w technice oraz w gospodarstwie domowym. Jest też składnikiem powietrza atmosferycznego, jej zawartość w powietrzu zmienia się.

Krytyczna liczba Macha zależy od konfiguracji aerodynamicznej samolotu, a jej wartość zawiera się w granicach 0,8 do 0,9. Nie można tu mówić o prędkości bezwzględnej w km/h, bo prędkość dźwięku w powietrzu zmienia się proporcjonalnie do pierwiastka z temperatury bezwzględnej i jest np. na wysokości 11 km o ok. 15% niższa niż przy ziemi.

F/A-18 Hornet (ang. Szerszeń) (wersje A, B, C, D) lub Super Hornet (ang. Super Szerszeń) (wersje E, F) – amerykański naddźwiękowy samolot myśliwsko-szturmowy, zdolny do działań w każdych warunkach atmosferycznych.

MiG-17 (ros. МиГ-17) (oznaczenie NATO Fresco) – radziecki samolot myśliwski. Służył w wojskach lotniczych (siłach powietrznych) wielu krajów świata.

W miarę zwiększania się prędkości powyżej krytycznej liczby Macha fale stają się intensywniejsze i przesuwają się do tyłu. Obraz zmienia się znacznie dopiero po zdecydowanym przekroczeniu prędkości dźwięku przez samolot, przy liczbie Macha większej niż 1,1, gdy pojawiają się także fale uderzeniowe przed samolotem. Wtedy od pewnego momentu cały opływ staje się "czysto" naddźwiękowy i wszystkie zjawiska związane z "barierą" przestają przeszkadzać.

Te zjawiska to - poza szybkim wzrostem oporu - także kłopoty ze sterownością. Pojawianie się fal uderzeniowych i powodowane nimi zawirowania zmniejszają efektywność steru wysokości, co w powiązaniu z jednoczesnym przemieszczaniem się do tyłu wypadkowej siły nośnej stwarza niebezpieczną skłonność samolotu do nie dającego się opanować nurkowania i dalszego zwiększania prędkości. Były nawet ofiary śmiertelne tego zjawiska, ale dotyczyło to wczesnej fazy rozwoju szybkich samolotów przydźwiękowych.

Przekraczanie "bariery" nie ma nic wspólnego z "gromem dźwiękowym" słyszanym na ziemi, gdy w okolicy latają szybkie samoloty. Przekraczanie prędkości dźwięku nie generuje takiego gromu, a jego źródłem może być samolot lecący z prędkością zdecydowanie naddźwiękową. Jest przez obserwatorów słyszany, gdy fala uderzeniowa przemieszczająca się z prędkością samolotu dociera do ucha obserwatora.

Rozwój lotnictwa naddźwiękowego

Bell X-1

27 września 1946, podczas katastrofy DH.108 spowodowanej problemami ze sterownością blisko bariery dźwięku zginął Geoffrey de Havilland jr, syn Geoffrey de Havillanda.

Pierwszym samolotem zdolnym do przekroczenia prędkości dźwięku, choć dalekim od doskonałości w przystosowaniu do takich lotów, był Bell X-1, a "barierę" tę pokonał jako pierwszy Charles "Chuck" Yeager 14 października 1947. Pierwszymi myśliwcami seryjnymi, które w locie nurkowym mogły przekroczyć barierę dźwięku, były MiG-17 i F-86.

Współczesne samoloty naddźwiękowe radzą sobie z właściwościami "bariery dźwięku" bez trudu. Jest to rezultatem badań eksperymentalnych i prac teoretycznych, które zaowocowały takimi rozwiązaniami technicznymi jak skośne skrzydła, skrzydła o zmiennej geometrii, nowe profile skrzydeł, usterzenie płytowe, konfiguracje uwzględniające tzw. „regułę pól”.

Zjawiska fizyczne

Rozwój lotnictwa naddźwiękowego

Przypisy