Aerodynamika naddźwiękowa jest prostsza niż aerodynamika poddźwiękowa, ponieważ arkusze aerodynamiczne w różnych punktach samolotu często nie mogą na siebie oddziaływać. Naddźwiękowe odrzutowce i pojazdy rakietowe wymagają kilkukrotnie większego ciągu, aby pokonać dodatkowy opór aerodynamiczny występujący w obszarze transsonicznym (około 0,85–1,2 Macha). Przy takich prędkościach inżynierowie lotnictwa kosmicznego mogą delikatnie kierować powietrze wokół kadłuba samolotu bez wytwarzania nowych fal uderzeniowych, ale każda zmiana w przekroju poprzecznym w dalszej części pojazdu prowadzi do fal uderzeniowych wzdłuż ciała. Projektanci używają reguły obszaru naddźwiękowego i reguły obszaru Whitcomba, aby zminimalizować nagłe zmiany rozmiaru.
Źródło dźwięku teraz przełamał barierę prędkości dźwięku i porusza się z prędkością 1,4 raza większą od prędkości dźwięku, c (1,4 Macha). Ponieważ źródło porusza się szybciej niż wytwarzane przez nie fale dźwiękowe, w rzeczywistości prowadzi do postępującego czoła fali. Źródło dźwięku przejdzie przez nieruchomego obserwatora, zanim obserwator faktycznie usłyszy wytwarzany przez niego dźwięk.
Stożkowa fala uderzeniowa z żółtą strefą kontaktu z ziemią w kształcie hiperboli
Jednak w praktycznych zastosowaniach samolot naddźwiękowy musi działać stabilnie zarówno w trybie poddźwiękowym, jak i naddźwiękowym profili, stąd projekt aerodynamiczny jest bardziej złożony.
Jednym z problemów związanych z długotrwałym lotem naddźwiękowym jest wytwarzanie ciepła podczas lotu. Przy dużych prędkościach może wystąpić nagrzewanie aerodynamiczne, więc samolot musi być zaprojektowany do działania i funkcjonowania w bardzo wysokich temperaturach. Duraluminium, materiał tradycyjnie stosowany w produkcji samolotów, zaczyna tracić wytrzymałość i odkształcać się w stosunkowo niskich temperaturach i nie nadaje się do ciągłego użytkowania przy prędkościach powyżej 2,2 do 2,4 Macha. Materiały takie jak tytan i stal nierdzewna umożliwiają pracę w znacznie wyższych temperaturach. Na przykład odrzutowiec Lockheed SR-71 Blackbird może latać w sposób ciągły z prędkością 3,1 Macha, co może doprowadzić do wzrostu temperatury niektórych części samolotu powyżej 315 ° C (600 ° F).
ciągły lot z dużą prędkością to praca silnika. Silniki odrzutowe wytwarzają ciąg, zwiększając temperaturę pobieranego powietrza, a gdy samolot przyspiesza, proces sprężania we wlocie powoduje wzrost temperatury, zanim dotrze ona do silników. Maksymalna dopuszczalna temperatura spalin jest określana przez materiały w turbinie z tyłu silnika, więc gdy samolot przyspiesza, różnica temperatur wlotu i wylotu, którą silnik może wytworzyć spalając paliwo, maleje, podobnie jak ciąg. Wyższy ciąg potrzebny do prędkości naddźwiękowych musiał zostać odzyskany poprzez spalanie dodatkowego paliwa w wydechu.
Projekt układu dolotowego również był poważnym problemem. Jak najwięcej dostępnej energii w napływającym powietrzu należy odzyskać, zwane odzyskiem wlotu, przy użyciu fal uderzeniowych w procesie sprężania naddźwiękowego we wlocie. Przy prędkościach naddźwiękowych wlot musi zapewniać spowolnienie powietrza bez nadmiernego spadku ciśnienia. Musi używać właściwego rodzaju fal uderzeniowych, ukośnych / płaskich, aby prędkość projektowa samolotu kompresowała i spowolniała powietrze do prędkości poddźwiękowej, zanim dotrze do silnika. Fale uderzeniowe są ustawiane za pomocą pochylni lub stożka, które mogą wymagać regulacji w zależności od kompromisów między złożonością a wymaganymi osiągami samolotu.
Samolot, który może latać przez dłuższy czas z prędkością naddźwiękową, ma potencjalną przewagę zasięgu nad podobnym projektem działającym poddźwiękowo. Większość oporu, jaki widzi samolot podczas przyspieszania do prędkości naddźwiękowych, występuje tuż poniżej prędkości dźwięku, z powodu efektu aerodynamicznego znanego jako opór falowy. Samolot, który może przyspieszyć powyżej tej prędkości, odnotowuje znaczny spadek oporu i może latać naddźwiękowo przy zmniejszonej oszczędności paliwa. Jednak ze względu na sposób, w jaki siła nośna jest generowana naddźwiękowo, stosunek siły nośnej do oporu samolotu jako całości spada, co prowadzi do niższego zasięgu, kompensowania lub przewracania tej przewagi.
Kluczem do niskiego poziomu naddźwiękowego opór polega na odpowiednim ukształtowaniu całego samolotu, aby był długi i cienki oraz zbliżony do kształtu „idealnego”, ostrołuku von Karmana lub korpusu Sears-Haacka. Doprowadziło to do tego, że prawie każdy naddźwiękowy samolot przelotowy wyglądał bardzo podobnie do każdego innego, z bardzo długim i smukłym kadłubem oraz dużymi skrzydłami delta, por. SR-71, Concorde itp. Chociaż nie jest to idealne rozwiązanie dla samolotów pasażerskich, to kształtowanie można dość łatwo dostosować do użytku przez bombowce.
Historia lotów naddźwiękowychEdytuj
Badania lotnicze w czasie II wojny światowej doprowadziły do stworzenia pierwszego samolotu z napędem rakietowym i odrzutowym. Później pojawiło się kilka twierdzeń o przełamaniu bariery dźwięku podczas wojny.Jednak pierwszy rozpoznany lot załogowego samolotu przekraczający prędkość dźwięku w locie na poziomie kontrolowanym został wykonany 14 października 1947 roku przez eksperymentalny samolot badawczy Bell X-1 pilotowany przez Charlesa „Chucka” Yeagera. Pierwszym samolotem produkcyjnym, który przełamał barierę dźwięku, był F-86 Canadair Sabre z pierwszą „naddźwiękową” kobietą pilotką, Jacqueline Cochran, za sterami. Według Davida Mastersa, prototyp DFS 346 zdobyty w Niemczech przez Sowietów, po wypuszczeniu z B-29 na wysokości 10000 m (32800 stóp), osiągnął prędkość 1100 km / h pod koniec 1945 roku, co przekroczyło wartość Macha. 1 na tej wysokości. Pilotem tych lotów był niemiecki Wolfgang Ziese.
21 sierpnia 1961 roku Douglas DC-8-43 (nr rejestracyjny N9604Z) przekroczył Mach 1 podczas kontrolowanego nurkowania podczas lotu testowego w Edwards Air Force Baza. Załogą byli William Magruder (pilot), Paul Patten (drugi pilot), Joseph Tomich (inżynier lotu) i Richard H. Edwards (inżynier prób w locie). Był to pierwszy naddźwiękowy lot cywilnego samolotu innego niż Concorde czy Tu-144.