» » Визуализация ударных волн

Визуализация ударных волн

 

Визуализация ударных волн

 

Визуализация ударных волн

На фото — ударные волны, исходящие от двух сверхзвуковых самолетов T-38 Talon. Снимок сделан системой камер, установленных на самолете B-200 King Air (Beechcraft King Air), летевшем на высоте 9 км. Во время съемки пара Т-38 пролетела со сверхзвуковой скоростью ровно под B-200 King Air на 600 метров ниже него; ведомый самолет T-38 летел на три метра ниже ведущего, сохраняя дистанцию 9 метров. Это первое в истории изображение взаимодействия ударных волн от двух летящих сверхзвуковых самолетов. Исходный снимок был монохромным, раскрасили его для большей наглядности.

Одной из самых сложных задач в ходе съемки было согласование движения самолетов. Изображение было сделано тогда, когда все три самолета находились в точно определенном заранее месте в назначенное время. Так специалисты НАСА тестировали систему визуализации ударных волн, которая поможет инженерам в создании тихого сверхзвукового самолета. Испытание проходило на авиабазе Эдвардс в пустыне Мохаве в Южной Калифорнии, самолеты Т-38 принадлежали Школе летчиков-испытателей ВВС США (U.S. Air Force Test Pilot School).

Когда тело движется в среде, оно возбуждает колебания, воздействуя на окружающие частицы. Каждая точка соприкосновения фюзеляжа самолета и атмосферы в каждый момент времени становится источником сферических волн, которые формируют фронт волны — поверхность, до которой дошел колебательный процесс. При движении со скоростью меньше звуковой волна распространяется от поверхности самолета, повторяя его форму, и на большом расстоянии от источника ее уже можно считать сферической.

Если самолет разгоняется до сверхзвуковой скорости, волна, источником которой он был недавно, не может его догнать, поэтому формируется конусообразный фронт с вершиной в носу фюзеляжа. В таком случае волну и называют ударной (см. Ударные волны). На ее границе сильно повышено давление воздуха. Колебания давления воздуха определенной частоты человек воспринимает как звук. Когда сверхзвуковой самолет пролетит над наблюдателем и фронт волны дойдет до земли, человек услышит резкий хлопок — звуковой удар, — так как давление резко повысится с атмосферного до давления на границе фронта ударной волны.

 

Визуализация ударных волн

Распространение звуковых волн, создаваемых самолетом при разных соотношениях его скорости и скорости звука. М — число Маха. Слева — скорость самолета меньше скорости звука (M1); человек на земле слышит хлопок в тот момент, когда до него доходит ударная волна (образующая конуса Маха). Рисунок с сайта sciencedebate2008

 

Вышеописанный конусообразный фронт называют конусом Маха, половина его угла раствора ? задается соотношением между скоростью звука vs в среде и скоростью самолета v: sin ? = vs/v. Соотношение, обратное этому, называют числом Маха: M = v/vs, соответственно sin ? = 1/M. Ударная волна формируется, когда самолет движется со скоростью выше звуковой, то есть когда число Маха превышает единицу. Это соотношение помогает при моделировании движения объектов, в том числе самолетов, сквозь плотные среды.

При повышении давления воздуха на границе ударной волны повышается и его плотность, что приводит к изменению его оптических свойств — воздух начинает сильнее рассеивать свет. Именно это регистрировала программа, управляющая системой камер: она окрашивает области с отличающимися показателями преломления в различные цвета. Более темные участки соответствуют областям воздуха с повышенным показателем преломления и давлением выше атмосферного. Это так называемый шлирен-метод съемки (см. картинку дня Заплыв дафнии и шлирен-метод, а также пресс-релиз НАСА о применении шлирен-метода для съемки сверхзвуковых самолетов).

 

Визуализация ударных волн

 

Визуализация ударных волн

Изначально фотографии монохромные, раскрасили их впоследствии, для большей наглядности. Здесь, когда самолет повернут боком по отношению к самолету, ведущему съемку, хорошо видно, что ударные волны действительно имеют форму конуса. Фото с сайта nasa.gov

 

На фото видно несколько конусов Маха, исходящих от различных частей самолета. Видимо, резкие изменения геометрии поверхности — крылья, оперение, воздухозаборники — порождают отдельные ударные волны. Запечатленные конусы Маха имеют тупой угол раствора, так как самолеты летят со скоростью, почти равной звуковой (чуть выше ее), а значит, половина угла раствора, равная ?, ненамного меньше, чем 90 градусов.

Интересно что ударные волны от двух самолетов взаимодействуют по кривой линии. Эти данные помогут инженерам НАСА продвинуться в понимании того, как они влияют друг на друга и как они меняются под воздействием потоков выхлопных газов от самолетов. Исследования помогут в разработке самолета X-59 Quiet SuperSonic Technology X-plane (X-59 QueSST), который, летя на сверхзвуковой скорости, будет производить ударные волны таким образом, чтобы вместо звукового удара был слышен негромкий шум. Появление таких самолетов может способствовать снятию существующих ограничений на сверхзвуковой полет над населенной частью суши.

Фото с сайта nasa.gov.

Егор Колесников

31 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

«Вояджеры» измерили скорость звука и давление в открытом космосе

На основании свежих данных с автоматических станций «Вояджер-1» и «Вояджер-2» ученые НАСА смогли измерить ряд параметров космического пространства на границе Солнечной системы. Среди прочего была

Авиационный крепеж от производителя

Самолет, как транспортное средство должен предоставить полную безопасность полетов, надежность, и соответствовать установленным показателям эффективности. Именно это является основными свойствами

Какое изобретение первым преодолело звуковой барьер.

Нет - это не пуля и не реактивный самолет как вы могли бы подумать, а самый обыкновенный... хлыст. Хлыст придумали в Китае 7000 лет назад, однако вплоть до изобретения моментальной фотографии в 1927

10 фактов о цунами

1. Слово «цунами» пришло из японского языка. Оно переводится как «волна в бухте». Раньше цунами называли «волнами прилива и отлива», однако сейчас этот термин не употребляется, поскольку цунами не

Самый быстрый самолет в мире

Гиперзвуковой самолет X-43A является самым быстрым самолётом в мире. Аппарат X-43A недавно установил новый рекорд скорости — 11230 км/час, тем самым превысив скорость звука в 9,6 раза. Для сравнения:

Технологии НЛО

Ученые создали первый в мире акустический притягивающей луч.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Шугаринг: плюсы и минусыПреимущества матрасов MatroluxeОсобенности продвижения сайтаПульмонология, лечение в АвстрииКак рождаются самые мощные магниты во ВселеннойУпавший в Коста-Рике метеорит пахнет брюссельской капустойКак заменить реальный срок на ИТРРедчайший метеор: дневные Секстантиды