Ернст Мах. Ідеаліст з матеріалістичними нахилами :-).
У сьогоднішній невеликій статті трохи пройдемося по теоретичним основам і торкнемося однією з найважливіших характеристик польоту літальних апаратів на великій швидкості, в тому числі і надзвуковий.
Сверхзвук і число Маха ... Ці два поняття досить тісно пов'язані і в наш час немає, напевно, жодної людини, який би так чи інакше не чув про число М. Зазвичай цей термін супроводжує характеристики будь-якого надзвукового (і навіть просто швидкісного) літака. А літаків таких у в світі зараз чимало і число їх, я думаю, навряд чи буде зменшуватися :-).
Але ж ще зовсім не так давно теорія надзвукових течій була саме теорією, до того ж робить, всього лише, перші кроки. Фундаментальні основи вона почала набувати тільки близько 140 років тому, коли німецький вчений і філософ Ернст Мах зайнявся дослідженнями аеродинамічних процесів при надзвуковому русі тел. У той період він відкрив і дослідив деякі явища аеродинаміки сверхзвуков, що одержали згодом свою назву в його честь. В їх ряду стоїть і число Маха.
Цікавим є той факт, що в радянській науці (і в науковій літературі, особливо до війни і відразу після неї) цей термін часто вживався або без розшифровки (просто число М, слово «Мах" не употеблялось), або з використанням другого прізвища - Маіевскій . Тобто число Маха-Маіевскій.
Все це було наслідком нашого тодішнього ідеологічного стану. Ернст Мах за своїми філософськими поглядами (він був, за словами В. І. Леніна «суб'єктивним ідеалістом») не дуже-то вписувався в рамки марксистсько-ленінської філософії, а Н.В.Маіевскій був російським ученим, який займався, зокрема, проблемами зовнішньої балістики.
Зовнішня балістика - наука, що досліджує рух тіл після їх виходу з пристрою, надала їм це рух, тобто, наприклад, політ снаряда після його виходу зі ствола артилерійської гармати. Снаряд при цьому летить з дуже великою швидкістю, в тому числі і надзвуковий.
Цілком закономірно, що Н.В.Маіевскій в своїх дослідженнях і розробках (передових для свого часу і стали згодом фундаментальними) оперував поняттям, аналогічним числу Маха, причому років на 15 раніше свого німецького колеги.
А найголовніше (для офіційної ідеології :-)) було те, що російський вчений ні філософом 🙂 і не мав поглядів, що суперечать марксистсько-ленінської науки 🙂 ...
Однак, як би там не було, сьогодні чи не найголовніше визначення для сверхзвуков носить ім'я (точніше прізвище :-)) німця Ернста Маха. І саме по собі це слово вже давно перестало бути просто прізвищем. Мах, він мах і є 🙂. Тільки швидкість, тільки політ 🙂 ...
Повернемося, проте, до конкретики. Що ж таке це саме число М, і навіщо воно взагалі-то потрібно в авіації? Адже літали ж собі люди раніше на дозвукових швидкостях без жодних чисел Маха, та й зараз переважна більшість літальних апаратів на землі - дозвукові. Однак, не все так просто, як виглядає :-).
При будь-якому польоті апарату важче повітря одним з найважливіших його параметрів є швидкість . Способів виміру швидкості на сьогоднішній день, вобщем-то, більш ніж достатньо :-). Для прикладу, параметри руху літака щодо повітряного середовища можна виміряти наступним чином: ультразвуковий, термодинамічний, теплової, турбінний, манометрический.
А шляхову швидкість (Тобто швидкість щодо землі) можна виміряти допплеровским, кореляційні, радіаційним способом, а також способом візування земної поверхні.
Але самий, так би мовити, простий і логічний, давно застосовується, а тому, природно, пророблений і звичний все ж аерометричних (точніше кажучи, аеродинамічний) спосіб. З його допомогою якраз і змиритися повітряна швидкість літака і число Маха.
Однак спосіб цей має певні недоліки. Сам принцип його досить простий, і про нього ми вже раніше говорили . Повітря, набігаючи на літальний апарат, в результаті свого руху володіє деякою кінетичної енергією або, просто кажучи, швидкісним напором (ρV² / 2).
Потрапляючи в приймач повітряного тиску ( ПВД , або трубку Піто ) Він гальмується, і його натиск перетворюється в тиск на мембрану стрілочного приладу-покажчика. Чим швидше летить літак, тим більше швидкісний натиск, тим більшу швидкість показує стрілка приладу. Тобто, начебто, все як по нотах.
Але не тут-то було :-). Поки літальний апарат летить не дуже швидко (приблизно до 400 км / ч) і не дуже високо (тисяч десь до 2-ух, 3-х) все дійсно розгортається просто і закономірно. А далі ноти починають брехати :-) ...
Повітря взаємодіє з аеродинамічними поверхнями літака, визначаючи тим самим параметри його польоту. А ці параметри залежать від параметрів стану повітря, як газу, які, звичайно, залежать від умов, в яких знаходиться цей обсяг газу.
Наприклад, з висотою падають щільність і температура повітря . А чим щільність нижче, тим менше буде швидкісний натиск, з яким потік, що набігає тисне на мембрану покажчика швидкості.
Тобто виходить, що якщо прилад в кабіні пілота показує однакову швидкість на висотах, наприклад, 2000 м і 10000 м ( приладова швидкість ), То насправді це означає, що літак на 10000 м відносно повітря (і землі, звичайно, теж :-)) рухається значно швидше ( справжня швидкість ). Все через те, що повітря на висоті розріджене.
Плюс ще така, не зовсім, м'яко кажучи, зручна для польоту річ, як стисливість. Повітря - це газ, і, як будь-який газ, його можна при певних умовах стиснути, тим самим змінюючи параметри його стану. Такі умови виникають при обтіканні аеродинамічних поверхонь на досить великих швидкостях польоту (формально відлік починають від 400 км / ч).
Повітря перестає бути однорідною, однаковою у всіх напрямках середовищем, якою він вважається (хоч і досить груба результати) для малоскоростной літальних апаратів. Створюються умови для виникнення так званих стрибків ущільнення, змінюються швидкості руху повітряного потоку на різних ділянках аеродинамічній поверхні (профілю крила, наприклад), відбувається зрушення точки прикладання аеродинамічних сил, тобто змінюється сам характер обтікання і, в кінцевому підсумку, параметри керованості літального апарату. Тобто кажучи «розумними» термінами теорії сверхзвуков :-), починається хвильової криза.
Однак, про нього ми ще будемо говорити в подальшому. А поки можна помітити, що всі ці процеси залежать від параметрів повітряного середовища і техніко-конструктивних властивостей самого літального апарату.
Щоб описати аеродинамічні властивості літака у взаємодії з середовищем, з однаковою швидкістю руху може не вистачити. Адже її виміряна величина, якісно сама залежна від параметрів цього середовища, не завжди характеризує справжню картину обтікання (як в прикладі вище).
Тут потрібен такий критерій, який би враховував «в собі» параметри потоку і, спираючись на який, можна було б завжди правильно охарактеризувати аеродинамічні властивості літального апарату незалежно від умов польоту.
Говорячи це, я як раз і маю на увазі число М. І слово «критерій» вживаю не випадково. Справа в тому, що число Маха - це, кажучи мовою фізики, один з критеріїв подібності в газовій динаміці.
Сенс цього злегка хитромудрого назви насправді простий і полягає в тому, що якщо дві або більше фізичні системи мають однотипні критерії подібності, рівні за величиною, то це означає, що розглядаються системи подібні, тобто схожі або, кажучи зовсім спрощено (: - )) однакові.
Щодо нашого авіаційного нагоди це може виглядати, наприклад, так. Повітряний потік на двох різних висотах (припустимо ті ж 2000 і 10000 м), який взаємодіє з нашим літальним апаратом - це і є дві фізичні системи.
Однак, якщо приладові швидкості на цих висотах однакові, то це зовсім не означає, що вказане взаємодія теж буде однаковим, скоріше як раз навпаки. Тобто швидкість не може бути критерієм подібності, і ці дві системи в такій ситуації зовсім не подібні.
Однак, якщо ми говоримо про те, що літак на різних висотах (і взагалі в різних умовах) летить з однаковим числом Маха, то цілком правомірно стверджувати, що умови обтікання і аеродинамічні властивості на цих висотах (у цих умовах) будуть однакові.
Тут обов'язково варто сказати, що це твердження, незважаючи на свою вірність, спирається, проте, на чималі спрощення. Перше - це те, що число Маха, хоч і основний для нас критерій подібності в газодинаміці, але не єдиний. А друге виходить з визначення самого числа М.
Ернст Мах, проводячи свої дослідження, навряд чи замислювався про застосування їх результатів в авіації :-). Її тоді просто не було. Визначення було чисто науковим і фізично точним. Число Маха - це безрозмірна величина, що дорівнює відношенню швидкості потоку в даній точці просувалася газової середовища до швидкості звуку в цій точці.
Тобто М = V / a, де V - швидкість потоку в м / с, а - швидкість звуку в м / с. Таким чином число М як би враховує в собі швидкість руху плюс зміна параметрів повітряного середовища через швидкість звуку, яка як раз від цих параметрів і залежить.
Число Маха величина безрозмірна. В одиницях швидкості висловити його неможливо, і переклад його в лінійну швидкість недоцільний через мінливість швидкості звуку. Швидкість літального апарату, використовуючи число М, можна висловити тільки якісно, тобто оцінюючи, у скільки разів швидкість літака більше, або менше швидкості звуку.
При цьому формат запису значень може бути як з використанням знака рівності, так і без нього. Наприклад запис М3 (як і М = 3) може означати, що швидкість літального апарату перевищила швидкість звуку в три рази.
Спрощення стосовно авіації полягають у тому, що швидкість потоку замінена на швидкість руху фізичного тіла в газовому середовищі, тобто мається на увазі справжня швидкість руху літака. За швидкість звуку приймається швидкість звуку на висоті польоту. При цьому, однак, не враховується, що потік біля тіла складної форми, яким літальний апарат і є :-), може мати самі різні значення поблизу різних ділянок поверхні цього тіла.
Покажчик числа М на приладовій дошці надзвукового "Конкорда" (правий нижній кут). Над ним покажчик швидкості.
Однак, незважаючи на достатню некоректність спрощень, концепція числа Маханашла в авіації дуже широке застосування. Причому не тільки на надзвукових літаках, для яких відомості про кількість М, так би мовити, життєво необхідні :-), але і на багатьох дозвукових сучасних літаках.
Адже швидкості їх, хоч і дозвукові, досить великі. До того ж практичні висоти польотів теж немаленькі. Так як швидкість звуку з висотою відчутно падає, то виникає доцільність на великих висотах використовувати при пілотуванні число Маха.
Для цього є, по крайней мере, дві причини. По-перше, через велику різницю приладовій і істинної швидкостей , Про що я згадував вище (зайві похибки, до того ж дуже відчутні, нікому не потрібні :-)), а, по-друге, для можливості оцінки наближення хвильового кризи.
Справа в тому, що для кожного типу літального апарату його прояви мають місце при певних значеннях числа М. У зв'язку з цим практично всі сучасні лайнери мають польотні про граніченія за кількістю Маха для забезпечення сталого управління. Пілот при керуванні літаком стежить за тим, щоб це обмеження не було перевищено.
Покажчик приладової швидкості і числа М (в центрі) на приладовій дошці літака ЯК-42.
Покажчик істинної повітряної швидкості і числа М (в центрі) на приладовій дошці Boeing-747.
Таким чином число М - це не швидкість в чистому вигляді, але, тим не менш, важливий параметр, що дозволяє екіпажу правильно оцінювати умови польоту і здійснювати безпечне і точне управління літальним апаратом.
Для отримання інформації про кількість Маха практично всі сучасні швидкісні літаки мають в кабіні екіпажу покажчик числа М. В просторіччі його іноді називають махметром. У більшості випадків він є стрілочний покажчик за типом покажчика швидкості. Такі прилади можуть видавати або тільки значення числа Маха, або можуть бути об'єднані (скомбіновані) з покажчиком швидкості, істинної або приладової.
Покажчик числа М.
Покажчик швидкості УС-1600.
Покажчик істинної швидкості і числа М УСИМ-І. Такого типу покажчик стоїть на літаку МІГ-25.
Покажчик істинної швидкості і числа М (зліва вгорі) на приладовій дошці надзвукового МІГ-25.
Часто покажчики числа М виконують зі спеціальним сигналізатором, який в потрібний момент видає попередження екіпажу про перевищення будь-якого порогового значення цього числа.
МС-1. Покажчик числа М з електричної сигналізацією.
За своєю конструкцією і принципом дії покажчик числа М вобщем-то аналогічний вказівником повітряної (переобраний) швидкості . Але для обліку зміни умов з висотою в нього додана анероїдних коробка, що реагує на зміну тиску.
Кінематична схема покажчика числа М.
Переважна більшість сучасних літаків літає все-таки на дозвуке. Цьому режиму відповідає число Маха менше 0,8. Наступні режими польоту, на яких М приймає значення від 0,8 до 1,2 об'єднані під назвою Трансзвук. А коли число М змінюється від 1,0 до 5,0, то це вже чистий сверхзвук, зона надзвукового польоту сучасних військових літаків.
Є, правда, екземпляри безпосередньо до армії не відносяться, більш того досягають швидкостей, на яких число Маха перевищує п'ять одиниць. Це вже зона гіперзвуку. Однак говорити про ці полуекзотіческіх апаратах і режимах їх польоту ми будемо вже в наступних статтях загальної теми, присвяченій сверхзвуков.
До нової зустрічі :-).
Фотографії клікабельні.
No related posts.
