Число Маха значит больше, чем вы думаете

Вы когда-нибудь хотели стать летчиком? Знайте, цель без плана – это просто желание (слова великого классика Антуана де Сент–Экзюпери). Стоит заметить, он был не только писателем, но и профессиональным пилотом.

Абсолютно все люди, связанные с небом, проходят курсы аэродинамики. Это наука о движении воздуха (газа), которая также изучает воздействие этой среды на обтекаемые объекты. Одним из разделов аэродинамики являются особенности полёта на сверхзвуковых летательных аппаратах. И здесь учащемуся предстанет взору во всей красе буква M. Что же она обозначает?

Очень краткая справка

Латинская буква M в учебниках по аэродинамике - не что иное, как число Маха. Обозначает оно отношение скорости обтекания потоком объекта (например, самолёта) к местной скорости звука. Своему названию в авиационных трудах она обязана австрийскому учёному Эрнсту Маху. Научными словами выглядит так:

M=v/a

Здесь, v – скорость набегающего потока, a – местная скорость звука. Стоит заметить, что в зарубежных источниках используется скорость объекта, в отличие от отечественной литературы. У человека, который не встречается с этим в профессиональной деятельности, скорее всего, останется два вопроса. Какая-такая местная скорость звука? Зачем нужно число Маха?

К взлёту готов!

Что понимается под словом звук? Прежде всего, это волна. Ведь источник звука создает в среде возмущения, которые передаются молекулам воздуха, и так по цепочке. Поэтому с увеличением высоты, где атмосфера более разряжена, звуковая волна будет распространяться с меньшей скоростью. Соответственно, в формуле числа Маха присутствует именно местная скорость звука. Все значения для конкретных высот уже посчитаны (спец. таблицы) - вам остаётся только подставить. Скорость набегающего потока измеряется с помощью приемников воздушного давления (ПВД), которые устанавливаются на всех самолётах. Теперь у нас все данные, значит, с легкостью посчитаем число Маха. Возникает справедливый вопрос: "А Почему бы не использовать просто скорость полёта?". Не забываем, вы летаете на высоких числах М.

Три, два, один - поехали

Число Маха в авиации (и не только) играет огромную роль. Практически все пилоты гражданских, военных и космических шаттлов не могут обойтись без него. Настолько важен этот параметр!

Когда летательный аппарат перемещается в пространстве, молекулы воздуха вокруг него начинают «возмущаться». Если скорость воздушного судна мала (M<1, ~ 400 км/ч, дозвуковые ВС), то плотность окружающей среды остается постоянной. Но, по мере увеличения кинетической энергии, часть её уходит на сжатие околосамолётного воздушного пространства. Этот эффект компрессии зависит от того, с какой силой летательный аппарат действует на молекулы воздуха. Чем выше скорость полёта, тем больше воздух сжимается.

На околозвуковой скорости (~1190 км/ч), малые возмущения передаются другим молекулам вокруг воздушного судна (проще рассматривать поверхность крыла), и в один прекрасный момент, когда в какой-то точке скорость набегающего потока сравнивается с местной скоростью звука (M=1, именно потока, ВС может лететь с меньшей скоростью), возникает ударная волна. Поэтому так очевидна разница в конструкции истребителей: их крылья, хвостовое оперение и фюзеляж, по сравнению с дозвуковыми летательными аппаратами.

На воздушных судах, выполняющих полеты с M<1, но на высоких скоростях (современные пассажирские лайнеры), такая ситуация тоже может произойти, только переход на околозвуковую скорость приведёт к более сильной ударной волне, значительному увеличению лобового сопротивления, уменьшению подъёмной силы, потере управления и дальнейшему падению.

Для таких ВС в документах по летной эксплуатации (РЛЭ для отечественных, FCOM для зарубежных) указывается критическое число Маха. Это самое минимальное значение М, на котором набегающий поток в любой части воздушного судна достигнет скорости звука (Мкр). Вот и весь секрет!

Кстати, самые удачливые летающие пассажиры Советского Союза, путешествовали быстрее современных. Не верите?

Новое – это давно забытое старое

Старички быстрее молодых! И это не шутка. Один старый забытый всеми самолёт был когда-то флагманом авиации СССР. Звали его ТУ-144. Это был первый (и есть) в мире сверхзвуковой пассажирский авиалайнер, выполнявший коммерческие рейсы, с максимальной скоростью до 2500 км/ч. Хотя летная карьера Ту-144 была непродолжительной, его судьба была неразрывно связана с числом М.

Вторым похожим воздушным судом являлся британо-французский «Конкорд». Примечательно, что первый полёт они совершили с разницей всего лишь в два месяца. Хорошие знания аэродинамики помогут пассажирам коммерческих рейсов забыть о долгих перелётах через Атлантику. А полеты воздушных судов и космических кораблей будут и дальше вдохновлять человечество на новые открытия.