(иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.
На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха =5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов , что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).
Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса , и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α {\displaystyle \alpha } связан с числом Маха соотношением
sin α = 1 M . {\displaystyle \sin \alpha ={\frac {1}{M}}.}Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.
Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого - создаваемый им шум).
Волновой кризис
Волновой кризис - изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука , сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата - ростом лобового сопротивления , снижением подъёмной силы , появлением вибраций и пр.
Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:
Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с ещё большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своём «Мустанге» спикировал на Me-109 . Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трёхстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…
После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.
При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока . Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно - с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика - перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация . Это явление получило название волнового кризиса . Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой ( > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).
У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад, в результате чего нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса - попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй мировой войны с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109 , волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700-750 км/ч. В то же время, реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются.
Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности - треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем .
Почему преодоление самолетом звукового барьера сопровождается взрывоподобным хлопком? И что такое «звуковой барьер»?
С «хлопком» происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина «звуковой барьер». Этот «хлопок» правильно называть «звуковым ударом». Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.
Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.
Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.
А «звуковым барьером» в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, - он просто потеряет управление и развалится.
Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует «преодоление» своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается «аэродинамический удар» и характерные «скачки» в управляемости. Вот только с «хлопками» на земле эти процессы напрямую не связаны.
Перед тем, как самолет преодолеет звуковой барьер, может образоваться необычное облако, происхождение которого до сих пор не ясно. Согласно наиболее популярной гипотезе, рядом с самолетом происходит падение давления и возникает так называемая сингулярность Прандтля-Глауэрта с последующей конденсацией капелек воды из влажного воздуха. Собственно, конденсат вы и видите на фотках внизу...
Нажмите на рисунок, чтобы увеличить его.
Правообладатель иллюстрации SPL
О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель рассказывает об истинной причине феномена.
Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.
По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет - внутри компактного облака.
Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами - визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.
На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта - физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.
- Другие статьи сайта BBC Future на русском языке
По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.
Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.
Так что же это за таинственные облака конденсата?
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфереПо словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.
Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.
Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. "Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, - объясняет Ирвин. - Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde - запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью".
Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть - только при помощи специального оборудования.
Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.
Правообладатель иллюстрации Getty Image caption При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсатФотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.
В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.
Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.
Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.
Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео .
"Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха", - говорит Ирвин.
На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США - и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.
Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазомНа таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.
Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы - ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.
Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично - на дозвуковой.
"Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения", - говорит Ирвин.
По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно - теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.
Все, что вам остается сделать, - попросить об услуге профессионального фотографа, и - вуаля! - ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.
- Прочитать можно на сайте
Официально сверхзвуковую скорость первым преодолел летчик из США Чак Йегер. Рекорд был установлен 14.10.1957 года на Bell X-1, который специально для этих целей сконструировала в начале 1946 года компания Bell Aircraft. Летательный аппарат был изготовлен по заказу военных, однако отношения к ведению боевых действий не имел. Машина была буквально напичкана исследовательской аппаратурой. Внешне Bell X-1 напоминал современную крылатую ракету.
Летчик-испытатель Чак Йегер
Пилот в 1923 году 13 февраля. Окончив школу, юноша сразу поступил в летное училище, после окончания которого ему пришлось воевать в Европе. В самом начале летной карьеры пилоту удалось сбить «Мессершмит-109», но позже он сам потерпел поражение во французском небе и вынужден был прыгать с парашютом.
Летчика подобрали партизаны, однако контрразведка отстранила его от полетов. Возмущенный Чак добился приема у Эйзенхауэра, командовавшего союзными войсками. Тот поверил юноше и, как оказалось, не зря: бравый пилот до конца войны сумел сбить еще 13 самолетов.
Домой Йегер вернулся с отличным послужным списком, характеристиками, наградами, в звании капитана. Это способствовало зачислению летчика в специальную команду испытателей, которых в то время отбирали так же тщательно, как астронавтов. Свой самолет Чак стал «Пленительной Гленис», в честь супруги. Летательный аппарат оснащался одним реактивным двигателем и запускался с бомбардировщика В-52.
На крылатой машине летчик не раз устанавливал рекорды скорости: в конце 1947 он сначала побил предыдущий рекорд высоты (21372 м), а в 1953 сумел разогнать аппарат почти до 2800 км/ч, или 2,5 М (скорость звука измеряют в «махах», по имени немецкого философа, инженера; 1 М примерно равен 1200 км/ч). В отставку Йегер вышел бригадным генералом, в 1975 году, успев поучаствовать во вьетнамской войне и боевых действиях в Корее.
СССР не мог остаться в стороне от попыток преодолеть звуковой барьер; сразу несколько ОКБ (Лавочкин, Яковлев, Микоян) участвовали в подготовке летательного аппарата, который должен был летать быстрее звука. Такая честь выпала самолету Ла-176, из «компании» Лавочкина. Машину полностью подготовили к полетам в 1948 году, в декабре. А 26 числа полковник Федоров преодолел пресловутый барьер, разогнавшись на пикировании. Позже пилот получил звание Героя Советского Союза.
15 октября 2012, 10:32 
Австрийский спортсмен Феликс Баумгартнер совершил затяжной прыжок с парашютом из стратосферы с рекордной высоты. Его скорость в свободном падении превысила скорость звука и составила 1342,8 км в час, фиксированная высота - 39,45 тысячи метров. Об этом официально объявлено на итоговой конференции на территории бывшей военной базы Розуэлл (штат Нью-Мексико).
Стратостат Баумгартнера с гелием объемом 850 тысяч кубометров, сделанный из тончайшего материала, стартовал в 08:30 утра по времени Западного побережья США (19:30 мск), набор высоты занял около двух часов. Порядка 30 минут шли довольно волнительные приготовления к выходу из капсулы, замеры давления и проверка приборов.
Свободное падение, по словам специалистов, длилось 4 минуты и 20 секунд без раскрытого тормозного парашюта. Между тем организаторы рекорда заявляют, что все данные будут переданы австрийской стороне, после чего состоится окончательное фиксирование и сертификация. Речь идет о трех мировых достижениях: прыжок с самой высокой точки, продолжительности свободного падения и преодолении скорости звука.
В любом случае Феликс Баумгартнер - первый в мире человек, преодолевший скорость звука, находясь вне техники, отмечает ИТАР-ТАСС.
Свободное падение Баумгартнера продолжалось 4 минуты 20 секунд, но без стабилизирующего парашюта. В результате спортсмен едва не вошел в штопор и в течение первых 90 секунд полета не поддерживал радиосвязь с землей.
"На какое-то мгновение мне показалось, что я теряю сознание, - описал спортсмен свое состояние. - Однако раскрывать тормозной парашют я не стал, а попытался стабилизировать полет самостоятельно. При этом каждую секунду я отчетливо понимал, что со мной происходит".
В итоге "погасить" вращение удалось. В противном случае, если бы штопор затянулся, стабилизирующий парашют раскрылся бы автоматически.
В какой момент удалось превысить в падении скорость звука, австриец сказать не может. "Я не имею об этом ни малейшего представления, так как был слишком занят тем, чтобы стабилизировать свое положение в воздухе", - признался он, добавив, что не слышал также никакого характерного хлопка, который обычно сопровождает преодоление звукового барьера самолетами.
По словам Баумгартнера, "во время полета он практически ничего не чувствовал, не думал ни о каких рекордах".
"Я думал лишь о том, как вернуться на Землю живым и увидеть семью, родителей, свою девушку, - сказал он. - Иногда человеку нужно подняться на такую высоту только для того, чтобы осознать, насколько он мал". "Я думал только о своей семье", - поделился переживаниями Феликс. За несколько секунд до прыжка его мыслью было: «Господи, не оставь меня!»
Самым опасным моментом скай-дайвер назвал выход из капсулы. "Это был самый волнительный момент, ты не чувствуешь воздух, не понимаешь физически, что происходит, при этом важно отрегулировать давление, чтобы не погибнуть, - отметил он. - Это самый неприятный момент. Ненавижу это состояние".
А "самый красивый момент - осознание, что стоишь на "вершине мира", - поделился спортсмен.
