Распространение звуковых волн в потоке
В неподвижном воздухе звуковые волны распространяются от породившего их источника А, со скоростью звука во все стороны одинаково (рис. I).
Если возмущение производится в потоке воздуха, то звуковые волны распространяются радиально со скоростью звука и одновременно сносятся потоком на расстояние, равное его скорости. Конечный результат зависит от отношения скорости потока к скорости звука, т.е. величины числа М.
Если скорость потока V<a, т.е. М<1, то звуковые волны распространяются против потока со скоростью a-V, а по потоку – со скоростью a + V, в результате чего они хотя и распространяются во все стороны от источника возмущения, но уже неравномерно от отношению к нему. (рис. 83)
Если скорость потока будет равна скорости звука (М=1), то звуковые волны, очевидно, тем более не смогут распространяться против потока (рис. 83) и при М>1 будут концентрироваться позади источника в некоторой конической части пространства, вытянутой по направлению потока (рис.IV). В пространстве из этих сферических разрастающихся волн получается конус возмущений или волновой конус. Форма конической волны, т.е. угол при вершине конуса зависит от числа М.
sin
j
=
Итак, при обдувании тела сверхзвуковым потоком позади его возникает волновой конус. Вне этого конуса воздух находится в полном покое. Поверхность конуса является границей между областью, в которую возмущающее действие тела дошло, и областью, в которой воздух еще совершенно не возмущен.
Скачки давления и уплотнения воздуха
Если тело, которое летит со сверхзвуковой скоростью, имеет значительное поперечное сечение (крыло, фюзеляж), то оно создает сильное возмущение воздуха.
Вызываемые телом волны сносятся потоком, отстают от тела и не могут предупредить находящийся впереди воздух о приближении тела. Поэтому оно с огромной скоростью врезается в совершенно невозмущенный воздух. В этом случае передняя, головная, часть волнового конуса образуется резким и сильным повышением давления, плотности и температуры воздуха или скачком давления, плотности и температуры.
Основной особенностью скачка уплотнения является то, что толщина воздушного слоя в нем очень мала (всего около 10-5 мм), в связи с чем происходит резкое ударное возрастание давления, плотности и температуры воздуха. Поэтому головную волну называют также ударной волной. Она движется вместе с крылом самолета и мы ее слышим как хлопок.
В зависимости от ориентировки поверхности скачка уплотнения по отношению к направлению скорости набегающего потока, скачки давления бывают прямые и косые. На рисунке (стр.84) показан характер обтекания тела при дозвуковой (a) и сверхзвуковой (б) скоростях, а также эпюры изменения скорости и давления воздуха при обтекании им тела.
Волновое сопротивление
При сжатии воздуха на скачке уплотнения, связанном с торможением сверхзвукового потока, теплообмен с внешней средой отсутствует. При этом часть кинетической энергии необратимо переходит на скачке в тепло, нагревает воздух и поверхность самолета. Необратимый переход кинетической энергии в тепловую, на скачках уплотнения, является источником дополнительного сопротивления, которое называется волновым сопротивлением QB. Волновое сопротивление значительно увеличивает сопротивление самолета
Qc = Qкр + Qвр + Qв
На малых скоростях наиболее выгодная и хорошо обтекаемая форма тела характеризуется закругленной и довольно тупой передней частью и более заостренной задней. На больших скоростях, когда сопротивление возрастает вследствие появления добавочного волнового сопротивления, указанная форма уже не будет выгодной.
На больших скоростях должна быть заострена не столько задняя, сколько передняя, носовая часть тела. В этом случае при одной и той же скорости скачок давления и уплотнения воздуха перед телом получается менее интенсивным, если его носовая часть не тупая, а заостренная. Чем острее носовая часть тела, тем меньшее возмущение вызывает она в потоке, а значит, меньше будет и волновое сопротивление.