Supersonic Free Fall fizika un sacīkstes, lai izveidotu klusāku Concorde

Ja vēlaties veidot raķeti ar drosmīgu jaunu dizainu, jums ir jābūt iespējai pārbaudīt tā strukturālo integritāti, neinstalējot dzinēju. Jums nav vēja tuneļa, bet neesat gatavs piekrist. Jūs domājat par sevi: „Kas ir lidojums bez dzinējspēka?” Tad jūs atbildat uz savu jautājumu: “Kritums”. Vienkārši runājot, vienkāršākais veids, kā lidot bez palaišanas, ir kritums. Paņemiet ļoti augstu prototipa tipu, nometiet to un jūs saņemsiet sajūtu par tās sniegumu ātrumā.

Pasaulē visprecīzākais precizitātes kritiena mākslinieks ir Japānas Aerospace izpētes aģentūra jeb JAXA, kas būtībā ir Japānas NASA versija. Aģentūra cenšas veidot praktisku virsskaņas plakni, kas nav viegli. Līdzīgi centieni pagātnē radīja viduvējus produktus, visbiežāk - Concorde.

Konkordam bija problēmas, kas neļāva citiem lidmašīnām pieņemt tādu pašu dizainu savam kuģim. Viena no lielākajām problēmām bija pārmērīgs troksnis. Termins "skaņas uzplaukums" nav nepareizs - skaņas barjeras pārrāvums ir neparasti skaļa parādība. Ražotājiem bija jāplāno lidmašīna, lai pasargātu pasažieru galvas no sprādziena, un lidmašīnas lidmašīnas nevarēja lidot virs zemes, jo neviens cilvēks uz zemes negribēja tikt pakļauts šādām destruktīvi skaļām skaņām. JAXA mērķis ir radīt klusāku virsskaņas pasažieru lidmašīnu. Un tā testēšana, izmantojot eksperimentālos modeļus Zviedrijā.

Kā ellē tas darbojas? Būtībā balons paaugstina bezpilota modeļa plakni - JAXA kluso SuperSonic konceptuālo modeli aptuveni 18,6 jūdzes uz augšu gaisā un vienkārši nomest to. Sensori, kas piestiprināti pie plaknes, mēra trieciena viļņus, kad lidmašīna brīvā kritienā sasniedz ātrumu līdz 1.39 Mach.

Bezskaņas brīvā kritiena fizika neatšķiras no tā, kā darbojas objekts, kas pārvietojas ātrāk nekā skaņa horizontālā plaknē. Gaiss ir spēcīgi saspiests plaknes priekšā, kas pārplūst augstu spiediena viļņu visos virzienos. Šis trieciena vilnis sāk izplatīties pa gaisu, bet kļūst vājāks, virzoties tālāk, kļūstot par skaņas vilni šajā procesā. Tā ir skaļa sprādziena, ko dzirdam un saucam par skaņas bumu.

Lai saprastu, kas ir īpašs attiecībā uz virsskaņas brīvu kritumu, mums vajadzētu tuvāk apskatīt to, ko tieši Mach skaitļi attiecas uz: attiecību starp objekta ātrumu un skaņas ātrumu noteiktā vietā. Un skaņas ātrums ir pakļauts temperatūras un spiediena izmaiņām - augstākajos augstumos skaņas ātrums samazinās, tāpēc objektam nav nepieciešams ceļot ar tādu pašu ātrumu, lai sasniegtu Mach 1 duci jūdzes gaisā, kā tas tas notiek jūras līmenī. (Skaņas ātrums jūras līmenī ir aptuveni 760 jūdzes stundā).

Turklāt Mach 1 ir ļoti nestabila vide, pateicoties trieciena viļņai, ko rada skaņas barjeras pārrāvums. Pat nelielām kustībām var būt ļoti spēcīga fiziska ietekme uz objektu. Sliktākā vieta būtībā ir no 0,9 līdz 1,2.

Tātad, kad objekts pārvietojas pa virsskaņas ātrumu brīvā kritienā, tas ir neparastā situācijā, kad tas paātrinās ātrāk, kamēr tā Mach skaits palielinās lēnāk. Vairāk laika tiek pavadīts nestabilajā Mach zonā nekā tad, ja tas pārvietotos horizontālā plaknē. Lielākā daļa lidmašīnu ir konstruētas tā, lai pārvietotos pagātnē Mach 1 un pēc iespējas ātrāk ievadītu drošu zonu. Jūs nevarat izmēģināt kaut ko līdzīgu brīvā kritiena eksperimentā.

Ātrums arī izspiežas vilkšanas dēļ. Tas notika, visticamāk, slavenākajā gadījumā, kad gravitācijas ceļā pārvietojas ātrāk par skaņu: Felix Baumgartner lēkt 2012.gadā no aptuveni 23 jūdzēm uz augšu gaisā, lai kļūtu par pirmo debess nirēju, lai izjauktu skaņas barjeru, neizmantojot gaisa kuģi. Kad Baumgartneris nokrita uz Zemi, viņš galu galā pārtrauca paātrināšanos sadursmes ar gaisa molekulām dēļ, radot “vilces spēku”, kas veidojās kā gaisa pretestība, līdz tas kļuva vienāds un pretējs smaguma spēkam. Šajā brīdī Baumgartner bija sasniedzis maksimālo ātrumu.

Faktiski, lai gan lielākā daļa objektu, kas sasniedz gala ātrumu, vienkārši paliktu nemainīgā ātrumā, Baumgartneris faktiski sāka palēnināties, jo apkārtējā atmosfēra sāk kļūt biezāka un biezāka, jo objekts brīvajā kritienā pārvietojas. Tātad termināla ātrums sāk samazināties - tas nozīmē, ka Baumgartneris sāka palēnināties. Tas pats varētu notikt ar vienu no „Silent SuperSonic Concept” lidmašīnām, kuras testē JAXA.

Zinātne, tāpat kā lielākā daļa citu dzīves, ir vēsāka, ja tā ir ātrāka.