Физиката на свръхзвуковото свободно падане и надпреварата за изграждане на по-спокоен Конкорд

Ако искате да построите ракета с нов смел дизайн, трябва да имате начин да проверите неговата структурна цялост, без да инсталирате двигател. Нямате аеродинамичен тунел, но не сте готови да признаете. Мислиш си за себе си: „Какво е полет без задвижване?“ След това отговаряш на собствения си въпрос: „Падане“. Казано по-просто, най-лесният начин да се лети без изстрелване е да падне. Вземете прототипа много високо, пуснете го и ще получите усещане за неговата скорост на скорост.

Най-големият практикуващ в света изкуство на прецизното отпадане е Японската агенция за аерокосмически проучвания или JAXA, която е основно японската версия на НАСА. Агенцията се опитва да изгради практичен свръхзвуков самолет, което не е лесно. Подобни усилия в миналото са създавали посредствени продукти, най-известни са Concorde.

Конкордът е измъчван от проблеми, които не позволяват на други авиолинии да приемат един и същ вид дизайн за собствените си плавателни съдове. Един от най-големите проблеми беше излишният шум. Терминът "звуков бум" не е погрешно название - нарушаването на звуковата бариера е безумно силен феномен. Производителите трябваше да проектират самолета, за да пазят главите на пътниците от експлозия, а самолети не можеха да летят над земята, тъй като никой човек на земята не иска да бъде подложен на такива разрушително силни звуци. Целта на JAXA е да създаде по-спокоен свръхзвуков пътнически самолет. И тестването му чрез тестовете за капки с експериментален модел в Швеция.

Как, по дяволите, работи това? По принцип балонът вдига безпилотната самолет - моделът на Silent SuperSonic на JAXA е около 18,6 мили във въздуха и просто го изпуска. Сензорите, прикрепени към равнината, измерват ударните вълни, тъй като равнината се приближава до скорости до 1,33 Mach в свободно падане.

Физиката на свръхзвуково свободно падане не е толкова различна от това как действа обект, движещ се по-бързо от звука в хоризонтална равнина. Въздухът става силно компресиран пред самолета, който наводнява вълна от високо налягане във всички посоки. Тази ударна вълна започва да се разпространява във въздуха, но става по-слаба, докато се движи по-далеч, превръщайки се в звукова вълна в процеса. Това е силната експлозия, която чуваме и наричаме звуков бум.

За да разберем какво е специално за свръхзвуково свободно падане, трябва да разгледаме по-отблизо какво точно означават числата на Маха: съотношението между скоростта на обекта и скоростта на звука на определено място. А скоростта на звука е подложена на промени в температурата и налягането - при по-високи височини скоростта на звука намалява, така че обектът не трябва да пътува непременно със същата скорост, за да достигне Mach 1 на десетина мили във въздуха, тъй като на морското равнище. (Скоростта на звука на морското равнище е около 760 мили в час).

Освен това Mach 1 е силно нестабилна среда поради ударната вълна, създадена от прекъсване на звуковата бариера. Дори малки движения могат да имат много силни физически ефекти върху обекта. Най-лошото място е между 0.9 и 1.2.

Така че, когато един обект се движи със свръхзвукови скорости в свободно падане, той е в необичайната позиция да ускорява по-бързо, докато неговото число на Мах се увеличава с по-бавна скорост. Повече време се изразходва в нестабилната зона на Мах, отколкото ако се движи по хоризонтална равнина. Повечето самолети са проектирани да преминават покрай Mach 1 и да влизат в безопасна зона възможно най-бързо. Не можете да изпробвате нещо подобно в експеримент за свободно падане.

Скоростта също се изплъзва поради влачене. Ето какво се случи в най-известния случай на обект, движещ се по-бързо от звука чрез гравитация: скокът на Феликс Баумгартнер през 2012 г. от около 23 мили нагоре във въздуха, за да стане първият водолаз, който да прекъсне звуковата бариера без употреба на самолет. Когато Баумгартнер падна на Земята, той накрая спря да ускорява поради сблъсъка с молекулите на въздуха, създавайки „сила на съпротивлението“, която се натрупва като съпротивление на въздуха, докато стане равна и противоположна на силата на гравитацията. В този момент Баумгартнер достигна максимална скорост.

Всъщност, докато повечето обекти, които достигат крайната скорост, просто ще останат с постоянна скорост, Баумгартнер всъщност започна да се забавя, тъй като обкръжаващата атмосфера започва да става по-дебела и по-дебела, тъй като обектът в свободно падане пада надолу. Така скоростта на терминала започва да намалява, което означава, че Baumgartner също започва да се забавя. Същото нещо би се случило и с една от самолетите на Silent SuperSonic, които JAXA тества.

Науката, както и повечето други неща в живота, е по-хладна, когато е по-бърза.