Звуковий удар 2

У перший період експлуатації надзвукових літаків значну увагу привертала проблема так званого звукового удару-явища, незвичайного для попереднього розвитку авіації. З'ясування фізичного змісту, широка поширеність явища, а пізніше і введення обмежень в польотах військових літаків над великими населеними пунктами привели до того, що в подальшому до цього явища звикли. Лише в 70-х роках - після введення в експлуатацію надзвукових пасажирських літаків - воно знову набуло актуальності у зв'язку з вимогами обмеження шуму, які були висунуті внаслідок підвищення уваги до охорони середовища проживання людини.

Правда, звуковий удар короткочасний, але в деяких випадках він може бути і тривалим, а його несприятливий вплив пов'язано з великою інтенсивністю і раптовістю виникнення звукового удару. Явище це разюче схоже на артилерійський залп, і ясно, що воно шкідливе впливає на органи слуху і при відповідній інтенсивності може навіть бути причиною їх пошкодження. Крім того, звуковий удар може викликати також зміна частоти пульсу, порушує душевну рівновагу людини, впливає на самопочуття водіїв транспорту і т.п. Інтенсивні звукові удари можуть порушити паніку серед великих стад тварин, розтріскування і осипання штукатурки стін і навіть руйнування стін і покрівлі будівель. Серед цих аргументів зустрічаються також твердження про можливість порушення біологічної рівноваги середовища, забруднення атмосфери і т.п. Багато з них схожі з аргументами противників перших транспортних засобів з паровим двигуном і обумовлені або консерватизмом частини людей, або міркуваннями торгової конкуренції. Проте стало необхідним проведення спеціальних досліджень шкідливих наслідків звукового удару для визначення допустимих рівнів шуму, а особливо допустимої нижньої межі висоти польоту надзвукових літаків над заселеними територіями. Безумовно, саме по собі вивчення явища не дозволяє ще екологічних проблем звукового удару, а дає лише орієнтири того, як можна уникнути її негативних наслідків. Отже, в чому полягає явище звукового удару?

Вище вказувалося, що під час польоту літака зі швидкістю звуку перед ним виникає ударна хвиля, в якій швидкість потоку різко знижується, а тиск (і, отже, щільність і температура) зростає. Таким чином, відбувається вивільнення значної кількості енергії в навколишнє літак середу, що призводить до інтенсивних коливань частинок повітря, що виявляється у вигляді громового звуку, подібного гуркоту гарматного залпу. У період перших польотів з короткочасним перевищенням швидкості звуку (при пікіруванні, оскільки раніше всього швидкість звуку була досягнута на цьому режимі) звуковий удар сприймався спостерігачем на землі два рази. Перший бавовна відбувається в момент перевищення літаком швидкості звуку, а другий-в момент зворотного переходу через неї. Проміжок часу, що розділяє ці два удари, визначається тривалістю польоту з надзвуковою швидкістю; з урахуванням неоптимальні аеродинамічних форм літака того часу з ростом щільності повітря відбувалося швидке гальмування літака. Як видно з рис. 1.12, при пікіруванні літака з відносно невеликої висоти обидва удари можуть бути почуті одночасно. Звукова хвиля переміщається (очевидно, зі швидкістю звуку) в напрямку, перпендикулярному її площині, тому інтенсивність удару в даному випадку буває тим більше, чим крутіше пікірування і чим менше відстань від літака до спостерігача.

Мал. 1.12. Виникнення першого і другого звукових ударів.

Мал. 1.13. Зміна тиску в звуковій хвилі N у вертикальній площині під літаком (а) і зона чутності звукового удару на землі під час польоту англо-французького пасажирського літака «Конкорд» з надзвуковою швидкістю (б).

При польоті з надзвуковою швидкістю на поверхнях планера створюється складна система стрибків ущільнення і областей низького тиску. Найбільш інтенсивні скачки створюють носова частина літака, яка в польоті першою зустрічає частки невозмущенного потоку повітря, і елементи хвостовій частині, де практично закінчуються обурення, що вносяться літаком в навколишнє середовище. Ці два стрибка ущільнення називаються відповідно головною і хвостовою. Проміжні обурення або наздоганяють головний стрибок, або через меншу швидкості наздоганяє хвостовим стрибком. Таким чином, вже на невеликій відстані від літака система стрибків ущільнення перетворюється в двухскачковую систему. За головним стрибком тиск повітря стрибкоподібно зростає вище атмосферного на значення Ар, а потім плавно зменшується нижче атмосферного на те ж саме значення. У хвостовому стрибку відбувається стрибкоподібне зростання тиску до атмосферного значення.

Описана плоска модель виникнення системи стрибків ущільнення в дійсності є просторовою системою, яку можна привести до двох конусів Маха. Таким чином, при горизонтальному польоті з постійною надзвуковою швидкістю звукової удар чути одночасно в різних точках поверхні Землі (цей вид звукового удару називається надзвуковим; в залежності від довжини літака і висоти польоту проміжок часу, що розділяє обидві хвилі, може бути такий малий, що хлопки зливаються в один відгомін). Геометричним місцем цих точок є гіпербола, утворена перетином конуса Маха з поверхнею Землі. Оскільки літак рухається з певною швидкістю, слідом за ним поширюються ударні хвилі, які у вигляді гучних гуркоту чуються на певній території. Практично це означає, що звуковий удар супроводжує надзвукові літаки протягом всієї траси польоту, починаючи з моменту досягнення швидкості звуку аж до моменту зворотного переходу через швидкість звуку при гальмуванні перед посадкою.

Розміри зони чутності звукового удару (ширина «коридору», над яким літак пролітає з надзвуковою швидкістю) і його інтенсивність залежать від багатьох параметрів. Зі збільшенням маси літака і його швидкості, а також зі зменшенням висоти польоту інтенсивність звукового удару зростає, а зона чутності зменшується. Так як до сих пір не розроблено активних засобів, що знижують інтенсивність звукового удару, поки єдино можливими засобами є пасивні. Так, для конкретного типу літака допустимий рівень акустичного тиску визначається шляхом встановлення мінімально допустимої висоти польоту над населеними територіями.

Льотні дослідження літака «Конкорд» показали, що при польоті на висоті 18000 м з М = 2,2 кут конуса Маха становить близько 30 °, акустичний тиск Ар х 0,1 кПа, а зона чутності звукового удару має ширину

100 км. Встановлено також, що на відстані близько 200 км від аеродрому літак повинен вже летіти над малонаселеній територією. Дійсний вплив звукового удару, виробленого експлуатованими в даний час пасажирськими літаками, до кінця ще не вивчено. Однак встановлено, що водні тварини і риби не піддаються його негативних наслідків, а дикі і домашні тварини на відкритій місцевості реагують на нього, як на грозовий грім середньої інтенсивності. Чи не виявлено також негативних впливів польотів надзвукових літаків над горами, скелями, береговими кручами і т.п. Отже, результати проведених до теперішнього часу досліджень говорять про те, що зараз немає необхідності у введенні будь-яких нових жорстких обмежень для трас пасажирських надзвукових літаків.