Supersonisk flyvning

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Supersonisk flyvning: stødbølgestruktur af en supersonisk T-38C synliggjort med AirBOS-metoden ( AirBOS, luft-til-luft baggrundsorienterede striber ), 2015
Machscher kegle . Adfærden ved supersonisk hastighed er vist til højre: en stødbølge dannes (blå).
En F / A-18 Hornet jagerbomber i supersonisk flyvning. Du kan se sky -diskeffekten .

At flyve med supersonisk betyder, at lufthastigheden er større end lydhastigheden i nærheden af flyet . I flyfysik gøres hastigheder dimensionsløse med lydens hastighed og kaldes Mach -nummeret (forkortelsen M eller Ma ), opkaldt efter fysikeren Ernst Mach . Supersonisk flyvning betyder flyvning med Ma > 1.

Lydens hastighed i luften

Lydens hastighed er defineret af , hvor κ (kappa) er forholdet mellem de specifikke varme , er luftens specifikke gaskonstant og T er den termodynamiske temperatur (målt i Kelvin ) (enhed K ). Det er derfor afhængigt af temperaturen, men uafhængigt af lufttrykket. Fugtigheden øger produktet en smule , men indflydelsen på lydens hastighed er mindre end 1% selv under tropiske forhold. Er i tør luft og . til dette resulterer derefter i en lydhastighed på . Med stigende flyvehøjde falder lydhastigheden på grund af de lavere temperaturer. Inden for de sædvanlige flyvehøjder over 11 km har standardatmosfæren en temperatur på . Dette resulterer i en lydhastighed på .

Lydbarriere

Nærmer sig lydhastighedens plan ( Ma = 1), det skyldes luftens kompressibilitet til stødbølger på forskellige dele af flyet (se også kompressionsstød ). Som følge heraf øges den aerodynamiske modstand (vindtryk) betydeligt, indtil denne grænse, billedligt kendt som lydbarrieren , er overvundet. Derefter falder modstanden igen (men forbliver højere end i det subsoniske område). Ved normal drift giver moderne militære motorer tilstrækkelig kraft til at kunne flyve supersonisk kontinuerligt i plan flyvning, som er kendt som supercruise . Ældre flymodeller kræver en efterbrænder til dette eller skal dykke ned i et dyk for at kunne accelerere til supersonisk hastighed. Lufthastigheden, hvor de første supersoniske områder og dermed også kompressionsstød forekommer i luftstrømmen omkring flyet, er - afhængigt af flyets konstruktion mere eller mindre betydeligt - under lydhastigheden. Hvis der er tilstrækkelig luftfugtighed, dannes kondensskyer i disse områder, hvis bagende er markeret med et sammenstød ( cloud disk -effekt ) (se billedet ovenfor). Hastighedsområdet, hvor områder med både højere og lavere lydhastigheder opstår, når flyet flyder rundt, kaldes transonisk og dækker et lufthastighedsområde på cirka Ma = 0,8 til 1,2.

Udviklingen af ​​den fejede vinge var meget vigtig for at overvinde lydbarrieren . [1] Som følge heraf kunne stigningen i modstand, når man nærmer sig lydens hastighed, reduceres kraftigt. For at overvinde lydbarrieren med et fly er det dog normalt også nødvendigt at overholde områdets regel . Derefter kan flyets tværsnit kun ændre sig langsomt som en funktion af den aksiale position. Først da denne regel blev taget i betragtning og efter betydelige ændringer i flykroppen, kunne YF-102A være det første fly, der blev accelereret til supersonisk hastighed med egne motorer i flyvning. [2]

Den første prototype af YF102A brød endda lydbarrieren på sin allerførste flyvning (20. december 1954, Lindbergh Field nær San Diego), mens den stadig klatrede . [2]

Hvis lydhastigheden overskrides ( Ma > 1), spredes den såkaldte Mach-kegle konisk bagud, startende fra flyets næse og vingerne .

opvarmning

SR-71 , brug af titanium til at klare varmegenerering

Da luften ikke flyder hurtigt nok væk, fører det dynamiske tryk , især for enden, til en kompressionsrelateret opvarmning af luften og dermed af missilet. Ved højere supersoniske hastigheder bliver denne opvarmning så stor, at styrken af ​​det aluminium, der normalt bruges i flykonstruktion, forringes, indtil det svigter.

Sonisk bom

Den soniske bom er den hørbare effekt af stødbølgen ( kompressionschok ), der opstår, når et legeme bevæger sig gennem et medium med supersonisk hastighed.

Konisk udbredelse af trykbølgen bag et supersonisk missil , forløb af trykbølgens hyperbolske jordkontakt
Supersonic dobbelt bang
Wing - Luftstrøm ved supersonisk hastighed

Denne stødbølge har form af to kegler, en på flyets næse og en på flyets hale. Koglerne åbner mod flyveretningen. I tilfælde af små fly eller projektiler konvergerer disse tæt nok til at blive opfattet som et enkelt brag; I store fly er stødbølgerne klart at skelne mellem og forårsager et "dobbelt bang" hvert par hundrededele af et sekund (det menneskelige øre kan registrere meget små tidsforskelle ( transittidsforskel )). I stor afstand fra observatøren øges tidsintervallet mellem de to stødbølger og kan være flere tiendedele af et sekund i tilfælde af store fly eller rumfærger . Årsagen til denne stigning er små forskelle i stødbølgernes udbredelseshastighed; I modsætning til normale lydbølger afhænger stødbølgernes udbredelseshastighed af deres amplitude .

Selvom braget kun opfattes én gang på et tidspunkt, er der på ingen måde et eneste brag, når lydbarrieren brydes. Keglens nedre overfladelinje bestemmer det tidspunkt, hvor banget når modtageren, og modtageren hører det, selv før opfattelsen z. B. motorstøj. I mellemtiden fortsætter keglen dog med at bevæge sig, hvorfor den også kan nå en anden modtager et stykke væk og høre endnu et brag. Banget, når man flyver med supersonisk hastighed, opfattes først af observatøren, efter at observatøren har fløjet over det (forsinket af flyvehøjden, dvs. med et sekund ved 340 meter). Lyden og dermed den soniske boom af et objekt, der bevæger sig med supersonisk hastighed, bliver derfor "trukket med".

Med stigende hastighed bliver koglerne "strammere" omkring flyet, og på samme tid - på grund af den højere energi, der overføres til luften pr. Rejseenhed - stiger deres amplitude og dermed volumen af ​​det soniske bom. Bangens volumen afhænger også af mængden af ​​luft, der forskydes og dermed af flyets størrelse. Energien E frigivet pr. Afstand s er inkluderet

hvori trækkoefficienten er i det supersoniske område og for det meste omkring det dobbelte af værdien i det subsoniske område. Endvidere er flyets frontareal , lufttætheden og lufthastigheden i forhold til den omgivende luft. Den effekt, der frigives til luften, er tilsvarende ved konstant lufthastighed

Energien pr. Afstandsenhed er afgørende for amplituden og dermed for bangens volumen, mens ydelsen har en direkte indflydelse på brændstofforbruget.

I meget store højder rører koglerne ikke længere jorden, men omdannes til meget lavfrekvente lydbølger , og smellet opfattes ikke længere der ( se også: infralyd ). I tilfælde af meget store missiler eller ekstremt høje supersoniske hastigheder kan trykbølgen ikke desto mindre være stærk og / eller koncentreret nok i tide til, at hørbare lydbølger eller endda stødbølger når jorden. Dette er z. B. sagen med genindtræden af rumfærger eller indrejse af større meteoroider .

Af disse støjgrunde øgede Concorde normalt kun flyvehastigheden til supersonisk over ubeboede områder (normalt over det åbne hav). Concorde -flyvningen fra 1986 fra Paris til Leipzig er en specialitet. Fra det roterende fyrtårn (VOR) TrentRügen til VOR Fürstenwalde fløj maskinen med supersonisk hastighed over DDR -området. DDR udførte støjmålinger og overførte resultaterne til den franske side.

historie

De første menneskeskabte genstande, der oversteg lydhastigheden, var enderne af pisk og slynger . Den teoretiske beskrivelse af piskens revne blev lavet af fysikeren István Szabó og tidligere Richard Grammel .

Den 1. juli 1941 nåede Heini Dittmar en hastighed på 1004 km / t med Me 163 BV18 Komet VA + SP højt over Luftwaffe-teststedet Peenemünde-West og var den første pilot, der opnåede en hastighed i det kritiske område under sin flyvning Mach nummer nået. I magasinet Der Spiegel blev Dittmar citeret således: "Disse såkaldte Mach-fænomener, som jeg oplevede som den første pilot, var de første banker på lydmuren." [3]

I Storbritannien i 1943 blev de kræfter, som jagerpiloter følte i ekstreme situationer, undersøgt med propelfly; et Mach -antal på 0,9 blev opnået i dykkerflyvninger i 12 kilometers højde (ca. 40.000 fod ). Men det var også klart, at højere hastigheder ikke ville kunne opnås, fordi propellen genererede mere træk end fremdriftskraft ved disse hastigheder. [4] Uanset dette ville motoreffekt være påkrævet, som ikke kan opnås med frem- og tilbagegående stempelmotorer . [5]

Den tyske jagerpilot Hans Guido Mutke hævder at have brudt lydmuren den 9. april 1945 med en Messerschmitt Me 262 . Der er imidlertid ingen beviser til støtte for påstanden. Wolfgang Czaia, den tyske testpilot af Me-262 replika-projektet, [6] anser også denne påstand for at være urealistisk. Som testpilot har han fløjet i begge Me 262'erne, der tidligere er blevet replikeret i USA, og kender derfor deres data og parametre meget godt. [7] Piloter i de første jetfly fandt ud af, at det var usandsynligt at bryde lydbarrieren med datidens teknologi. Ved hastigheder over Mach 0,95 forekom tunge mekaniske belastninger, og kontroleffekten gik tabt. I individuelle tilfælde styrtede maskinerne ned eller brød sammen som følge heraf.

Den 1. oktober 1947 brød George Welch lydmuren med en prototype af den nordamerikanske F-86 Sabre i et 40-graders dyk. Men da speedometeret ikke var kalibreret til den passende højde, og der ikke var nogen hastighedsmåling fra jorden, blev flyvningen ikke officielt vurderet.

Den 14. oktober 1947 var Chuck Yeager den første person til at bryde lydbarrieren med Bell X-1.

Den 14. oktober 1947 brød den amerikanske testpilot Chuck Yeager beviseligt lydmuren i en Bell X-1 i omkring 15.000 m højde. Under de tidligere flyforsøg måtte han kæmpe med chokbølgerne og en deraf følgende reduktion i effektiviteten af elevatoren . Kun tanken om at flytte hele den vandrette stabilisator med elektriske motorer i stedet for muskelkraft gjorde denne banebrydende handling mulig. Fuselagen til X-1 raketflyet havde stadig form som et opskaleret riffelprojektil, som er aerodynamisk ugunstigt for fly. Regelmæssig supersonisk flyvning blev først mulig, efter at fly med fejede vinger blev konstrueret, og områdereglen blev overholdt .

Det første jetdrevne produktionsfly, der nåede supersonisk hastighed i en let banehældningsflyvning, var en prototype af den nordamerikanske F-86 Sabre (XP-86 Sabre, 26. april 1948), en prototype af Convair F-102 [2 ] lykkedes den 20. december 1954 for første gang med egne motorer, selv med en lille stigning. Franskmanden Jacqueline Auriol blev den første kvinde til at flyve en Dassault-Breguet Mystère supersonisk i sommeren 1953. Den første officielle FAI- hastighedsrekord ved supersonisk hastighed blev opnået af en nordamerikansk F-100 den 20. august 1955.

Mach 3 nordamerikanske XB-70 bombefly

Militære fly, der kan flyve med supersonisk hastighed, har eksisteret siden begyndelsen af 1950'erne . Jagerfly når Mach 2, MiG-25 interceptor kunne nå Mach 3 i en kort periode og SR-71 rekognoseringsfly permanent. Raketfly som X-15 nåede syv gange lydens hastighed, scramjets som testmissilet X-43A nåede lige under Mach 10 (9.6). Militære fly eller videnskabelige testmissiler, der opererer med supersonisk hastighed, bruges stadig i dag. Et af de mest bemærkelsesværdige supersoniske fly er XB-70 . Dette er en supersonisk bombefly designet til en vedvarende hastighed på Mach 3.

Ved sin tilbagevenden til jorden fløj rumfærgen i det overlydende område uden fremdrift (i første omgang cirka 27 gange lydens hastighed, dvs. cirka 33.300 km / t).

Civilt supersonisk flyvning

Det første civile supersoniske fly var det sovjetiske TU-144 . Det var det første kommercielle fly, der nåede dobbelt lydhastighed (2150 km / t) den 26. maj 1970, men det var mere en politisk og teknisk succes end en økonomisk. Den 3. juni 1973 styrtede den fjerde Tu-144S nogensinde (den første produktionsmaskine) ned på flyshowet i Le Bourget nær Paris i forstaden Goussainville . På grund af de høje omkostninger ved flyoperationer blev TU-144 taget ud af drift i 1978.

Det samme for næsten tid, dyrt udviklet britisk-fransk Concorde , derimod, kendte derimod fra 1976 til 2003 med succes sin rutefart med mere end Mach 2. I juli 2000 styrtede en Concorde imidlertid ned på Air France Flight 4590 som følge heraf af (af et fremmedlegeme udløst på landingsbanen) ødelæggende kædereaktion kort efter start i Gonesse nær Paris. 113 mennesker blev dræbt i ulykken. Air France og British Airways suspenderede derefter midlertidigt Concorde -operationerne og forbedrede petroleumstankene i vingerne. I 2001 besluttede Frankrig og England efter en kort genoptagelse af flyvninger at afvikle Concorde helt. De vigtige flyruter til USA havde længe haft et underskud på grund af modstand der. Den sidste Concorde -flyvning fandt sted den 26. november 2003.

Andre flyproducenter som Boeing med Model 733/2707 udviklede også supersonisk passagerfly i løbet af denne tid, men stoppede deres udvikling efter Concordens succes og i kølvandet på den senere oliekrise. Den dag i dag har der været gentagne bestræbelser på at bygge en videreudviklet efterfølger for Concorde. Disse mislykkedes imidlertid indtil slutningen på grund af de høje udviklings- og driftsomkostninger. Et andet tidligt passagerfly, der nåede supersonisk hastighed, var en Douglas DC-8 . Dette skete dog i nedstigningen, og flyet var faktisk ikke designet til det.

I 1993 foreslog Sukhoi en 50-personers model på Paris Air Show, der lignede noget Sukhoi T-4 , og ledte efter finansieringsmuligheder fra vestlige og arabiske lande. [8.]

I juni 2005 underskrev Frankrig og Japan en aftale i anledning af flyshowet i Le Bourget , hvorefter de to lande årligt vil stille 1,5 millioner euro til rådighed i forskningsmidler til udvikling af et fælles civilt supersonisk fly .

ESA koordinerer projektet Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies inden for rammerne af hvilke et europæisk supersonisk eller hypersonisk passagerfly skal designes.

Virgin Galactics SpaceShipTwo , et civilt rumfly, er også under udvikling.

Der var forskellige planer om nye supersoniske koncepter , men ordrer på de 12-sæders Aerion AS2 forretningsfly har været på plads siden 2015, selvom eksperter dengang var meget skeptiske. Et andet projekt for 18 passagerer blev kaldt Spike S-512 . [9]

I 2017, på Paris Air Show i Le Bourget, meddelte det amerikanske selskab Boom Technology , at det ville producere et kommercielt supersonisk passagerfly inden 2023. Flyet skal kunne nå Mach 2.2 og tilbyde plads til 55 passagerer. [10] i slutningen af ​​2018 jomfruturen skulle den mindre prøve Boom XB-1 kaldet Baby finde sted boom. [10] [11] I øjeblikket (fra begyndelsen af ​​2021) er dette planlagt til slutningen af ​​året. I modsætning til andre projekter arbejder virksomheden med ikke-refunderbare forskudsbetalinger fra fem store flyselskaber. [12]

Den 3. april 2018 meddelte NASA ordren på omkring 200 millioner euro til det amerikanske rustningsselskab Lockheed Martin om at udvikle et supersonisk jet, X-flyet , med så lidt som muligt, dvs. et stille lydbom, inden udgangen af ​​2021 . En hastighed på 1500 km / t i 16 km højde er målrettet. [13]

Uden fly

Felix Baumgartner er den første person, der nåede supersonisk hastighed i frit fald uden yderligere fremdrift. Den 14. oktober 2012, præcis 65 år efter Chuck Yeagers første supersoniske flyvning, hoppede den 43-årige østrigske fra en højde på 39 kilometer (128.100 fod; stratosfære ) som en del af Red Bull Stratos- projektet og nåede hastigheder på op til 1.342,8 km / t (Mach 1,24). [14]

Med dette spring brød ekstrematleten også andre verdensrekorder (se hovedartikel ).

Se også

litteratur

  • Johannes Burkhardt og Ulrich M. Schoettle (Stuttgart, Univ., Tyskland), AIAA-1996–3439, Atmospheric Flight Mechanics Conference, Flight performance and control aspect of a semi-ballistic reentry capsule , San Diego, CA, 29-31 juli, 1996

Weblinks

Wiktionary: supersonisk flyvning - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Commons : Sonic Boom - samling af billeder, videoer og lydfiler

Individuelle beviser

  1. ^ Hans-Ulrich Meier (redaktør): Udviklingen af ​​den fløjede fløj i Tyskland indtil 1945, Historien om en opdagelse indtil dens første ansøgninger , januar 2006, Bernard & Graefe Verlag, ISBN 3763761306
  2. a b c Convair YF102A, kun iagttagelse af områdereglen tillader acceleration til Ma> 1 . Hentet 19. april 2010.
  3. Luftfart - Flammetur over heden 19. februar 2001 Spiegel Online , adgang 18. oktober 2016
  4. ^ Peter E. Davies: Bell X-1 , Bloomsbury Publishing, 2016, ISBN 978-1472814661 , side 7
  5. Ved grænsen for lufthastighed? .... I: Oberdonau avis. NSDAP's officielle dagblad. Gau Oberdonau / Oberdonau avis. Daglig post. NSDAP's officielle dagblad. Gau Oberdonau , 12. februar 1944, s. 3 (online på ANNO ). Skabelon: ANNO / Vedligeholdelse / obz
  6. ^ Legend Flyers - Me 262 -projektet Konstruktion af luftværdige rekonstruktioner af Me 262
  7. ^ Wolfgang Czaia: Project 262nd Diary of a Test Pilot, 2006, 26 forlag, ISBN 978-3-9807935-7-5
  8. Sukhoi Su-50 udvikler sig fra T-100 Bomber Project , Aviationweek, 7. juni 1993
  9. ^ Returnering af civil supersonisk flyvning , NZZ, 20. november 2015
  10. a b SPIEGEL ONLINE, Hamborg Tyskland: Supersonisk flyboom: Snesevis af ordrer til Concorde -efterfølgere - SPIEGEL ONLINE - Økonomi. Hentet 20. juni 2017 .
  11. Boom - Supersoniske passagerfly. Hentet 17. september 2017 .
  12. Supersonic skal rejse sig fra de døde i 2023 , NZZ, 28. juli 2017
  13. NASA bestiller ny supersonisk jet uden bang orf. Kl. 4. april 2018, adgang til 4. april 2018.
  14. taz.de af 15. oktober 2012, bekræftelse baseret på dataregistrering af Brian Utley, Féderation Aéronautique Internationale (FAI), tilgået den 5. november 2012.