Andrzej Wasiak

Gdy 14 października 1947 roku pilot Charles Yeager lecąc na samolocie doświadczalnym XS-1 osiągnął prędkość odpowiadającą 1,06 liczby Macha, stało się oczywiste, że przed lotnictwem otwarty został nowy, mało wówczas znany obszar prędkości naddźwiękowych.

Dzisiaj dzięki skonstruowaniu silników o wielkich ciągach, ustaleniu właściwych kształtów samolotów (zwłaszcza ich skrzydeł), zastosowaniu automatycznych systemów sterowania oraz opracowaniu technologii nowych materiałów prędkość samolotów seryjnych przekroczyła prędkość 3000 km/h. Dziś lotnictwo stanęło na progu nowego obszaru prędkości – prędkości hiperdźwiękowych odpowiadających Ma=6-15. Przygotowania do zdobycia tego obszaru prędkości już trwają.

Truizmem byłoby twierdzenie, że o dotychczasowych kierunkach rozwoju lotnictwa i obecny poziomem techniki lotniczej decydowało głównie militarne zastosowanie statków latających, a zwłaszcza samolotu. Nie jest więc rzeczą przypadku, że na blisko 100 oblatanych wersji samolotów naddźwiękowych znalazły się tylko cztery, które można uznać sensu stricto cywilne.

Osobną grupą samolotów ponaddźwiękowych stanowią samoloty doświadczalne. Na podstawie doświadczeń przeprowadzonych przy ich użyciu buduje się często samoloty użytkowe. Dla przykładu można podać radziecki E-166, który posłużył do budowy samolotu myśliwskiego MiG-21.

Najsłynniejszym chyba samolotem doświadczalnym był amerykański samolot X-15. Osiągał on rekordowe wartości prędkości i wysokości lotu.

I tak dla przykładu w dniu 9.11.1961 r. samolot X-15 osiągnął prędkość 6548 km/h, co odpowiada liczbie Macha 6,72, zaś w dniu 22.08.1963 r. osiągnął wysokość 107 960 m. Samolot ten był rozpędzany silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe. Nie startował on z ziemi, lecz był wynoszony przez bombowiec B-52 na wysokość 12 000 m, a następnie po odczepieniu od samolotu-nosiciela rozpoczynał samodzielny lot. Po wyczerpaniu się paliwa X-15 lądował lotem ślizgowym. Ze względu na silne nagrzewanie się aerodynamiczne samolotu przy tak dużych prędkościach zastosowano chłodzenie ciekłym azotem (…)

Grom dźwiękowy

W pierwszym okresie eksploatacji samolotów naddźwiękowych dużym zainteresowaniem cieszył się problem tzw. gromu dźwiękowego, zjawiska niezwykłego w dotychczasowym rozwoju lotnictwa. Zrozumienie sensu fizycznego, znaczna częstość występowania, a następnie wprowadzenie ograniczeń lotów samolotów wojskowych nad dużymi skupiskami ludności, sprawiły, że w późniejszym czasie zjawisko to stało się powszechne, niemal niezauważalne. Dopiero w latach siedemdziesiątych nabrał ono dużego znaczenia w związku z walką z hałasem i ochroną środowiska naturalnego człowieka, po wprowadzeniu naddźwiękowych samolotów pasażerskich.

Wprawdzie grom dźwiękowy jest krótkotrwały, ale w pewnych przypadkach może przedłużać się, a jego dokuczliwość polega na dużej intensywności i niespodziewanym nadejściu. Zjawisko jest łudząco podobne do wystrzału armatniego. Jest rzeczą znaną, że oddziałuje ono szkodliwie na organy słuchu i przy odpowiedniej intensywności może powodować jego trwałe uszkodzenie.

Przeciwnicy komunikacji naddźwiękowej argumentują dodatkowo, że grom powoduje zmianę częstości bicia serca, wpływa na samopoczucie kierowców samochodów, zakłócenie równowagi człowieka itp. Intensywne gromy mogą powodować panikę stad zwierząt, co może doprowadzić do ich wzajemnego tratowania, pękanie i odpadanie tynków z domów, a nawet pękanie ścian i stropów.

Wśród tych argumentów nie brak stwierdzenia o możliwości zachwiania równowagi biologicznej środowiska, zanieczyszczenia atmosfery itp. Niemniej jednak konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych badań nad szkodliwą intensywnością gromu w celu określenia wymagań technicznych do dopuszczalnej głośności samolotów ponaddźwiękowych, a zwłaszcza dla ustalenia dolnej granicy wysokości lotów tych samolotów nad obszarami zamieszkałymi.

Na czym polega zjawisko gromu dźwiękowego?

Stwierdzono, że w czasie lotu samolotu z prędkością dźwięku powstaje przed nim płaska fala uderzeniowa (fala zgęszczonego powietrza), w której prędkość strumienia powietrza gwałtownie maleje, a ciśnienie rośnie (a zatem gęstość i temperatura rośnie). Następuje więc nagromadzenie dużej ilości energii, której rozładowanie w otaczającym samolot środowisku wywołuje intensywne drganie cząstek powietrza. Objawia się ono dźwiękiem podobnym do wystrzału armatniego.

W okresie, kiedy po raz pierwszy przekroczono prędkość dźwięku grom dochodził do obserwatora na ziemi dwukrotnie. Zjawisko to występowało w locie nurkowym, gdyż początkowo prędkość dźwięku uzyskiwano w czasie rozpędzania ze stratą wysokości. Pierwszy grom następował w momencie osiągnięcia przez samolot prędkości dźwięku i otrzymywał nazwę „bing”, a drugi podczas przechodzenia z prędkości naddźwiękowej do prędkości poddźwiękowej i nazywano go „bang”.

Czas dzielący oba gromy zależał od prędkości samolotu. Przy rozpędzaniu samolotu z dostatecznie małej wysokości oba gromy mogły nakładać się na siebie.

Fala dźwiękowa porusza się w kierunku prostopadłym do płaszczyzny własnej, dlatego intensywność gromów w rozpatrywanym przypadku jest tym większa im bardziej pionowe jest nurkowanie samolotu i mniejsza jest odległość samolotu od obserwatora.

W locie z prędkością naddźwiękową na poszczególnych elementach płatowca powstaje złożony układ fal uderzeniowych i obszarów o obniżonym ciśnieniu. Najbardziej zwarte fale wytwarza przód samolotu, który pierwszy w locie napotyka cząstki powietrza strumienia niezaburzonego, oraz części tylne, gdzie praktycznie zakończone zostaje unoszone przez samolot zaburzeń w otaczający ośrodek. Te dwie fale nazywa się odpowiednio główną i końcową.

Fale pośrednie albo doganiają falę główną, albo w wyniku mniejszej prędkości doganiane są przez falę końcową. W ten sposób już w małej odległości od samolotu złożony układ fal przekształca się w układ dwufalowy. Za falą główną ciśnienie powietrza gwałtownie rośnie powyżej ciśnienia atmosferycznego o wartość , a następnie płynnie maleje poniżej ciśnienia atmosferycznego o tą samą wartość. W fali tylnej następuje skokowy wzrost ciśnienia do wartości ciśnienia atmosferycznego.

Przedstawiony płaski model powstawania układu fal uderzeniowych (nazywa się falami N w analogii do rozkładu ciśnienia) w płaszczyźnie pionowej w rzeczywistości jest układem przestrzennym, który można sprowadzić do dwóch stożków Macha. Z tego względu w przypadku lotu poziomego ze stałą prędkością ponaddźwiękową grom dźwiękowy jest słyszany jednocześnie w różnych punktach na powierzchni Ziemi (ten rodzaj gromu jest nazywany naddźwiękowym), zależnie od długości samolotu i wysokości lotu czasu dzielący przejście obu fal nad obserwatorem może być tak mały, że rozładowania zleją się w jeden odgłos. Punkty te położone są na linii przedstawiającej hiperbolę utworzoną przez przecięcie powierzchni Ziemi przez stożek Macha. Ponieważ samolot porusza się z określoną prędkością, w ślad za nim podążają fale uderzeniowe, które słychać w terenie o określonej szerokości. Praktycznie rzecz biorąc oznacza to, że grom towarzyszy samolotom na całej trasie, począwszy od chwili osiągnięcia prędkości dźwięku i rozpędzania do prędkości maksymalnej, aż do chwili wyhamowania samolotu do prędkości poddźwiękowej.

Gabaryty strefy słyszalności gromu (szerokość korytarza, nad którym przelatuje samolot z prędkością naddźwiękową) oraz jego intensywność zależą od wielu parametrów. Ze wzrostem masy samolotu i jego prędkości oraz zmniejszenia wysokości lotu intensywność gromu rośnie, a szerokość strefy słyszalności maleje. Ponieważ nie opracowano aktywnych środków zmniejszających intensywność gromu, obecnie możliwe jest stosowanie metody biernej. Z powyższego widać, że dla danego typu samolotu dopuszczalny poziom zmian ciśnienia można osiągnąć przez ustalenie minimalnej niezbędnej wysokości lotu nad terenami zamieszkałymi.

Z badań samolotu „Concorde” wynika, że w locie na wysokości 18 000 m z prędkością Ma=2,2, kąt rozwarcia stożka Macha wynosi ok. 30^o, nadciśnienie , a strefa słyszalności gromu obejmuje obszar o szerokości do 100 km. Ustalono również, że w odległości 200 km od lotniska wylotowego samolot powinien odbywać lot nad obszarem mało zamieszkałym (…)

Więcej przeczytacie w artykule Andrzeja Wasiaka „Zagadnienia lotów z prędkościami ponaddźwiękowymi” w  wydaniu 1/2021 „Fizyki w Szkole”