Физика сверхзвукового свободного падения и гонка для создания более спокойного конкорда

Если вы хотите построить ракету с новым смелым дизайном, у вас должен быть способ проверить ее конструктивную целостность без установки двигателя. У вас нет аэродинамической трубы, но вы не готовы уступить. Вы думаете про себя: «Что такое полет без движителя?» Затем вы отвечаете на свой вопрос: «Падение». Проще говоря, самый простой способ полететь без запуска - это резко упасть. Поднимите прототип очень высоко, бросьте его, и вы почувствуете его производительность на скорости.

Основным в мире специалистом в области искусственного сбрасывания является Японское агентство аэрокосмических исследований, или JAXA, которое по сути является японской версией НАСА. Агентство пытается построить практическую сверхзвуковую плоскость, что не так-то просто. Подобные усилия в прошлом создали посредственные продукты, наиболее известный Конкорд.

Конкорд был изведен проблемами, которые препятствовали тому, чтобы другие авиалайнеры приняли тот же самый дизайн для их собственного ремесла. Одной из самых больших проблем был избыточный шум. Термин «звуковой бум» не является неправильным - преодоление звукового барьера - безумно громкое явление. Производители должны были спроектировать самолет, чтобы не дать взорваться головам пассажиров, и авиалайнеры не могли управлять самолетом над землей, поскольку ни один человек на земле не хочет подвергаться таким разрушительно громким звукам. Цель JAXA - создать более тихий сверхзвуковой пассажирский самолет. И его тестирование осуществляется с помощью испытаний на падение с экспериментальной моделью в Швеции.

Как, черт возьми, это работает? По сути, воздушный шар поднимает беспилотный самолет модели - Silent SuperSonic Concept Model JAXA на высоте около 18,6 миль в воздухе и просто сбрасывает его. Датчики, прикрепленные к плоскости, измеряют ударные волны, когда плоскость приближается к скорости до 1,39 Маха в свободном падении.

Физика сверхзвукового свободного падения ничем не отличается от того, как работает объект, движущийся быстрее, чем звук в горизонтальной плоскости. Воздух сильно сжимается перед самолетом, который разливает волну высокого давления во всех направлениях. Эта ударная волна начинает распространяться по воздуху, но становится все слабее, когда она продвигается дальше, становясь звуковой волной в процессе. Это громкий взрыв, который мы слышим и называем звуковым бумом.

Чтобы понять, что особенного в сверхзвуковом свободном падении, мы должны поближе взглянуть на то, что именно означают числа Маха: отношение скорости объекта к скорости звука в конкретном месте. А скорость звука подвержена изменениям температуры и давления - на больших высотах скорость звука уменьшается, поэтому объекту не нужно перемещаться с обязательно той же скоростью, чтобы достичь Маха 1 на дюжине миль в воздухе, так как он делает на уровне моря. (Скорость звука на уровне моря составляет около 760 миль в час).

Кроме того, Mach 1 является крайне нестабильной средой из-за ударной волны, создаваемой разрушением звукового барьера. Даже небольшие движения могут оказывать очень сильное физическое воздействие на объект. Наихудшее место - в основном между 0,9 и 1,2 Маха.

Таким образом, когда объект движется со сверхзвуковой скоростью в свободном падении, он находится в необычном положении ускорения быстрее, в то время как его число Маха увеличивается с более медленной скоростью. В нестабильной зоне Маха тратится больше времени, чем если бы он двигался в горизонтальной плоскости. Большинство самолетов предназначены для того, чтобы проходить мимо Маха 1 и как можно быстрее входить в безопасную зону. Вы не можете проверить что-то подобное в эксперименте со свободным падением.

Скорость также увеличивается из-за сопротивления. Это то, что произошло, пожалуй, в самом известном случае, когда гравитация движется быстрее, чем звук: прыжок Феликса Баумгартнера в 2012 году с высоты около 23 миль в воздухе стал первым дайвером, преодолевшим звуковой барьер без использования. самолета. Когда Баумгартнер упал на Землю, он, в конце концов, прекратил ускорение из-за столкновения с молекулами воздуха, создав «силу сопротивления», которая нарастала как сопротивление воздуха, пока не стала равной и противоположной силе гравитации. В этот момент Баумгартнер достиг максимальной скорости.

Фактически, в то время как большинство объектов, которые достигают предельной скорости, просто останутся с постоянной скоростью, Баумгартнер фактически начал замедляться, поскольку окружающая атмосфера начинает становиться все толще и толще, когда объект в свободном падении движется вниз. Таким образом, конечная скорость начинает уменьшаться - это значит, что Баумгартнер тоже начал замедляться. То же самое могло бы произойти с одним из самолетов Silent SuperSonic Concept Model, который JAXA тестирует.

Наука, как и большинство других вещей в жизни, круче, когда она быстрее.