¡Los luchadores rompen la barrera del sonido! ¿No puedes oír nada?
Categoría: Sociedad/Cultura>>Militar
Descripción del problema:
Una vez vi un informe que decía que cuando los aviones de combate atravesaron la barrera del sonido, el mundo se volvió tranquilo. ¡Entendido! ¡Ese silencio se refiere a cuando el piloto no puede escuchar ningún sonido, o cuando las personas en tierra solo ven el avión, pero no pueden escuchar el sonido del motor del avión! ¡Por favor responda en detalle! ¡Gracias!
Análisis:
Deberíamos hablar de la barrera del sonido.
A finales de la Segunda Guerra Mundial, la velocidad máxima de los aviones de combate superaba los 700 kilómetros por hora. Para aumentar aún más la velocidad, nos encontramos con el problema de la llamada "barrera del sonido".
La velocidad del sonido que se propaga en el aire se ve afectada por la temperatura del aire y el valor cambia. A diferentes altitudes de vuelo, la temperatura atmosférica cambia con la altitud, por lo que la velocidad del sonido local también es diferente. En condiciones atmosféricas estándar internacionales, la velocidad del sonido al nivel del mar es de 1.227,6 kilómetros por hora y a una altitud de 1.000 metros es de 1.065,6 kilómetros por hora. Para una aeronave con una velocidad de más de 700 kilómetros por hora, cuando el flujo de aire de frente fluye sobre la superficie de la aeronave, debido a las diferentes formas de la superficie, la velocidad local puede ser mucho mayor que 700 kilómetros por hora. Cuando el avión vuela más rápido, la velocidad del flujo de aire local puede alcanzar la velocidad del sonido, generando ondas de choque locales, que aumentarán considerablemente la resistencia aerodinámica. Esta "barrera del sonido" alguna vez confundió profundamente a los pilotos de combate de alta velocidad. Cada vez que su avión se acerca a la velocidad del sonido, habrá una reacción extraña en el control del avión. Si no se maneja adecuadamente, el avión será destruido y todos morirán. A finales de la Segunda Guerra Mundial, los aviones de combate británicos "Spitfire" y los aviones de combate estadounidenses "Thunderbolt" fueron los primeros en sentir el efecto de compresión del aire al volar a altas velocidades cercanas a la velocidad del sonido. Es decir, en la parte delantera de un avión que vuela a gran velocidad. Debido a la generación de ondas de choque locales, el aire se comprime y la resistencia aumenta considerablemente. Cuando el avión "Spitfire" se lanza en picada con la máxima potencia, la velocidad puede alcanzar nueve décimas partes de la velocidad del sonido. Una velocidad tan rápida es suficiente para que el avión sienta el efecto de compresión del aire. Para expresar mejor el grado en que la velocidad de vuelo se acerca o supera la velocidad local del sonido, los científicos utilizaron un parámetro importante que refleja la velocidad de vuelo: el número de Mach. Es la relación entre la velocidad de vuelo y la velocidad local del sonido, denominada número M. El número M lleva el nombre del físico austriaco I. Mach. Mach había realizado experimentos supersónicos con proyectiles de armas a finales del siglo XIX y fue el primero en descubrir la existencia de frentes de ondas generados por fuentes de perturbación en el flujo de aire supersónico, es decir, las ondas de Mach. El número M es menor que 1, lo que significa que la velocidad de vuelo es menor que la velocidad del sonido, que es un vuelo subsónico; el número M es igual a 1, lo que significa que la velocidad de vuelo es igual a la velocidad del sonido; es mayor que 1, lo que significa que la velocidad de vuelo es mayor que la velocidad del sonido, que es un vuelo supersónico.
A finales de la Segunda Guerra Mundial, los helicópteros de combate con velocidades de vuelo que alcanzaban los 650-750 km/h se acercaban al límite de velocidad de los aviones de pistón. Por ejemplo, el avión de combate estadounidense P-5lD "Mustang" tiene una velocidad máxima de 765 kilómetros por hora. Es probablemente el más rápido entre los aviones de combate de pistón propulsados por hélices. Para aumentar aún más la velocidad de vuelo, es necesario aumentar el empuje del motor, pero el motor de pistón ya no puede hacer nada. Los científicos de la aviación se dieron cuenta de que para alcanzar la velocidad del sonido, se debía utilizar un motor de avión completamente nuevo, es decir, un motor a reacción.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, Alemania desarrolló con éxito los nuevos aviones de combate Me-163 y Me-262 y los puso en batalla en el frente soviético-alemán. Ambos eran aviones de combate nunca antes vistos, con alas en flecha. El primero está equipado con un motor cohete de combustible líquido y tiene una velocidad de 933 km/h; el segundo está equipado con dos motores turborreactores y tiene una velocidad máxima de 870 km/h. Es el primer avión de combate real del mundo. Aunque su velocidad era significativamente mayor que la de los cazas de pistón de sus oponentes, debido a su escasez e inflexibilidad, su participación en la guerra en realidad no tuvo ningún efecto para salvar el destino de la derrota de la Alemania fascista.
La aparición de los aviones a reacción alemanes impulsó a los antiguos países antifascistas a acelerar el desarrollo de sus propios aviones de combate. El avión de combate británico "Meteor" pronto surcó los cielos. Las famosas oficinas de diseño de aviones soviéticos, como Mikoyan, Lavochkin, Sukhoi y Yakovlev, comenzaron sucesivamente a desarrollar aviones capaces de competir con un avión que rivaliza con los nuevos aviones de combate alemanes.
La Oficina de Diseño Mikoyan ha desarrollado el caza experimental de alta velocidad I-250, que utiliza una central eléctrica compuesta, que consta de un motor de pistón y un motor estatorreactor.
A una altitud de 7.000 metros, este motor genera una potencia total de 2.800 caballos de fuerza, lo que permite una velocidad de vuelo de 825 kilómetros por hora. El 3 de marzo de 1945, el piloto de pruebas Jeev completó el primer vuelo del I-250. Entre los aviones de combate soviéticos, el I-250 fue el primer avión que alcanzó una velocidad de vuelo de 825 kilómetros por hora. Fue producido en pequeños lotes.
La Oficina de Diseño Sukhoi desarrolló el interceptor experimental Su-5,
que también utiliza una central eléctrica compuesta. En abril de 1945, el Su-5 alcanzó una velocidad de 800 kilómetros por hora. Otro modelo, el Su-7, además del motor de pistón, también está equipado con un acelerador de cohete líquido (empuje de 300 kg), que puede aumentar la velocidad de vuelo en poco tiempo. Los cazas diseñados por Lavochkin y Yakovlev también estaban equipados con aceleradores de cohetes líquidos. Sin embargo, el método de utilizar un acelerador de cohete líquido para aumentar la velocidad de vuelo no es confiable. Su combustible y oxidante sólo son suficientes para unos minutos y el oxidante de ácido nítrico corrosivo también es muy problemático de usar e incluso puede causar accidentes por explosión del motor. El piloto de pruebas Rastorguyev murió en un accidente por explosión de un acelerador asistido por un cohete. Ante esta circunstancia, la industria aeronáutica soviética suspendió el uso de aceleradores líquidos de cohetes en los aviones y dedicó todos sus esfuerzos al desarrollo de motores turborreactores.
El exitoso desarrollo del motor turborreactor rompió las limitaciones de los motores de pistón y hélices en la velocidad de los aviones. Sin embargo, a pesar de la nueva central eléctrica, todavía quedan muchos obstáculos en el camino hacia la velocidad del sonido. En ese momento, la gente descubrió en la práctica que cuando la velocidad de vuelo alcanza nueve décimas partes de la velocidad del sonido, es decir, la velocidad del aire con número de Mach MO.9 es de aproximadamente 950 kilómetros por hora, las ondas de choque locales que aparecen causarán la arrastre para aumentar rápidamente. Para aumentar aún más la velocidad, se requiere más empuje del motor. Lo que es más grave es que las ondas de choque pueden hacer que el flujo de aire que fluye a través de la superficie de las alas y el fuselaje sea muy turbulento, provocando que el avión se sacuda violentamente y dificultando su control. Al mismo tiempo, las alas se hundirán y el morro del avión caerá; si el avión está ascendiendo en este momento, el fuselaje se inclinará repentinamente hacia arriba de forma automática. Estos desagradables síntomas pueden provocar que un avión se estrelle.
Los aerodinámicos y los diseñadores de aviones trabajan en estrecha colaboración. Se llevaron a cabo una serie de pruebas de vuelo y los resultados mostraron que para aumentar aún más la velocidad de vuelo, el avión debe adoptar una nueva forma aerodinámica, por ejemplo, las alas en flecha deben adelgazarse. Expertos del Instituto Central de Investigación de Dinámica de Fluidos Zhukovsky de la ex Unión Soviética han realizado una gran cantidad de estudios teóricos y pruebas en túnel de viento en configuraciones de aviones con ala en flecha y ala en flecha. En los experimentos dirigidos por Ostoslavsky, se utilizaron aviones para lanzar modelos de pequeños aviones equipados con aceleradores de cohetes sólidos a gran altura. Después de dejar caer el modelo del avión, el acelerador del cohete se enciende durante el proceso de deslizamiento y caída, lo que hace que el modelo supere la velocidad del sonido. Los expertos utilizan esto para explorar la regularidad de los vuelos supersónicos. El Instituto Soviético de Investigación de Vuelo también llevó a cabo una serie de estudios para comprender las características aerodinámicas de los aviones de alta velocidad con mayor compresibilidad y aeroelasticidad del aire. Estas investigaciones básicas jugaron un papel importante en el nacimiento de los aviones supersónicos.
La investigación sobre aviones supersónicos en los Estados Unidos
se concentra principalmente en el avión de investigación supersónico propulsado por cohetes Bell X-1 "air rocket". La intención original al desarrollar el X-l era crear un avión que pudiera volar ligeramente por encima de la velocidad del sonido. El perfil aerodinámico del avión X-l es muy delgado y no tiene ángulo de barrido. Está propulsado por un motor cohete líquido. Debido a la cantidad limitada de combustible para cohetes que se puede transportar en el avión, el tiempo de funcionamiento del motor del cohete es muy corto, por lo que el X-1 no puede despegar de la pista por sus propios medios. Colgado de un B-29 "Super Fortress" Debajo del fuselaje del bombardero pesado, se elevó hacia el cielo.
El piloto ya se había sentado en la cabina del X-l antes de despegar. Después de que el bombardero voló a gran altura, arrojó el X-l como si fuera una bomba. Después de que X-l abandonó el bombardero, puso en marcha su propio motor de cohete para acelerar mientras se deslizaba. La primera prueba de lanzamiento aéreo del X-1 fue el 19 de enero de 1946; el primer vuelo de prueba en el aire propulsado por un cohete no se realizó hasta el 9 de diciembre de ese año, utilizando el prototipo X-1 N° 2.
Pasaría aproximadamente un año antes de que el primer vuelo supersónico del X-l tuviera éxito. La persona que completó esta hazaña pionera en la historia de la aviación humana fue el capitán Charles Yeager, piloto de pruebas de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. Lo completó el 14 de octubre de 1947.
Charles Yeager, de 24 años, se convirtió en la primera persona en el mundo en volar más rápido que el sonido, haciendo que su nombre quede registrado en los anales de la historia de la aviación. Fue un vuelo duro. Yeager voló el X-l a una altitud de 12.800 metros, alcanzando una velocidad de vuelo de 1.078 kilómetros por hora, equivalente a M1.015.
Después de que los humanos rompieran la "barrera del sonido" por primera vez, el progreso en el desarrollo de aviones supersónicos se aceleró. La Fuerza Aérea y la Armada de EE. UU. compitieron para establecer un récord de velocidad. El 7 de agosto de 1951, la velocidad del avión de investigación "cohete aéreo" Douglas D.558-II de la Armada de los EE. UU. alcanzó M1,88. Curiosamente, tanto el tipo X-l como el tipo D.558-II se denominan "cohetes aéreos". El D.558-II también estaba propulsado por un motor de cohete y pilotado por el piloto de pruebas William Bridgman. Ocho días después, Bridgeman voló el avión de investigación a una altitud de 22.721 metros, lo que lo convirtió no sólo en el piloto más rápido sino también en el que volaba más alto en ese momento. Luego, en 1953, la velocidad de vuelo del "cohete aéreo" superó la M2.0, que es de aproximadamente 2172 kilómetros por hora. A través de la investigación teórica y la práctica de vuelo de una serie de aviones de investigación,
incluido el pago del precio de la sangre, la gente finalmente dominó las leyes del vuelo supersónico. Los resultados de la investigación sobre vuelos de alta velocidad se utilizaron por primera vez en el ejército, donde los países competían para desarrollar aviones de combate supersónicos. En 1954, salieron al mercado el MiG-19 de la antigua Unión Soviética y el F-100 "Super Sabre" estadounidense. Estos fueron los dos primeros aviones de combate en servicio que podían superar la velocidad del sonido en vuelo nivelado basándose únicamente en sus propios motores a reacción; pronto, en 1958. En 2004, el F-104 y el MiG-21 mejoraron este récord a M2.0. Aunque estos datos sólo pueden lograrse en un corto período de tiempo cuando el avión está alto en el cielo y con el postcombustión lleno, la gente todavía está feliz de perseguir la gloria de este momento. Los dos aviones "doble tres" que llevan al extremo el complejo de "alta altitud y alta velocidad" son el MiG-25 y el SR-71. Sus techos alcanzan los 30.000 metros y sus velocidades máximas han alcanzado el asombroso M3.0. Acercándonos a los límites de los motores a reacción. Con la experiencia adquirida en combates reales en los últimos años, "gran altitud y alta velocidad" no es aplicable, y esta moda se ha ido enfriando gradualmente.
La estructura de la carrocería de los aviones supersónicos es bastante diferente a la de los aviones subsónicos: las alas deben ser mucho más delgadas; el factor clave es la relación de aspecto, que es la relación entre el grosor del ala y la cuerda del ala. Para un avión de pistón subsónico, la relación de aspecto de un bombardero es del 17% y la de un caza es del 14%, pero para un avión supersónico, la relación espesor-cuerda es difícil de superar el 5%, es decir, el espesor de; el ala es sólo la cuerda de una vigésima parte o menos, el espesor máximo del ala puede ser sólo una docena de centímetros. La envergadura de un avión supersónico (es decir, la distancia entre los dos extremos del ala) no puede ser demasiado grande, pero tiende a ser más ancha y más corta, con una cuerda de ala aumentada. Una de las soluciones que se les ocurrió a los diseñadores fue convertir las alas en un triángulo, con un ángulo de barrido mayor en el borde de ataque y una raíz de ala muy larga que está conectada al fuselaje desde el morro hasta la cola (como el Mirage-2000 ). Otra forma es hacer que el ala supersónica sea delgada y corta, de modo que no sea necesario ningún ángulo de barrido (como el F-104).
De lo anterior, podemos saber que, según la apariencia de un avión, básicamente podemos determinar si es un avión supersónico o subsónico.
Cuando el avión alcanza aproximadamente la velocidad del sonido, habrá una fuerte resistencia, lo que hará que el avión oscile fuertemente y la velocidad disminuya. Este fenómeno se conoce comúnmente como barrera del sonido. Cuando el avión atravesó esta barrera, el mundo entero quedó en silencio y ¡todos los sonidos quedaron atrás! Esa cosa blanca se produce debido a la agitación desigual del flujo de aire en el momento en que se rompe la barrera del sonido. Normalmente es invisible, por lo que es precioso.