Viršgarsinis lėktuvas

Ryškiai matomas kondensacinis konusas, susidarantis aplink lėktuvą iš smūginės bangos, kur jos greitis krenta nuo viršgarsinio iki garsinio. Šita banga yra esminis aerodinaminio pasipriešinimo šaltinis pas viršgarsinius lėktuvus. Žemiau pavaizduota schema, kuri rodo, kaip garsinė banga sklinda nuo lėktuvo, priklausomai nuo to, koksai lėktuvo skrydžio greitis.

Viršgarsinis lėktuvas - tai toksai, kurio greitis gali būti didesnis, nei garso greitis tame ore, kuriame šitas lėktuvas skrenda. Kadangi garso greitis priklauso nuo gana daug sąlygų (oro tankio, temperatūros, drėgnumo), o tos sąlygos skrydžio metu keičiasi gana stipriai, tai garso greitis tampa tokiu gana neapibrėžtiniu dydžiu. Taigi, lėktuvo greitis būna matuojamas Machais - garso greičiais. Bendras požymis - kad lėktuvo skridimo greitis yra didesnis už garso greitį.

Kai lėktuvas yra viršgarsinis, tai būdinga, kad jis kažkur praskrenda, o jo skrydžio garsas atsklinda tiktai vėliau. Jei kažkur aukštai skrenda naikintuvas, o jo garsas girdisi kaip artėjantis jums iš dešinės, tai tikėtina, kad tas naikintuvas jau praskrido ir yra kažkur kairėje.

Jei lėktuvo ar kito skraidančio aparato greitis yra toksai didelis, kad dėl suslėgimo ore prasideda cheminės reakcijos, dėl kurių dar kartą, jau dar kitaip keičiasi visa lėktuvo aerodinamika (pradžioje energija sugeriama, jonizuojant dujas, paskui - vėl atpalaiduojama, vėl susidarant įprastoms dujų molekulėms) - toksai aparatas vadinamas hipergarsiniu. Hipergarsiniais paprastai laikomi aparatai, kurie skrenda maždaug 5 ar daugiau machų greičiu. Tokie aparatai yra dar sudėtingesni, tad iki šiol tėra eksperimentiniai.

Garso barjeras ir banginis pasipriešinimas

Yra įvairių faktorių, kurie apriboja lėktuvo greitį ir trukdo peržengti garso barjerą, bet didžiausias iš jų yra taip vadinamas banginis pasipriešinimas.

Banginio pasipriešinimo analogija yra atėjusi iš laivybos, kur banginis pasipriešinimas nustato maksimalų įprastinių laivų greitį. Reikalas labai paprastas: jei laivas plaukia, jis priešais save stumia vandens masę - bangą. Kuo laivas juda greičiau, tuo jis stumia didesnę bangą. Jei laivo greitis pakankamai didelis, ta banga pasidaro didesnė už viso laivo ilgį. Tai reiškia, kad laivas nuolat turi kopti į bangą, kaip į kalną, kurį pats prieš save pasistato. Tam reikia labai didelių energijos sąnaudų, todėl įprastomis sąlygomis toksai pasipriešinimas nustato maksimalų įmanomą laivo greitį - jo viršyti paprastai neįmanoma.

Aviacijoje banginio pasipriešinimo esmė - kad lėktuvas prieš save stumia oro masę. Kai lėktuvo greitis priartėja prie garso greičio, ta oro masė ima kauptis, kaip didelė suslėgto oro banga, kuri negali pabėgti nuo lėktuvo, nes pati judėti viršgarsiniu greičiu negali, o garso greičiu pabėgti, kaip garso banga - irgi negali, nes pats lėktuvas jau pasiekęs garso greitį. Taigi, tos stumiamos oro masės apimtys didėja, didėja ir tankis, tad didėja ir aerodinaminis pasipriešinimas.

Aišku, kadangi didėjant oro tankiui, garso greitis didėja, tai visgi oro masė pabėga nuo lėktuvo, bet visvien oro pasipriešinimas lieka padidintas, ir tuo labiau padidintas, kuo greičiau juda lėktuvas.

Laivyboje banginį pasipriešinimą nugali ir greitį viršija gliseriai - tam tikri laivai, dažniausiai kateriai, kurie pakyla virš bangos ir ima čiuožti, ant tos pačios bangos užsilipę. Aviacijoje tiesioginio glisavimo analogo nėra, nors hipergarsiniuose greičiuose, raketose yra naudojamas smūginės bangos kūgis, duodantis panašų efektą. Tačiau visvien lėktuvai gali viršyti garso greitį, jei greitis pakankamai didelis.

Viršgarsinių lėktuvų problemos

Viršijus garso greitį, labai smarkiai pasikeičia visa aerodinamika - vietoje Bernulio dėsnio daugiau ima nulemti Niutono dėsnis, tad keičiasi ir lėktuvo keliamoji galia, ir jos pasiskirstymas, ir netgi aerodinaminių vairų veikimas.

Paprastai vienas iš pirmų tokių dėsnių pasikeitimo efektų - tai staiga atgal pasislinkęs aerodinaminės keliamosios galios centras. Poslinkis būna gana stiprus: ikigarsiniame režime keliamosios galios centras būna maždaug 25% nuo sparno priekio (didžiausio oro greičio taškas), tuo tarpu viršgarsiniame režime - maždaug 50%, t.y., per sparno vidurį (atoveiksmio jėgų vidurinis taškas). Tai reiškia, kad viršijus garso greitį, lėktuvo galas staiga ima kilti į viršų, o lėktuvas bando pereiti į smigimą žemyn.

Negana to, prasideda ir kitokie efektai - pvz., virš dalies sparno ar vairo gali jau susidaryti viršgarsinis srautas, nors virš kitos dalies - vis dar ne. Ir tas srauto greitis gali priklausyti ir nuo sparno pasukimo, ir nuo lėktuvo manevro.

Taigi, iš istorijos žinoma, kad kai kurie įprasti lėktuvai, viršiję garso greitį, imdavo elgtis labai keistai - pvz., sukant juos į viršų, jie sukdavosi į apačią, sukant į kairę, sukdavosi į dešinę ir panašiai. Negana to, kadangi dėl banginio pasipriešinimo kai kuriose korpuso vietose susikoncentruoja slėgio jėgos, kai kurie iš ankstyvų lėktuvų, priartėję prie garso greičio, pradėdavo byrėti ir plyšti gabalais - oro srautas kartais tiesiog perplėšdavo skardas.

Trumpai tariant, su garso greičio viršijimu buvo susiję daug visokių katastrofų, nes lėktuvai darydavosi ir absoliučiai nevaldomais, ir byrančiais taip, lyg būtų padaryti iš šiukšlių.