Сверхзвуковая скорость

Полет F-18 в трансзвуковом режиме.

Сверхзвукова́я ско́рость — скорость частиц вещества выше скорости звука для данного вещества или скорость тела, движущегося в веществе с более высокой скоростью, чем скорость звука для данной среды.

Теория

В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом: $M=\frac{u}{c_s}$, где u — скорость движения потока или тела, $c_s$ — скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как $c_s=\sqrt{\gamma \frac{p}{\rho}}$, где $\gamma$ — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает $i$ степенями свободы он равен $\frac{i+2}{i}$). Здесь $i = n_p + n_r + 2n_c$ — полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы $n_p = 3$. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы $n_r = 2$, количество колебательных степеней свободы (если есть) $n_c = 3n - 5$. Для всех других молекул $n_r = 3$, $n_c = 3n - 6$.

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).

Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Режим	Числа Маха	км/ч	м/сек	Общие характеристики аппарата
Дозвук	<1.0	<1230	<340	Наиболее часто самолет с пропеллером или с ТВД, прямые или скошенные крылья.
Трансзвук (англ.)русск.	0.8—1.2	980—1470	270—400	Воздухозаборники и слегка стреловидные крылья, сжимаемость воздуха становится заметной.
Сверхзвук	1.0—5.0	1230—6150	340—1710	Более острые края плоскостей, хвостовое оперение цельноповоротное.
Гиперзвук	5.0—10.0	6150—12300	1710—3415	Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья. (X-43)
Быстрый гиперзвук	10.0—25.0	12300—30740	3415—8465	Кремниевые плитки для теплозащиты, несущее тело аппарата вместо крыльев.
«Скорость возврата»	>25.0	>30740	>8465	Аблятивный тепловой экран, нет крыльев, форма капсулы.

Сверхзвуковые Объекты

Космические корабли и их носители, а также большинство современных истребителей разгоняются до сверхзвуковых скоростей. Также было разработано несколько пассажирских сверхзвуковых самолетов - Ту-144, Конкорд, Аерион. Скорость вылета пули большинства образцов современного огнестрельного оружия больше М1. ^[1]

Интересные факты

• Молекулы кислорода при обычной комнатной температуре движутся со сверхзвуковой средней скоростью, составляющей около 480 метров в секунду.^[2]

См. также

• Скорость звука
• Число Маха
• Гиперзвуковая скорость
• Звуковой барьер
• Сверхзвуковой самолёт

Примечания

1. ↑ Hypography - Science for everyone - Whip Cracking Mystery Explained
2. ↑ Телепортация: прыжок в невозможное / Дэвид Дарлинг. — Москва: Эксмо, 2008. — 300 с. — (Открытия, которые потрясли мир). — 3100 экз.