Supersonisk flyvning

Supersonisk flyvning: stødbølgestruktur af en supersonisk T-38C synliggjort med AirBOS-processen ( AirBOS, Air-to-Air Background-Oriented Streaks ), 2015

Machscher-kegle . Opførelsen ved supersonisk hastighed vises til højre: der dannes en stødbølge (blå).

En F / A-18 Hornet jagerbomber i supersonisk flyvning. Du kan se cloud disc-effekten .

Flyvning med supersonisk betyder, at lufthastigheden er større end lydhastigheden i nærheden af flyet . I flyfysik bliver hastigheder dimensioneret med lydens hastighed og kaldes Mach-nummeret (forkortelse M eller Ma ), opkaldt efter fysikeren Ernst Mach . Supersonisk flyvning betyder at flyve med Ma > 1.

Lydens hastighed i luften

Den lydhastigheden er defineret ved , hvor κ (kappa) er forholdet mellem de specifikke heats , den specifikke gas konstant af luften og T er den termodynamiske temperatur (målt i Kelvin ) (enhed K ). Det er derfor afhængigt af temperaturen, men uafhængigt af lufttrykket. Luftfugtigheden øger produktet en smule , men indflydelsen på lydens hastighed er mindre end 1% selv under tropiske forhold. I tør luft er og . For den givne lydhastighed . Med stigende flyvehøjde falder lydens hastighed på grund af de lavere temperaturer. I området for de sædvanlige flyvehøjder over 11 km har standardatmosfæren en temperatur på . Dette resulterer i en lydhastighed på . ${\ displaystyle c = {\ sqrt {\ kappa \, R _ {\ mathrm {s}} \, T}}}$${\ displaystyle R _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle \ kappa \, R _ {\ mathrm {s}}}$${\ displaystyle R _ {\ mathrm {s}} = 287 {,} 058 \ \ mathrm {{J} / ({kg \, K})}}$${\ displaystyle \ kappa = 1 {,} 402}$${\ displaystyle T = 288 {,} 15 \ \ mathrm {K} = 15 \ ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$${\ displaystyle c = 340 {,} 54 \ \ mathrm {m / s} = 1225 {,} 94 \ \ mathrm {km / h}}$${\ displaystyle T = 216 {,} 65 \ \ mathrm {K} = -56 {,} 5 \ ^ {\ circ} \ mathrm {C}}$${\ displaystyle c = 295 {,} 1 \ \ mathrm {m / s} = 1062 \ \ mathrm {km / h}}$

Lydbarriere

Nærmer sig planet af lydhastigheden ( Ma  = 1), er det på grund af sammentrykkeligheden af luft til chokbølger på forskellige dele af luftfartøjet (Se også kompression chok ). Som et resultat øges den aerodynamiske modstand (vindtryk) betydeligt, indtil denne grænse, billedligt kendt som lydbarrieren , er overvundet. Derefter falder modstanden igen (men forbliver højere end i det subsoniske område). I normal drift giver moderne militære motorer tilstrækkelig kraft til at være i stand til at flyve supersonisk kontinuerligt i niveauflyvning , hvilket er kendt som supercruise . Ældre flymodeller kræver en efterbrænder til dette eller er nødt til at dykke ned i et dyk for at kunne accelerere til supersonisk hastighed. Lufthastigheden, hvor de første supersoniske områder og dermed også kompressionschok opstår i luftstrømmen omkring flyet, er - afhængigt af flyets design mere eller mindre markant - under lydhastigheden. Hvis der er tilstrækkelig luftfugtighed, dannes der kondensskyer i disse områder, hvis bagende er markeret med en kollision ( cloud disk-effekt ) (se billedet ovenfor). Hastighedsområdet, hvor områder med både højere og lavere lydhastigheder opstår, når luft strømmer rundt om flyet, kaldes transonic og dækker et lufthastighedsområde på ca. Ma  = 0,8 til 1,2.

Udviklingen af ​​den fejede fløj var meget vigtig for at overvinde lydbarrieren . Dette gjorde det muligt at reducere stigningen i modstand kraftigt, når man nærmer sig lydhastigheden. For at overvinde lydbarrieren med et fly er det dog normalt også nødvendigt at overholde områdets regel . Derefter kan tværsnittet af flyet kun ændre sig langsomt som en funktion af den aksiale position. Først da denne regel blev taget i betragtning, og efter betydelige ændringer i skroget, kunne YF-102A være det første fly, der blev accelereret til supersonisk hastighed med sine egne motorer i niveauflyvning.

Den første prototype af YF102A brød endda lydbarrieren på sin allerførste flyvning (20. december 1954, Lindbergh Field nær San Diego), mens den stadig klatrede .

Hvis lydhastigheden overskrides ( Ma > 1), spreder den såkaldte Mach-kegle sig konisk bagud, startende fra flyets næse og vingerne .

opvarmning

SR-71 , brug af titanium til at klare varmeproduktion

Da luften ikke strømmer væk hurtigt nok, fører det dynamiske tryk , især i endefladerne, til en kompressionsrelateret opvarmning af luften og dermed af missilet. Ved højere supersoniske hastigheder bliver denne opvarmning så stor, at styrken af ​​det aluminium, der almindeligvis anvendes i flykonstruktion, forringes, indtil det fejler.

Sonic boom

Den soniske bom er den hørbare effekt af stødbølgen ( kompressionsstød ), der opstår, når en krop bevæger sig gennem et medium med supersonisk hastighed .

Konisk udbredelse af trykbølgen bag et supersonisk missil , forløb af trykbølgens hyperbolske jordkontakt

Supersonisk dobbelt bang

Vinge - Luftstrøm ved supersonisk hastighed

Denne stødbølge har form af to kegler, en på flyets næse og en på flyets hale. Keglerne åbner mod flyretningen. I tilfælde af små fly eller projektiler konvergerer disse tæt nok til at blive opfattet som et enkelt bang; I store fly kan man tydeligt skelne mellem chokbølgerne og forårsage et "dobbelt slag" hvert par hundrededele af et sekund (det menneskelige øre kan opdage meget små tidsforskelle ( transit tidsforskel )). I stor afstand fra observatøren stiger tidsintervallet mellem de to stødbølger og kan være flere tiendedele af et sekund i tilfælde af store fly eller rumfærger . Årsagen til denne stigning er små forskelle i chokbølgens forplantningshastighed; I modsætning til normale lydbølger afhænger udbredelseshastigheden af ​​stødbølger af deres amplitude .

Selvom smellet kun opfattes én gang på et tidspunkt, er der på ingen måde et eneste bang, når lydbarrieren er brudt. Den nedre overfladelinie af keglen bestemmer tidspunktet, hvor smellet når modtageren, og modtageren hører det, selv før opfattelsen z. B. motorstøj. I mellemtiden fortsætter keglen dog med at bevæge sig, hvorfor den også kan nå en anden modtager et stykke væk og høre et andet brag. Smellen, når man flyver med supersonisk hastighed, opfattes kun af observatøren, når observatøren har fløjet over den (forsinket af flyvehøjden, dvs. med et sekund på 340 meter). Derfor trækkes lyden og dermed lydbommen af ​​en genstand, der bevæger sig i supersonisk hastighed.

Med stigende hastighed bliver keglerne "strammere" omkring flyet, og på samme tid - på grund af den højere energi, der overføres til luften pr. Rejseenhed - øges deres amplitude og dermed lydstyrken på den soniske bom. Lungens volumen afhænger også af mængden af ​​fortrængt luft og dermed af flyets størrelse . Energien E frigivet pr. Afstand s er inkluderet

${\ displaystyle \ Delta E = \ Delta s \ cdot {\ frac {c '_ {\ mathrm {w}}} {2}} A \ rho v ^ {2} \,}$

hvor den modstandskoefficient er i den supersoniske område og er for det meste omkring det dobbelte af værdien i den subsoniske interval. Desuden det frontale område af flyet, det luftens massefylde og den flyvehastighed er i forhold til den omgivende luft. Kraften, der frigives i luften, er tilsvarende ved konstant lufthastighed ${\ displaystyle c '_ {\ mathrm {w}}}$${\ displaystyle c _ {\ mathrm {w}}}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle v}$

${\ displaystyle P = {\ frac {\ mathrm {d} E} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t}} s {\ frac { c '_ {\ mathrm {w}}} {2}} A \ rho v ^ {2} = {\ frac {c' _ {\ mathrm {w}}} {2}} A \ rho v ^ {3 } \.}$

Energien pr. Afstandsenhed er afgørende for amplituden og dermed for smellets volumen, mens ydeevnen har en direkte indflydelse på brændstofforbruget.

I meget høje højder rører keglerne ikke længere jorden, men konverteres til meget lavfrekvente lydbølger , og smellet opfattes ikke længere der ( se også: infralyd ). I tilfælde af meget store missiler eller ekstremt høje supersoniske hastigheder kan trykbølgen alligevel være stærk og / eller koncentreret nok i tide til, at hørbare lydbølger eller endda stødbølger når jorden. Dette er z. B. tilfældet med genindtastning af rumfærger eller indrejse af større meteoroider .

Af disse støjårsager øgede Concorde normalt kun flyhastigheden til supersonisk over ubeboede områder (normalt over åbent hav). Flyvningen af ​​en Concorde fra Paris til Leipzig i 1986 er en specialitet . Fra det roterende radiofyr (VOR) Trent på Rügen til VOR Fürstenwalde fløj maskinen i supersonisk retning over DDR-området . DDR gennemførte støjmålinger og overførte resultaterne til den franske side.

historie

De første menneskeskabte objekter, der oversteg lydhastigheden, var enderne af piske og slynger . Den teoretiske beskrivelse af piskens knæk blev lavet af fysikeren István Szabó og tidligere Richard Grammel .

Den 1. juli 1941 nåede Heini Dittmar en hastighed på 1004 km / t med Me 163 BV18 Komet VA + SP højt over Luftwaffe teststedet Peenemünde-West og var den første pilot, der opnåede en hastighed i det kritiske område under sin flyvning Mach-nummer nået. I magasinet Der Spiegel blev Dittmar citeret som følger: "Disse såkaldte Mach-fænomener, som jeg oplevede som den første pilot, var de første banke på lydbarrieren."

I Storbritannien i 1943 blev styrkerne følt af jagerpiloter i ekstreme situationer undersøgt med propelfly; et Mach-antal på 0,9 blev opnået i dykkerflyvninger i højder på 12 kilometer (ca. 40.000 fod ). Men det var også klart, at højere hastigheder ikke ville være opnåelige, fordi propellen genererede mere træk end fremdrivningskraft ved disse hastigheder. Uanset dette ville der kræves motorydelse, som ikke kan opnås med stempelmotorer med stempel .

Den tyske jagerpilot Hans Guido Mutke hævder at have brudt lydbarrieren den 9. april 1945 med en Messerschmitt Me 262 . Der er dog ingen beviser til støtte for påstanden. Wolfgang Czaia, den tyske testpilot for Me-262 replikprojektet, anser også denne påstand for at være urealistisk. Som testpilot har han fløjet i begge Me 262'erne, der tidligere er blevet replikeret i USA, og kender derfor deres data og parametre meget godt. Piloter fra det første jetfly indså, at det med tidens teknologi ikke var sandsynligt at bryde lydbarrieren. Ved hastigheder over Mach 0,95 opstod tunge mekaniske belastninger, og kontroleffekten gik tabt. I enkelte tilfælde styrtede maskinerne sammen eller brød sammen som et resultat.

Den 1. oktober 1947 brød George Welch lydbarrieren med en prototype af den nordamerikanske F-86 Sabre i en 40-graders næse. Men da speedometeret ikke var kalibreret til den passende højde, og der ikke var nogen hastighedsmåling fra jorden, blev flyvningen ikke officielt klassificeret.

Afspil mediefil

Den 14. oktober 1947 var Chuck Yeager den første person til at bryde lydbarrieren med Bell X-1.

Den 14. oktober 1947 brød den amerikanske testpilot Chuck Yeager påviseligt lydbarrieren i en Bell X-1 i en højde af ca. 15.000 m. Under de tidligere flyforsøg måtte han kæmpe med stødbølgerne og en deraf følgende reduktion i elevatorens effektivitet . Kun ideen om at flytte hele den vandrette stabilisator med elektriske motorer i stedet for muskelkraft gjorde denne banebrydende handling mulig. Skroget på X-1 raketplanet havde stadig form af et opskaleret riffelprojektil, som er aerodynamisk ugunstigt for fly. Regelmæssig supersonisk flyvning blev kun mulig, efter at fly med fejede vinger blev konstrueret, og områdets regel blev overholdt .

Det første jetdrevne produktionsfly, der nåede supersonisk hastighed i en svag banehældningsflyvning, var en prototype af den nordamerikanske F-86 Sabre (XP-86 Sabre, 26. april 1948), en prototype af Convair F-102 var den først med succes den 20. december 1954 egne motorer selv i en let stigning. Den franske Jacqueline Auriol blev den første kvinde til at flyve en Dassault-Breguet Mystère supersonisk i sommeren 1953 . Den første officielle FAI- hastighedsrekord med supersonisk hastighed blev opnået af en nordamerikansk F-100 den 20. august 1955.

Mach 3 nordamerikanske XB-70 bombefly

Militærfly, der kan flyve med supersoniske hastigheder, har eksisteret siden begyndelsen af 1950'erne . Jagerfly når Mach 2, MiG-25 interceptor kunne nå Mach 3 i kort tid og SR-71 rekognosceringsfly permanent. Raketplan som X-15 nåede syv gange lydens hastighed, scramjets som testmissilet X-43A nåede lige under Mach 10 (9.6). Militære fly eller videnskabelige testmissiler, der kører med supersoniske hastigheder, er stadig i brug i dag. Et af de mest bemærkelsesværdige supersoniske fly er XB-70 . Dette er en supersonisk bomber designet til en vedvarende hastighed på Mach 3.

Ved sin tilbagevenden til jorden fløj rumfærgen i det supersoniske område uden fremdrift (oprindeligt ca. 27 gange lydhastigheden, dvs. ca. 33.300 km / t).

Civil supersonisk flyvning

Det første civile supersoniske fly var den sovjetiske TU-144 . Det var det første kommercielle fly, der nåede den dobbelte lydhastighed (2150 km / t) den 26. maj 1970, men det var mere en politisk og teknisk succes end en økonomisk. Den 3. juni 1973 styrtede den fjerde Tu-144S nogensinde (den første produktionsmaskine) ned på flyshowet i Le Bourget nær Paris i forstaden Goussainville . På grund af de høje omkostninger i flyveoperationer blev TU-144 nedlagt i 1978.

I modsætning hertil kørte den britisk-franske Concorde , som blev udviklet næsten på samme tid til høje omkostninger, med succes sin rutefart fra 1976 til 2003 med over Mach 2. I juli 2000 styrtede en Concorde på Air France-fly 4590 dog som et resultat af en (gennem en fremmed genstand udløst på landingsbanen) ødelæggende kædereaktion kort efter start i Gonesse nær Paris. 113 mennesker blev dræbt i ulykken. Air France og British Airways suspenderede derefter midlertidigt Concorde-operationer og forbedrede petroleumstankene i vingerne. I 2001 besluttede Frankrig og England efter en kort genoptagelse af flyvningerne at nedlægge Concorde helt. De vigtige flyruter til USA havde længe haft underskud på grund af modstand der. Den sidste Concorde-flyvning fandt sted den 26. november 2003.

Andre flyproducenter såsom Boeing med Model 733/2707 udviklede også supersoniske passagerfly i løbet af denne tid, men stoppede deres udvikling efter Concorde's succes og i kølvandet på den senere oliekrise. Den dag i dag har der været gentagne bestræbelser på at opbygge en videreudviklet efterfølger til Concorde. Disse mislykkedes dog indtil slutningen på grund af de høje udviklings- og driftsomkostninger. Et andet tidligt passagerfly, der nåede supersonisk hastighed, var et Douglas DC-8 . Dette skete imidlertid i nedstigningen, og flyet var faktisk ikke designet til det.

I 1993 foreslog Sukhoi en 50-personers model på Paris Air Show, der lignede Sukhoi T-4 og ledte efter finansieringsmuligheder fra vestlige og arabiske lande.

I juni 2005 underskrev Frankrig og Japan en aftale i anledning af luftudstillingen i Le Bourget , ifølge hvilken de to lande årligt vil levere 1,5 millioner euro i forskningsmidler til udvikling af et fælles civilt supersonisk fly .

Den ESA koordinerer projektet lapcat , en europæisk supersoniske eller under hvilke hypersonisk passagerfly til at være designet.

Derudover SpaceShipTwo af Virgin Galactic under udvikling, et civilt passagerfly .

Der var forskellige planer for nye supersoniske koncepter , men ordrer på det 12-personers Aerion AS2- forretningsfly har været på plads siden 2015, selvom eksperter var meget skeptiske på det tidspunkt. Et andet projekt til 18 passagerer blev kaldt Spike S-512 .

I 2017 meddelte det amerikanske selskab Boom Technology på Paris Air Show i Le Bourget , at det ville fremstille et kommercielt supersonisk passagerfly inden 2023. Flyet skal kunne nå Mach 2.2 og tilbyde plads til 55 passagerer. Jomfruflyvningen i den mindre testversion Boom XB-1 , kaldet Baby Boom, skulle finde sted i slutningen af ​​2018 . I øjeblikket (fra begyndelsen af ​​2021) planlægges dette i slutningen af ​​året. I modsætning til andre projekter arbejder virksomheden med ikke-refunderbare udbetalinger fra fem større flyselskaber.

Den 3. april 2018 meddelte NASA ordren på omkring 200 millioner euro til det amerikanske våbenfirma Lockheed Martin om at udvikle en supersonisk jet, X-flyet , med så lidt som muligt, dvs. en stille lydbom , inden udgangen af ​​2021 . En hastighed på 1500 km / t i en højde af 16 km er målrettet.

Uden et fly

Felix Baumgartner er den første person, der nåede supersonisk hastighed i frit fald uden yderligere fremdrift. Den 14. oktober 2012, nøjagtigt 65 år efter Chuck Yeagers første supersoniske flyvning , hoppede den 43-årige østrigske fra en højde af 39 kilometer (128.100 fod; stratosfæren ) som en del af Red Bull Stratos- projektet og nåede hastigheder på op til 1.342,8 km / t (Mach 1.24).

Med dette spring brød den ekstreme atlet også andre verdensrekorder (se  hovedartikel ).

Se også

• Supersoniske fly
• Doppler-effekt
• ThrustSSC

litteratur

• Johannes Burkhardt og Ulrich M. Schoettle (Stuttgart, Univ., Tyskland), AIAA - 1996–3439, Atmosfærisk flymekanikekonference, Flyveydelses- og kontrolaspekter af en semi-ballistisk genindtrædelseskapsel , San Diego, CA, 29. - 31. juli, 1996

Weblinks

Wiktionary: supersonisk flyvning  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

• Baggrundsinformation om lydbommen ( cloud disc-effekten kan ses på billederne )

Individuelle beviser

1. ↑ Hans-Ulrich Meier (redaktør): Den fejede fløjudvikling i Tyskland indtil 1945, Historien om en opdagelse indtil dens første applikationer , januar 2006, Bernard & Graefe Verlag, ISBN 3763761306
2. ↑ ^{a b c} Convair YF102A, kun overholdelse af arealreglen tillader acceleration til Ma> 1 . Hentet 19. april 2010.
3. ↑ Luftfart - Flammetur over mosen 19. februar 2001 Spiegel Online , adgang til 18. oktober 2016
4. ^ Peter E. Davies: Bell X-1 , Bloomsbury Publishing, 2016, ISBN 978-1472814661 , side 7
5. ↑ Ved grænsen for lufthastighed? .... I:  avisen Oberdonau. NSDAP's officielle avis. Gau Oberdonau / avisen Oberdonau. Daglig post. NSDAPs officielle dagblad. Gau Oberdonau , 12. februar 1944, s. 3 (online på ANNO ).Skabelon: ANNO / Vedligeholdelse / obz
6. ↑ Legend Flyers - Me 262-projektet Konstruktion af luftdygtige rekonstruktioner af Me 262
7. ↑ Wolfgang Czaia: Projekt 262. dagbog for en testpilot, 2006, seksogtyve forlag, ISBN 978-3-9807935-7-5
8. ↑ Sukhoi Su-50 udvikler sig fra T-100 Bomber Project , Aviation Week, 7. juni 1993
9. ^ Returnering af civil supersonisk flyvning , NZZ, 20. november 2015
10. ↑ ^{a b} SPIEGEL ONLINE, Hamborg Tyskland: Supersonisk fly boom: Snesevis af ordrer til Concorde efterfølgere - SPIEGEL ONLINE - Økonomi. Hentet 20. juni 2017 . 
11. ↑ Boom - Supersoniske passagerfly. Hentet 17. september 2017 . 
12. ↑ Supersonic skal rejse sig fra de døde i 2023 , NZZ, 28. juli 2017
13. ↑ NASA bestiller ny supersonisk jet uden bang orf. At, 4. april 2018, adgang 4. april 2018.
14. ↑ taz.de af 15. oktober 2012, bekræftelse baseret på dataoptagelse af Brian Utley, Féderation Aéronautique Internationale (FAI), adgang til den 5. november 2012.