Сверхзвук

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 γ — 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 не считаются гиперзвуковой скоростью, а «скоростью возврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов:
Режим	Махи	км/ч	м/сек	Общие характеристики аппарата
Дозвук	<1.0	<1,230	<340	Наиболее часто самолет с пропеллером или с ТРД, прямые крылья.
Трансзвук	0.8-1.2	980-1,475	270-410	Воздухозаборники и слегка скошенные назад крылья, сжимаемость воздуха становится заметной.
Сверхзвук	1.0-5.0	1,230-6,150	340-1,710	Более острые края плоскостей, хвостовое оперение служит стабилатором, то есть полностью контролирует полет.
Гиперзвук	5.0-10.0	6,150-12,300	1,710-3,415	Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья.
Быстрый гиперзвук	10.0-25.0	12,300-30,740	3,415-8,465	Силиконовые плитки для теплозащиты, несущие тело аппарата вместо крыльев.
Скорость возврата	>25.0	>30,740	>8,465	Аблативный тепловой экран, нет крыльев, форма капсулы.

Интересные факты

• Молекулы кислорода при обычной комнатной температуре движутся со сверхзвуковой средней скоростью, составляющей около 480 метров в секунду.^[1]

Примечания

1. ↑ Телепортация: прыжок в невозможное / Дэвид Дарлинг. — Москва: Эксмо, 2008. — 300 с. — (Открытия, которые потрясли мир). — 3100 экз.

Смотри также

• Скорость звука
• Число Маха
• Гиперзвуковая скорость