что такое мах в ракетостроении

Хождение за пять Махов

Гиперзвуковая скорость, «гиперзвук» — сегодня в ракетной и авиационной сфере это самое модное слово. Как «нанотехнологии» повсеместно лет десять назад. Но что же это такое «гиперзвук», и в чем он измеряется?

От дозвука до гиперзвука

Скорость звука в воздухе давно принята за некую эталонную точку отсчета для самых разных научных и практических измерений. Впервые об этой величине как о достаточно стабильной упоминал еще Аристотель. Он использовал ее для сравнения и характеристики движения тел. Первым же человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер, стал в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на экспериментальном самолете Bell Х-1. Первый советский пилот, капитан Олег Соколовский, разогнался до скорости звука годом позже — на Ла-176, также экспериментальном.

Правда, сверхзвуковые полеты середины ХХ века были весьма условными по нынешним понятиям. Ла-176 достигал скорости звука лишь в пологом пикировании, а Bell Х-1 для этого и вовсе поднимался в небо не собственными силами, а с помощью самолета-носителя, дабы не потратить все топливо на взлете.

Сверхзвуковым принято называть диапазон от 1 до 5 скоростей звука, ну а 5 «звуковых» скоростей и далее — это тот самый «гиперзвук», о котором сегодня так много говорят. Правда, пока он упоминается чаще всего применительно к ракетному оружию, ибо пилотируемые и беспилотные самолеты, перемещающиеся на таких скоростях, в массе своей представляет штучные тестовые модели.

Наиболее характерным представителем этой категории летающих машин стоит назвать американский NASA X-43, ставший в первой половине прошлого десятилетия относительно открытой компиляцией всех аналогичных секретных военных разработок России и США, начавшихся еще в 1950-е гг. Этот небольшой беспилотник достиг почти десяти скоростей звука. Правда, для этого он (как тот самый Bell Х-1 в 1947-м!) сперва поднимался в воздух, будучи прицепленным к крылу бомбардировщика B-52, затем десять секунд набирал скорость с помощью реактивного двигателя, после чего в течение такого же времени планировал и в итоге тонул в океане…

Скорость звука и число Маха

Когда заходит речь о сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях, вместо привычных большинству людей километров (или миль) в час начинают фигурировать какие-то странные «Махи». Например — «скорость самолета превысила 5,2 Маха». Что же это за единица измерения и как ее воспринимать?

Так называемое «число Маха» названо в честь Эрнста Маха, австрийского физика. Будучи одним из основоположников газовой механики и окончив жизнь в эпоху первых летающих «этажерок», «небесных тихоходов», он и подумать не мог, что уже в конце 1940-х гг. реактивные истребители вплотную приблизятся к звуковому барьеру, и единица скорости, названная его именем, войдет в повседневный обиход авиаторов.

Число Маха, или число М, как его также называют — не самая очевидная вещь для понимания. Одна из канонических трактовок звучит так: «отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде»… Впрочем, попробуем объяснить его понятными словами, «на пальцах».

Запредельно упрощенно (и весьма некорректно!) можно сказать, что единица числа Маха — это скорость звука. Иными словами, 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Соответственно, 2 Маха — условно 680 метров в секунду или 2448 км/ч, и далее соответственно. Однако любой преподаватель газодинамики за такое объяснение отвесит вам полновесного «леща» учебником Абрамовича. Ибо число Маха — это не скорость в классическом понимании — в виде расстояния, пройденного за отрезок времени. Эта безразмерная единица, хотя и плотно привязана к скорости звука в воздухе, учитывает тот факт, что скорость звука — вовсе не постоянная величина!

Большинство считает, что скорость звука в воздухе равна 340 метрам в секунду. Но свойства-то воздуха могут быть разными. А значит, различна и скорость распространения звука в нем! В приземном слое она действительно равна тем самым 340 метрам в секунду, но, к примеру, на высотах около десяти километров, скорость из-за разреженности воздуха и низких температур — иная, и составляет уже около 300 метров в секунду.

Чтобы преодолеть звуковой барьер непосредственно над землей, самолету нужно достичь скорости 1224 км/ч, а на высоте десяти тысяч метров для этого достаточно скорости 1076 км/ч — на 148 км/ч меньше. Разница около 13–14 процентов — это весьма немало и имеет существенное значение как для инженеров, проектирующих самолет, так и для пилотов, им управляющих. Иными словами, 1 Мах — это скорость звука при конкретных параметрах высоты и температуры, в которых летит самолет, «здесь и сейчас».

Для чего нужно измерение скорости в Махах?

Слово «MACH» или буква «М» значатся на особых индикаторах скорости в пилотских кабинах — этими приборами часто дополняют измерители приборной скорости и на летном жаргоне их именуют «махометрами». Лимб «махометра» размечен в условных единицах — условно говоря, если его стрелка встанет на цифру 1, то самолет летит со скоростью звука в данный момент времени и на данной высоте. Если полет, предположим, проходит низко над землей, то фактическая скорость при 1 Махе будет равняться 1224 км/ч, если на высоте десяти тысяч метров — 1076 км/ч.

Но возникает естественный вопрос — для чего пилоту необходимы данные скорости с «махометра»? Дело в том, что момент перехода через звуковой барьер связан с резкими изменениями аэродинамического баланса самолета и требует повышенного внимания в управлении. И этот момент как раз точно индицирует «махометр».

В дальнейшем, после «перехода через единицу» этот прибор также необходим для оценки реальной ситуации, что называется, «онлайн», ибо за звуковым пределом машина ведет себя совсем не так, как до него. Ну, и наконец, индикация реальной скорости в Махах нужна для отслеживания числа М, обозначенного создателями самолета, как конструктивный предел его прочности.

Впрочем, «махометр» имеется не в каждом самолете. Собственно, принято считать, что для летающих машин, не превышающих скоростей около 400 км/ч и высот около 2–3 тысяч километров конвертация скорости в число М неактуальна — самолет в своем штатном дозвуковом диапазоне рабочих скоростей ведет себя достаточно линейно и предсказуемо.

Источник

Скорость звука, критическая скорость и число Маха

Число Маха является одним из критериев подобия в механике жидкостей и газов. Критерий назван по имени австрийского ученого Эрнста Маха и обозначается буквой М.

Само по себе число Маха является отношением скорости течения в данной точке газового потока к скорости звука.

В этой статье мы собрали для Вас все необходимые теоретические знания и полное описание всего, что касается выводов и понимания скорости звука, критической скорости и числа Маха.

Содержание статьи

Скорость звука

Скорость звука α определяется как скорость распространения малых возмущений (формула 1):

Поскольку процесс распространения малых возмущений можно считать изоэнтропическим (т.е. без теплообмена и потерь)

Где p – давление в среде, н/м 2 ;
ρ – плотность среды, кг/м 3 ;
R – газовая постоянная, нм/кг 0 К;
T – температура, 0 К.
κ – показатель изоэнтропы, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме определяется по формуле:

Производная от этих уравнений dp/ (p × ρ) определяется с учетом следующих зависимостей.

А если при этом пренебречь влиянием производной dz/dT, то скорость звука будет определяться формулой 2

Величина скорость звука зависит от подвода (или отвода) тепла или механической работы, поскольку может меняться температура газа Т. Но формулы 1 и 2 остаются справедливыми при любом воздействии на газ, не вызывающем химических превращений.

Физически это легко объясняется тем, что изменение давления в плотности и в волне можно рассматривать как малые, но конечные величины, а толщина волны δ столь мала, что её следует считать бесконечно малой.

Поэтому любые массовые силы при переходе через звуковую волну дают слагаемые более высокого порядка малости, чем изменение плотности или давления.

Критическая скорость

Во многих случаях наряду со скоростью звука удобно использовать понятие критической скорости αх, под которой подразумевается местная скорость, равная скорости звука.

Для определения критической скорости воспользуемся общим уравнением сохранения энергии

уравнение критической скорости

Из последних двух равенств получаем, что

где α₀ – скорость звука в неподвижной среде.

Таким образом скорость звука для воздуха

Число Маха

Скорость течения соизмерима со скоростью звука, а в некоторых случаях даже больше её.

В таких случаях важной характеристикой течения является отношение скорости течения к скорости звука.

Формула по которой определяют число Маха выглядит так:

где w – скорость течения в среде
α – скорость звука.

Число Маха является одним из основных критериев подобия течений, определяющих эффект сжимаемости. Ведь как известно при сверхзвуковых скоростях резко изменяется характер течения.

Важное значение числа Маха состоит в том, что оно показывает, превышает ли скорость течения газовой среды скорость звука или нет.

Фактически если М > 1, то значит поток движется со скоростью большей скорости звука.

Тогда в случае М 1 сверхзвуковым. Более того, это не все режимы течения жидкости.

Вот ещё несколько:
Скорость от 1 до 5 Махов, как Вы уже знаете называют сверхзвуковой
От 5 до 23 Махов – гиперзвуковой
Более 23 Мазов – первой космической скоростью.

Хотя число Маха это величина безразмерная, но для понимания его порядка во многих источниках приводится в единицы системы СИ, т.е. требуется представить число маха в километрах в час.

Тогда 1 Мах равен 1 199 км/час или 333 м/сек. Но следует учитывать, что такие величины достигаются при нормальном атмосферном давлении и нулевой температуре и влажности у поверхности земли.

Поскольку давление, температура и влажность изменяются на разной высоте от земли, то изменяется и скорость звука.

Так, например для истребителя летящего на высоте 18 000 м от земли со скоростью 2,3 Маха или 2450 км/час, 1 Мах будет составлять уже 1065 км/час или 295 м/сек.

Источник

Скорость звука и число М

Для начала давайте выясним, сверхзвук — это сколько км/ч? Какова должна быть скорость, чтобы считаться сверхзвуковой? Проблема в том, что простого и однозначного ответа на этот вопрос… Просто нет.

Есть правильный ответ — больше 1 М. Или Число Маха равное единице, это скорость звука, а выше единицы, это уже сверхзвук.

Совсем не привычное нам число, выраженное в километрах в час. Если упростить, то объяснить можно так: скорость звука зависит о свойств среды в которой он распространяется, чем плотнее среда, тем быстрее распространяются колебания (звук это ведь волна). Таким образом на разной высоте скорость звука разная. Чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем ниже будет местная скорость звука.

Что такое скорость звука

Скорость звука в километрах в час не выражается, просто потому, что в таком случае она всегда будет разной.

Зависимость скорости звука от высоты полета

Например, скорость звука у земли (на высоте 0 км) составит 340 метров в секунду (м/с), это 1224 км/ч. И тут важно сказать что такое значение будет: при температуре +15 и давлении 750 мм. рт. ст. и относительной влажности 0%. То есть, при «стандартных» условиях.

А вот на высоте 10 000 метров, на которой летают современные пассажирские лайнеры, это уже около 299 м/с (это 1076 км/ч), то есть разница довольно значительная — 12%.

Также от высоты полета и других параметров атмосферы зависит и скорость звука, и сопротивление воздуха и, соответственно, скорость которую может развить самолет.

Скорость звука на высоте 11 километров и выше почти не будет меняться, эта часть атмосферы называется «тропопауза».

То же самое в виде таблицы

Зависимость скорости звука от высоты*

*Минутка занудства. Нужно напомнить, что на самом деле скорости звука от высоты зависит условно, это упрощение. Скорость звука зависит от плотности атмосферы, а плотность воздуха, в свою очередь, зависит от температуры, влажности и давления, которые меняются с высотой.

Зачем нужно число Маха

Так вот, число Маха в авиации представляет собой отношение скорости летательного аппарата к скорости звука на той высоте на которой он сейчас летит. Так удобнее, ведь на разной высоте скорость звука будет разной и чтобы понимать достигает ли самолет скорости звука, его скорость измеряют в числах М.

Один мах, это просто — 1 мах, а не «км/ч». Нельзя просто ответить на вопрос «сколько 1 мах в километрах в час», нужно всегда уточнять, о какой высоте идет речь.

Если еще проще, число М показывает сколько скоростей звука в скорости самолета сейчас на конкретной высоте (при определенных условиях среды). Если число Маха больше единицы, очевидно, мы имеем дело со сверхзвуковой скоростью. Поэтому чаще всего вы будете встречать пояснение для какой высоты указано конкретное число Маха.

Например, для Боинга 777 крейсерской скоростью считается 0,84 М (это дозвуковой летательный аппарат). То есть на высоте 10 000 метров при стандартных условиях, принимая скорость звука за 1076 км/ч умножаем ее на 0,84 и получаем — 904 км/ч. По документации крейсерская скорость Boeing 777 составляет как раз 905 км/ч.

Что касается сверхзвуковых летательных аппаратов, то, по определению, их скорости должны быть больше скорости звука, то есть больше 1 М. Например у Су-27 это 2,35 М, что примерно 2 528 км/ч на высоте 10 км (скорость звука 295 м/с, а это 1062 км/ч).

Число М некоторых сверхзвуковых самолетов:

А вот гиперзвуковые летательные аппараты:

SR-71 — самый быстрый серийный самолет

Еще одно замечание, число Маха в авиации, это качественная величина, а не количественная. То есть это не скорость в чистом виде, а критерий который показывает насколько скорость объекта выше скорости звука. Зачем? Затем, что дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые или гиперзвуковые скорости очень сильно отличаются по сути.

Пилоту (и инженеру тоже) важно знать какой у него сейчас режим обтекания самолета (дозвуковой, трансзвуковой или сверхзвуковой). Например, во многих указателях скорости есть отдельный циферблат, показывающий значение числа Маха в дополнению к приборной скорости.

На картинке в начале этого повествования изображен трансзвуковой режим. Это значит, что сам самолет еще не превысил скорость звука, а на некоторых его участках (на фото это очень хорошо видно по белым «клиньям») скорость обтекания уже достигла скорости звука.

Поэтому и образовались скачки уплотнения которые хорошо видны благодаря образованию конденсата позади них. Вот почему, число Маха так важно.

Источник

Маха число

Число́ Ма́ха — в механике сплошных сред — один из критериев подобия в механике жидкости и газа. Представляет собой отношение скорости течения в данной точке газового потока к местной скорости распространения звука в движущейся среде — назван по имени австрийского ученого Эрнста Маха (нем. E. Mach ).

Содержание

Техническое определение

Зачастую используется упрощённое определение числа Маха как отношения скорости тела, движущегося в газовой среде, к скорости звука в данной среде. Такое определение не вполне корректно, так как скорости потоков в окрестностях движущегося тела зависят от его формы.

Чаще всего такое определение используется в оценочных характеристиках летательных аппаратов: их скорость задаётся безразмерным числом в формате M n, где n-десятичное число. Например, скорость M 4 — обозначает что скорость летательного аппарата в 4 раза превышает скорость звука. Пересчёт такой скорости в линейную скорость затруднён, так как скорость звука в воздухе зависит от его плотности (и, соответственно, высоты полёта) и температуры. Вместе с тем шкала скоростей Маха широко применяется в авиации, так как аэродинамические свойства и условия обтекания летательных аппаратов при близких значениях числа Маха также близки.

Число Маха в газовой динамике

, где — скорость потока, а — скорость звука

является мерой влияния сжимаемости среды в потоке данной скорости на его поведение: из уравнения состояния идеального газа следует, что относительное изменение плотности (при постоянной температуре) пропорционально изменению давления:

,

из закона Бернулли разность давлений в потоке , то есть относительное изменение плотности:

Поскольку скорость звука , то относительное изменение плотности в газовом потоке пропорционально квадрату числа Маха:

Наряду с числом Маха используются и другие характеристики безразмерной скорости течения газа:

и безразмерная скорость

,

где — критическая скорость,

— максимальная скорость в газе, — отношение удельных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме соответственно.

См. также

Литература

Безразмерные числа в физикеПонятияРазмерность физической величины · Безразмерное число · П-теорема · Критерий подобияЧислаАббе · Архимеда · Багнольда · Био · Бонда · Бринкмана · Вебера · Вайсенберга · Гагена · Галилея · Гартмана · Грасхофа · Гуше · Дамкёлера · Деборы · Дерягина · Гретца · Дина · Каулинга · капиллярности · Кнудсена · Лапласа · Льюиса · Маха · Марангони · Нуссельта · Онезорге · Пекле · Прандтля (магнитное, турбулентное) · Рейнольдса (магнитное) · Ричардсона · Россби · Роуза · Рошко · Руарка · Рэлея · Стентона · Стокса · Струхаля · Суратмана · Тейлора · Уомерсли · Фруда · Фурье · Чандрасекара · Шмидта · Шервуда · Эйлера · Эккерта · Экмана · Элсассера · Эотвоша

Полезное

Смотреть что такое «Маха число» в других словарях:

МАХА ЧИСЛО — (М число), одна из основных характеристик течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения u к скорости звука a в той же точке потока: M= u/a. Понятие число Маха применяется и при описании движения тела в газе. В этом случае число Маха… … Современная энциклопедия

МАХА ЧИСЛО — (по имени австр. учёного Э. Маха (Е. Mach)) (M число), характеристика течения газа с большими скоростями, равная отношению скорости течения v к скорости звука а в той же точке потока; М= v/a. Когда тело движется в газе, М. ч. равно отношению… … Физическая энциклопедия

Маха число — (М число), одна из основных характеристик течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения u к скорости звука a в той же точке потока: M= u/a. Понятие число Маха применяется и при описании движения тела в газе. В этом случае число Маха… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Маха число — безразмерная величина M, равная отношению скорости движущейся среды V к местной скорости звука a: M = V/a. Характеризует влияние сжимаемости среды; названо по имени Э. Маха, который экспериментально изучал особенности сверхзвуковых течений и… … Энциклопедия техники

МАХА ЧИСЛО — (М число) безразмерная характеристика течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения к скорости звука a в той же точке потока: M=v/a основной критерий подобия для течения сжимаемого газа. Названо по имени Э. Маха … Большой Энциклопедический словарь

Маха число — (М число) отношение скорости движения тела к скорости распространения звука в газовой среде. Важнейшая характеристика для оценки воздействия воздушного потока на полет самолета, ракеты, снаряда. При М1 – сверхзвуковая. Названо по имени… … Морской словарь

МАХА ЧИСЛО — (обозначается М) отношение скорости движения тела к скорости распространения звука в газовой среде. М. ч. важнейшая характеристика для оценки воздействия воздушного потока на полёт самолёта, ракеты или снаряда: при М Большая политехническая энциклопедия

Маха число — (М число), безразмерная характеристика течения сжимаемого газа, равная отношению скорости течения v к скорости звука а в той же точке потока: М = v/а основной критерий подобия для течения сжимаемого газа. Названо по имени Э. Маха. * * * МАХА… … Энциклопедический словарь

Маха число — Macho skaičius statusas T sritis Energetika apibrėžtis Nedimensinis dydis, lygus dujų greičio ir vietinio (t.y. to paties srauto taško) garso greičio santykiui. Tai vienas iš pagrindinių panašumo kriterijų, apibūdinantis terpės (aplinkos) spūdumo … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Маха число — Маха число — безразмерная величина M, равная отношению скорости движущейся среды V к местной скорости звука a: M = V/a. Характеризует влияние сжимаемости среды; названо по имени Э. Маха, который экспериментально изучал особенности… … Энциклопедия «Авиация»

Источник