Гиперзвук что это такое простыми словами
Значение слова «гиперзвук»
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
В воздухе при нормальных условиях гиперзвук не распространяется вследствие сильного поглощения. Наиболее существенны взаимодействия гиперзвука с квазичастицами в среде — с электронами проводимости, тепловыми фононами, магнонами.
Область частот гиперзвука соответствует частотам электромагнитных колебаний дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов (т.н. сверхвысоким частотам — СВЧ). Используя технику генерации и приёма электромагнитных колебаний СВЧ, удалось получить и начать исследование частот гиперзвука
Частоте 109 Гц в воздухе при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре соответствует длина волны гиперзвука 3,4·10−5 см или 340 нм, т. е. эта длина одного порядка с длиной свободного пробега молекул в воздухе при этих условиях. Поскольку упругие волны могут распространяться в упругой среде только при условии, что длины этих волн заметно больше длины свободного пробега в газах (или больше межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах), то в воздухе и газах при нормальном атмосферном давлении гиперзвуковые волны не распространяются. В жидкостях затухание гиперзвука очень велико и дальность распространения мала. Сравнительно хорошими проводниками гиперзвука являются твёрдые тела в виде монокристаллов, но главным образом лишь при низких температурах. Так, например, даже в монокристалле кварца, отличающемся малым затуханием упругих волн, на частоте 1,5·109 Гц продольная гиперзвуковая волна, распространяющаяся вдоль оси Х кристалла, при комнатной температуре ослабляется по амплитуде в 2 раза при прохождении расстояния всего в 1 см. Однако имеются проводники гиперзвука лучше кварца, в которых затухание гиперзвука значительно меньше (например, монокристаллы сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др.).
Долгое время гиперзвуковые волны не удавалось получать искусственным путём (в этом одна из причин выделения этой области спектра упругих волн, названной «гиперзвуком»), поэтому изучали гиперзвук теплового происхождения. Твёрдое кристаллическое тело можно представить как некоторую объёмную пространственную решётку, в узлах которой расположены атомы или ионы. Тепловое движение представляет собой непрерывные и беспорядочные колебания этих атомов около положения равновесия. Такие колебания можно рассматривать как совокупность продольных и поперечных плоских упругих волн самых различных частот — от самых низких собственных частот упругих колебаний данного тела до частот 1012—1013 Гц (далее спектр упругих волн обрывается), распространяющихся по всевозможным направлениям. Эти волны называют также дебаевскими волнами, или тепловыми фононами.
Фонон представляет собой элементарное возбуждение решётки кристалла или квазичастицу. Фонону соответствует плоская упругая волна определённой частоты подобно тому, как фотону соответствует плоская электромагнитная волна определённой частоты. Тепловые фононы имеют широкий спектр частот, тогда как искусственно получаемый гиперзвук может иметь какую-нибудь одну определенную частоту. Поэтому искусственно генерируемый гиперзвук можно представлять как поток когерентных фононов. В жидкостях тепловое движение имеет характер, близкий к характеру теплового движения в твёрдых телах, поэтому в жидкостях, как и в твёрдых телах, тепловое движение непрерывно генерирует некогерентные гиперзвуковые волны.
До того, как стало возможным получать гиперзвук искусственным путём, изучение гиперзвуковых волн и их распространения в жидкостях и твёрдых телах проводилось, главным образом, оптическим методом. Наличие гиперзвука теплового происхождения в оптически прозрачной среде приводит к рассеянию света с образованием нескольких спектральных линий, смещенных на частоту гиперзвука, т.н. рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. Исследования гиперзвука в ряде жидкостей привели к открытию в них зависимости скорости распространения гиперзвука от частоты и аномального поглощения ги
Даёшь « гиперзвук» — или нет?
Что такое гиперзвук? Для начала определимся: правильно было бы сказать « гиперзвуковая скорость». Проблема в том, что слово « гиперзвук» обозначает также упругие волны, подобные просто звуковым и ультразвуковым. Но мы ведь имеем в виду аэродинамику и, чтобы не путаться в терминах, будем говорить « гиперзвуковая скорость».
В аэродинамике « гиперзвуковая скорость» значительно превосходит скорость звука — по аналогии со сверхзвуком, только ещё быстрее.
Где-то с семидесятых годов прошлого века устоялась следующая градация: до одного Маха — дозвуковая скорость, от одного до пяти Махов — сверхзвуковая, более пяти Махов — гиперзвук.
Число Маха ( М) в нашем контексте проще всего определить как отношение скорости тела к скорости звука в окружающей среде. Когда скорость летательного аппарата достигает М=1, это означает, что его скорость сравнялась со скоростью звука.
« Так в чём тогда соль?» — спросит внимательный читатель. Раз гиперзвука достигли в сороковых годах, и все баллистические ракеты его достигают — в чём тут интерес и новшество? Проблема в том, что ракеты пусть и развивают гиперзвуковую скорость, но летят в этот момент по баллистической траектории, активно не маневрируют и вообще лишний раз стараются не шелохнуться… это чревато катастрофой.
А вот создание крылатой ракеты или летательного аппарата, способного перемещаться на гиперзвуковых скоростях и маневрировать, стало серьёзнейшей задачей, над решением которой до сих пор бьются конструкторы и инженеры.
Гиперзвуковой летательный аппарат
Начнём с управляемости и создания пилотируемого летательного аппарата, способного двигаться на гиперзвуковой скорости, тормозить и осуществлять посадку.
Первыми этого добились американцы, создав в 1959 году самолёт-ракетоплан X-15. Само слово ракетоплан прозрачно намекает, что речь идёт о ракете с крылышками. Так и есть, X-15 — это глубокая переработка идей и чертежей немецких ракетчиков 1940-х годов. Многие параметры весьма схожи с ракетой « Фау-2». Зато у американцев внутри сидел пилот, а не банальная боеголовка.
X-15 стартовала из-под крыла стратегического бомбардировщика B-52 на высоте порядка 15 километров, затем запускался ракетный двигатель, поднимавший ракетоплан до практического потолка, после чего следовали баллистический спуск, торможение и посадка на аэродроме. Всего прошло чуть меньше двухсот полётов.
Так что гиперзвуковые скорости покорились человечеству почти шестьдесят лет назад.
Гиперзвуковой двигатель
Когда в настоящее время говорят о современных гиперзвуковых аппаратах, имеют в виду летательные аппараты, оснащённые гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем.
Тут всё просто. Есть классический жидкостный ракетный двигатель, в котором топливо и окислитель « везутся с собой» в двух разных баках. Летательный аппарат может достигать гиперзвуковой скорости, но он, увы, дорогой, сложный и ОЧЕНЬ неэкономичный. На современных самолётах стоят турбореактивные двигатели. В них в качестве окислителя в процессе горения используется атмосферный воздух, за счёт чего они гораздо легче и экономичней ( по сравнению с ракетным двигателем, конечно). К сожалению, эти двигатели теряют эффективность на скоростях более М 3.
Для достижения максимальных сверхзвуковых скоростей используют прямоточный воздушно-реактивный двигатель. В нём нет турбины, и он малоэффективен на низких скоростях полёта, зато может достигать больших максимальных скоростей. Но даже с его помощью добраться до гиперзвуковой скорости нереально. Знаменитый Lockheed SR-71 имел именно такую схему: турбореактивный двигатель, способный на больших скоростях работать как прямоточный, однако и он достиг максимальной скорости лишь около 3,4 чисел Маха.
Для совершения дальних и экономичных атмосферных полётов на гиперзвуковой скорости создали гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Он также использует в качестве окислителя атмосферный воздух. При этом воздух, поступающий в воздухозаборник, тормозится до сверхзвуковой скорости, участвует в процессе сгорания топлива и выходит через сопло, создавая реактивную тягу.
Проблема гиперзвука
Всё прекрасно, кроме одного: работает такой двигатель на скоростях выше шести-восьми чисел Маха. При меньшей скорости он просто не запустится, или двигатель сдетонирует. Узнать его можно по воздухозаборнику, больше похожему на модный ручной пылесос.
В настоящее время основная проблема конструкторов — преодоление « разрыва» между максимальной скоростью прямоточного воздушно-реактивного двигателя и минимальной скоростью работы гиперзвукового.
Есть различные разработки, в том числе и установка третьего « промежуточного» двигателя, который может обеспечить нужный разгон во время « разрыва». Впрочем, пока широкой публике сообщают только об испытаниях подобных двигателей.
В 1950–60-е годы существовали проекты ядерных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, также обещавшие достижение скоростей в районе М 3 — М 4. Наиболее известен проект двигателя « Плутон» для Вот американцы, например, поставили реактор на крылатую ракету. Зачем, и что из этого вышло? Сейчас расскажем.
‘ title=>сверхзвуковой крылатой ракеты неограниченной дальности SLAM.
Противокорабельная ракета « Циркон»
До настоящего времени самой известной гиперзвуковой российской разработкой была противокорабельная ракета « Циркон». Точных данных нет, но скорее всего, она имеет гибридную силовую установку — ракетный двигатель, выводящий ракету на скорости работы гиперзвукового двигателя, — и ГПРВД ( гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель), работающий большую часть времени полёта ракеты. В пользу этой версии говорит её шахтное размещение. Предполагается использовать « Циркон» на российских боевых кораблях и подлодках нового поколения.
Что характерно, несмотря на сообщения об удачных испытаниях, российскую ракету широкой публике так и не показали. Чаще всего для её иллюстрации использовали картинку с изображением американской разработки Boeing Х-51 ( да-да, тот самый автомобильный пылесос).
Подведение итогов
Противокорабельную ракету « « Кинжал»?’ data-src=/system/images/000/090/270/teaser/8c304c6eba70db2122965262ec751912fa78c4c7.jpg?1579248442 data-lead=’Ракетный комплекс « Кинжал» реален. Однако вопросы его происхождения остаются открытыми. Прототип ракеты уже удалось установить. Но что лежит в основе носителя? У нас есть одно предположение.
‘ title=>Кинжал», созданную на базе ракеты « Искандер», бессмысленно называть гиперзвуковой. Да, во время полёта она достигает скорости более пяти чисел Маха, но при этом летит по аэробаллистической траектории. Также нет смысла говорить о гиперзвуковой скорости, описывая стратегический ракетный комплекс « Сармат». Как и большинство баллистических ракет, он развивает гиперзвуковую скорость — и это нормально.
Гиперзвуковая крылатая ракета при запуске в серию и постановке на вооружение армий мировых держав может изменить весь существующий баланс тактических и стратегических систем. То, что вы видите на иллюстрации, это, конечно, просто рисунок. Но кое-что здесь соответствует действительности и реально важно.
Принципиальные различия
Прежде всего, бросается в глаза носовая часть. Мы привыкли к тому, что все существующие ракеты – хоть межконтинентальные, хоть тактические, имеют внешний вид этакого «заточенного карандаша». А гиперзвуковая напоминает гигантскую акулу со срезанным носом.
Все дело в аэродинамике. И здесь требуются некоторые пояснения.
Вот всем нам известные ракеты. Межконтинентальные баллистические наземного (в специальных шахтах) и морского (на атомных подводных лодках) базирования. Они летают одинаково. Как брошенный вверх теннисный мячик. Сначала летят вверх, потом падают вниз. Все просто.
Но эта простота позволяет также просто вычислить и траекторию этих летательных аппаратов. И, соответственно, их сбивать. Хотя в данном случае, перефразируя известную поговорку, все дело не в умении, а в числе. Никакие существующие системы противоракетной обороны не справятся с огромными стаями баллистических ракет, которые полетят из США к нам и, соответственно, в обратном направлении в случае возникновения глобального ядерного конфликта. Да и всем остальным мало не покажется. Жизнь на Земле, быть может за исключением каких-нибудь бактерий, просто исчезнет.
Крылатые ракеты
А вот крылатые ракеты летают по-другому. Не так, как баллистические. На то они и крылатые.
А что значит слишком быстро? В 3 – 4 раза выше скорости звука. Вот именно тогда и возникла идея «акульева носа», который мы показывали вначале. Иначе по аэродинамике не получалось.
Дело закончилось тогда ничем. Началась так называемая «разрядка» вместе с «перестройкой» и дальнейшим развалом СССР. Помнится, первым требованием американцев было приостановить разработку этих советских крылатых ракет. Ну наши и приостановили.
Новые решения
Много лет с тех времен прошло. Много воды утекло. Но, как известно, все возвращается на круги своя. И вот она, старая «советская акула», первый в мире летательный аппарат с такой конфигурацией, становится самой технологичной разработкой в мире.
Едем дальше. Дальность полета гиперзвуковой ракеты – до Америки. А запуск ее может проводиться с борта стратегического бомбардировщика, находящегося на территории страны под защитой своих ПВО.
А что США? Ну и они не дремлют. Тоже что-то подобное разрабатывают. Ну, и китайцы тоже не дремлют.
Опасность гиперзвука
Гиперзвук. Это сколько?
Сначала стоит конечно определиться, гиперзвук – это сколько? Принято считать, что гиперзвуковая скорость, это скорость выше 5 М, то есть больше пяти чисел Маха, а если совсем просто, то это скорость в пять раз превышающая скорость звука.
Вам интересно сколько это в километрах в час? От 5380 км/ч до 6120 км/ч, в зависимости от параметров среды (для самолета — воздуха), то есть от плотности воздуха, которая разная на разных высотах полета. Так что, для простоты восприятия, все таки лучше пользоваться числами Маха. Если скорость воздушного судна превысила значение 5 М — это гиперзвуковая скорость.
Собственно почему именно 5 М? Значение 5 было выбрано потому, что при такой скорости начинают наблюдаться ионизация потока газа и другие физические изменения, что конечно влияет на его свойства.
Эти изменения особенно заметны для двигателя, обычные ТРД (турбореактивные двигатели) просто не могут работать на такой скорости, нужен принципиально иной двигатель, ракетный или прямоточный (хотя на самом деле он и не такой уж другой, просто в нем отсутствует компрессор и турбина, а свою функцию он выполняет так же: сжимает воздух на входе, смешивает его с топливом, сжигает в камере сгорания, и получает реактивную струю на выходе).
Фактически, прямоточный двигатель, это труба с камерой сгорания, очень просто и эффективно на большой скорости. Вот только у такого двигателя есть огромный недостаток, ему для работы нужна определенная начальная скорость (своего компрессора то нет, нечем сжимать воздух на малой скорости).
Важно замечание. Говорить о гиперзвуковой скорости можно только в случае достижения его в атмосфере. Если же аппарат (боевой блок межконтинентальной ракеты, сама ракета или спутник) двигаются вне атмосферы (в космосе, где сопротивление ничтожно мало), ни о какой гипер-скорости речи нет.
Например, межконтинентальная ракета, развивает скорость около 7 км/сек вне атмосферы, это примерно 25 200 километров в час! Но это не гиперзвук, это не в атмосфере.
История скорости
В 50-е годы шла борьба за достижения скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли, как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты летать еще быстрее.
В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все таки, это был гиперзвуковой полет. Причем, летали X-15 с 1962 по 1968 годы, а 7 полетов на X-15 совершил тот самый Нил Армстронг.
Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету просто не будет.
В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3,331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 — 3,529,6 км/ч. Это «всего лишь» 3,2–3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов — специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).
Советский Миг-25Р теоретически мог достичь скорости в 3,2 М, но эксплуатационная скорость ограничивалась значением 2,83 М.
В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и «Спираль» соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.
Космический самолет Спираль
Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на «малых» высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.
Американский космический самолет X-20
Гиперзвук в настоящее время
За всеми перспективными исследованиями, как обычно стоят военные. В случае с гиперзвуковыми скоростями, это тоже имеет место. Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоков. Теперь уже речь идет о «настоящем» гиперзвуке, полетах в атмосфере. Обратите внимание, работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты.
Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.
В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем
Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.
X-43 на фото выглядит маленьким черным треугольником прикрепленным к разгонной ракете
В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости — 5,1 М на высоте 21 000 метров.
X-51A Waverider гиперзвуковая крылатая ракета
Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).
ГЛЛ-31 проекта «Холод»
Интересный проект летательного аппарата для полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере, американский Falcon HTV-2, считается провальным. Предположительно, Falcon смог разогнаться до огромной для атмосферы скорости — 23 М. Но только предположительно, так как все экспериментальные аппараты просто напросто сгорели.
Рекордный Falcon HTV-2 выглядит очень просто
Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект не сделавший пока ни единого испытательного полета.
Далекое будущее гиперзвука
Существуют и гражданские проекты гиперзвуковых самолетов для перевозки пассажиров. Это европейские SpaceLiner с одним типом двигателя и ZEHST который должен использовать целых 3 типа двигателя на разных режимах полета. Также над своими проектами работают и другие страны.
Такие лайнеры предположительно смогут доставить пассажиров из Лондона в Нью-Йорк всего лишь за час. Полетать на таких самолетах мы сможем не раньше 40-х, 50-х годов 21 века. А пока гиперзвуковые скорости остаются уделом военных, либо космических аппаратов.
Гиперзвук
Полезное
Смотреть что такое «Гиперзвук» в других словарях:
гиперзвук — гиперзвук … Орфографический словарь-справочник
ГИПЕРЗВУК — высокочастотная часть спектра упругих волн от 109 до 1012 1013 Гц. По физ. природе Г. ничем не отличается от ультразвука, частоты к рого простираются от 2•104 до 109 Гц. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, меньшим, чем в… … Физическая энциклопедия
гиперзвук — сущ., кол во синонимов: 1 • звук (90) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
Гиперзвук — звуковые волны сверхвысокой частоты (109 1013 Гц). См. также Излучение, Инфразвук, Ультразвук … Российская энциклопедия по охране труда
гиперзвук — а; м. Физ. Звуковые колебания сверхвысокой частоты. ◁ Гиперзвуковой, ая, ое. Г ые волны. * * * гиперзвук упругие волны с частотами f порядка 109 1013 Гц. По физической природе гиперзвук не отличается от ультразвука (f ≈ 2·104 109 Гц). Тепловые… … Энциклопедический словарь
Гиперзвук — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия
гиперзвук — hipergarsas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Akustinės bangos, kurių dažnis didesnis kaip 1 GHz. atitikmenys: angl. hypersound vok. Hyperschall, m rus. гиперзвук, m pranc. hyperson, m … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
гиперзвук — hipergarsas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. hypersound vok. Hyperschall, m rus. гиперзвук, m pranc. hyperson, m … Fizikos terminų žodynas
Гиперзвук — м. Звуковые колебания сверхвысокой частоты. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой