Fizyka naddźwiękowego swobodnego spadania i wyścig do budowy cichszego Concorde

Jeśli chcesz zbudować rakietę z odważnym nowym projektem, musisz mieć sposób na przetestowanie jej integralności strukturalnej bez instalowania silnika. Nie masz tunelu aerodynamicznego, ale nie jesteś gotowy na przyznanie się. Myślisz sobie: „Czym jest lot bez napędu?” Następnie odpowiadasz na własne pytanie: „Upadek”. Mówiąc najprościej, najłatwiejszym sposobem latania bez startu jest gwałtowny spadek. Wznieś prototyp bardzo wysoko, upuść go, a uzyskasz wyczucie jego wydajności z prędkością.

Największym na świecie praktykiem sztuki precyzyjnego upuszczania jest Japan Aerospace Exploration Agency, czyli JAXA, która jest w zasadzie japońską wersją NASA. Agencja próbuje zbudować praktyczny samolot naddźwiękowy, co nie jest łatwe. Podobne wysiłki w przeszłości tworzyły przeciętne produkty, najbardziej znane Concorde.

Concorde był nękany problemami, które uniemożliwiły innym samolotom pasażerskim przyjęcie tego samego rodzaju projektu dla ich własnych jednostek. Jednym z największych problemów był nadmierny hałas. Termin „boom dźwiękowy” nie jest mylący - zerwanie bariery dźwiękowej jest zjawiskiem szalenie głośnym. Producenci musieli zaprojektować samolot, aby pasażerowie nie eksplodowali głowami, a samoloty nie mogły latać samolotem nad lądem, ponieważ żaden człowiek na ziemi nie chce poddawać się tak niszczycielskim dźwiękom. Celem JAXA jest stworzenie cichszego naddźwiękowego samolotu pasażerskiego. I przetestowanie go poprzez testy upuszczania z eksperymentalnym modelem w Szwecji.

Jak do cholery to działa? Zasadniczo balon unosi bezzałogowy samolot - model Silent SuperSonic JAXA o długości około 18.6 mil w powietrzu i po prostu go upuszcza. Czujniki przymocowane do płaszczyzny mierzą fale uderzeniowe, gdy samolot zbliża się do prędkości do 1,39 Macha podczas swobodnego spadania.

Fizyka naddźwiękowego swobodnego spadania nie różni się tak bardzo od działania obiektu poruszającego się szybciej niż dźwięk w płaszczyźnie poziomej. Powietrze zostaje silnie skompresowane przed płaszczyzną, która zalewa falę wysokiego ciśnienia we wszystkich kierunkach. Ta fala uderzeniowa zaczyna rozprzestrzeniać się w powietrzu, ale staje się coraz słabsza w miarę oddalania się, stając się falą dźwiękową w tym procesie. To głośna eksplozja, którą słyszymy i nazywamy boomem dźwiękowym.

Aby zrozumieć, co jest wyjątkowego w naddźwiękowym swobodnym spadku, powinniśmy bliżej przyjrzeć się, co dokładnie oznaczają liczby Macha: stosunek prędkości obiektu do prędkości dźwięku w danym miejscu. A prędkość dźwięku podlega zmianom temperatury i ciśnienia - na wyższych wysokościach prędkość dźwięku maleje, więc obiekt nie musi koniecznie podróżować z taką samą prędkością, aby osiągnąć Mach 1 tuzin mil w powietrzu, ponieważ robi na poziomie morza. (Prędkość dźwięku na poziomie morza wynosi około 760 mil na godzinę).

Co więcej, Mach 1 jest bardzo niestabilnym środowiskiem z powodu fali uderzeniowej utworzonej przez zerwanie bariery dźwiękowej. Nawet małe ruchy mogą mieć bardzo silne fizyczne oddziaływanie na obiekt. Najgorsze miejsce to zasadniczo od 0,9 do 1,2 Macha.

Więc kiedy obiekt porusza się z prędkością ponaddźwiękową w swobodnym spadku, znajduje się w niezwykłej pozycji przyspieszania szybciej, podczas gdy jego liczba Macha rośnie wolniej. Więcej czasu spędza się w niestabilnej strefie Macha, niż gdyby poruszała się w płaszczyźnie poziomej. Większość samolotów została zaprojektowana tak, aby przemieścić się poza Mach 1 i jak najszybciej wejść do strefy bezpiecznej. Nie możesz przetestować czegoś takiego w eksperymencie swobodnego spadania.

Prędkość również się zwiększa z powodu oporu. To właśnie stało się w prawdopodobnie najbardziej znanym przypadku obiektu poruszającego się szybciej niż dźwięk na zasadzie grawitacji: skok Felixa Baumgartnera w 2012 roku z około 23 mil w powietrzu, aby stać się pierwszym nurkiem nieba, który przełamał barierę dźwiękową bez użycia samolotu. Kiedy Baumgartner upadł na Ziemię, w końcu przestał przyspieszać z powodu zderzenia z cząsteczkami powietrza, tworząc „siłę oporu”, która narastała jako opór powietrza, aż stała się równa i przeciwna sile grawitacji. W tym momencie Baumgartner osiągnął maksymalną prędkość.

W rzeczywistości, podczas gdy większość obiektów, które osiągają prędkość końcową, po prostu pozostawałyby ze stałą prędkością, Baumgartner faktycznie zaczął zwalniać, ponieważ otaczająca atmosfera zaczyna stawać się grubsza i gęstsza, gdy obiekt swobodnie spada. Prędkość terminalu zaczyna się zmniejszać - co oznacza, że ​​Baumgartner również zaczął zwalniać. To samo przypuszczalnie miałoby miejsce w jednym z samolotów Silent SuperSonic Concept Model JAXA.

Nauka, jak większość innych rzeczy w życiu, jest chłodniejsza, gdy jest szybsza.