파이터들이 음속 장벽을 허물다! 아무것도 들리지 않나요?

분류: 사회/문화>>군사

문제 설명:

전투기가 음속의 장벽을 허물자 세상이 조용해졌다는 보도를 본 적이 있습니다. . 알았어요! 그 침묵은 조종사가 어떤 소리도 들을 수 없는 경우, 또는 지상에 있는 사람들이 비행기만 보고 비행기 엔진 소리를 들을 수 없는 경우를 의미합니다! 자세히 답변해주세요! 감사해요!

분석:

음속 장벽에 대해 이야기해야 합니다.

제2차 세계 대전 말기에는 전투기의 최대 속도가 시속 700km를 넘었습니다. 속도를 더욱 높이려면 소위 "음속 장벽" 문제에 직면하게 됩니다.

공기 중에 전파되는 소리의 속도는 공기 온도의 영향을 받으며 값이 변경됩니다. 비행 고도가 다르면 고도에 따라 대기 온도가 변하므로 현지 음속도 다릅니다. 국제 표준 대기 조건에서 해수면에서의 음속은 시속 1,227.6km이고, 고도 1,000m에서는 시속 1,065.6km입니다. 시속 700km 이상의 속도를 가진 항공기의 경우, 정면 기류가 항공기 표면 위로 흐를 때 표면의 다양한 모양으로 인해 국지적 속도가 시속 700km보다 훨씬 높을 수 있습니다. 항공기가 더 빠르게 비행하면 국지적인 공기 흐름의 속도가 음속에 도달하여 국지적 충격파가 발생하여 공기 역학적 항력이 급격히 증가할 수 있습니다. 이 "음속 장벽"은 한때 고속 전투기 조종사들을 매우 혼란스럽게 만들었습니다. 그들의 비행기가 음속에 접근할 때마다 비행기 조종에 이상한 반응이 일어날 것입니다. 제대로 다루지 않으면 비행기는 파괴되고 모두가 죽을 것입니다. 제2차 세계대전 말 영국의 '스핏파이어' 전투기와 미국의 '썬더볼트' 전투기는 음속에 가까운 고속으로 비행할 때 공기의 압축 효과를 처음으로 느꼈다. 즉, 고속으로 비행하는 비행기의 앞쪽에 있습니다. 국부적인 충격파 발생으로 인해 공기가 압축되어 저항이 급격히 증가합니다. 스핏파이어가 최대 출력으로 다이빙할 때 속도는 음속의 9/10에 달합니다. 이러한 빠른 속도는 항공기가 공기의 압축 효과를 느끼기에 충분합니다. 비행 속도가 국지적인 음속에 가깝거나 이를 초과하는 정도를 더 잘 표현하기 위해 과학자들은 비행 속도를 반영하는 중요한 매개변수인 마하수를 사용했습니다. 이는 비행 속도와 국지적인 음속의 비율을 말하며, 이를 M 번호라고 합니다. M 번호는 오스트리아 물리학자 I. Mach의 이름을 따서 명명되었습니다. 마하(Mach)는 19세기 후반에 총포 발사체에 대한 초음속 실험을 수행했으며, 초음속 기류의 교란원, 즉 마하파에 의해 생성된 파면의 존재를 최초로 발견했습니다. M 숫자는 1보다 작습니다. 이는 비행 속도가 음속보다 느리다는 것을 의미합니다. 즉, M 숫자는 1과 같습니다. 이는 비행 속도가 음속과 같다는 것을 의미합니다. 가 1보다 크면 비행 속도가 음속보다 빠르다는 것을 의미하며, 이는 초음속 비행입니다.

제2차 세계대전 말기 전투용 헬리콥터는 시속 650~750km의 속도로 비행할 수 있었는데, 이는 피스톤 항공기의 제한 속도에 가까웠다. 예를 들어, 미국의 P-5lD "Mustang" 전투기는 최대 시속 765km를 기록하며 아마도 프로펠러로 추진되는 피스톤 전투기 중에서 가장 빠른 속도일 것입니다. 비행 속도를 더욱 높이려면 엔진 추력을 높여야 하는데 피스톤 엔진은 더 이상 아무 것도 할 수 없습니다. 항공 과학자들은 음속을 달성하려면 완전히 새로운 항공우주 엔진, 즉 제트 엔진을 사용해야 한다는 것을 깨달았습니다.

제2차 세계대전 말 독일은 Me-163과 Me-262 신형 전투기를 성공적으로 개발해 소련-독일 최전선에서 전투에 투입했다. 둘 다 이전에 볼 수 없었던 날개를 가진 제트 전투기였습니다. 전자는 액체연료 로켓 엔진을 탑재해 시속 933㎞의 속도를 낼 수 있고, 후자는 터보제트 엔진을 2개 탑재해 최고 속도 870㎞/h의 속도를 낼 수 있는 세계 최초의 실전 제트 전투기다. 그들의 속도는 적의 피스톤 전투기보다 훨씬 빠르지만, 부족함과 경직성으로 인해 그들의 전쟁 참여는 실제로 파시스트 독일을 패배에서 구하는 데 아무런 영향을 미치지 못했습니다.

독일 제트기의 등장은 옛 반파시즘 국가들이 자체 제트 전투기 개발에 속도를 내는 계기가 됐다. 영국의 "Meteor" 전투기는 곧 하늘로 날아올랐습니다. Mikoyan, Lavochkin, Sukhoi 및 Yakovlev와 같은 유명한 소련 항공기 설계국은 모두 독일의 새로운 전투기와 경쟁할 수 있는 항공기를 개발하기 시작했습니다.

미코얀 설계국은 피스톤 엔진과 램제트 엔진으로 구성된 복합 동력 장치를 사용하는 실험용 고속 전투기 I-250을 개발했습니다.

이 엔진은 고도 7,000m에서 총 2,800마력의 출력을 발휘해 시속 825km의 비행 속도를 가능하게 한다. 1945년 3월 3일, 시험 조종사 Jeev는 I-250의 첫 비행을 완료했습니다. 소련 전투기 중 I-250은 시속 825km의 비행 속도에 도달한 최초의 항공기였습니다. 소량으로 생산되었습니다.

수호이 설계국은 복합 발전소를 사용하는 Su-5 실험용 요격체를 개발했습니다.

1945년 4월, Su-5는 시속 800km의 속도에 도달했습니다. 또 다른 모델인 Su-7에는 피스톤 엔진 외에 액체 로켓 가속기(추력 300kg)도 장착돼 있어 단시간에 비행 속도를 높일 수 있다. Lavochkin과 Yakovlev가 설계한 전투기에도 액체 로켓 가속기가 장착되어 있었습니다. 그러나 액체 로켓 가속기를 사용하여 비행 속도를 높이는 방법은 연료와 산화제가 몇 분 동안만 사용하기에 충분하지 않으며 부식성 질산 산화제도 사용하기 매우 번거롭고 엔진 폭발 사고를 일으킬 수도 있습니다. 시험 조종사 Rastorguyev는 로켓 보조 가속기 폭발 사고로 사망했습니다. 이러한 상황에서 소련 항공 산업은 항공기의 액체 로켓 가속기 사용을 중단하고 터보 제트 엔진 개발에 모든 노력을 기울였습니다.

터보제트 엔진의 성공적인 개발은 피스톤 엔진과 프로펠러가 항공기 속도에 미치는 한계를 돌파했다. 그러나 새로운 발전소에도 불구하고 음속을 실현하는 데에는 여전히 장애물이 많다. 당시 사람들은 비행 속도가 음속의 9/10에 도달할 때, 즉 마하수 MO.9 공기 속도가 시속 약 950km일 때 나타나는 국지적 충격파가 드래그하면 빠르게 증가합니다. 속도를 더 높이려면 엔진에서 더 많은 추력이 필요합니다. 더 심각한 것은 충격파로 인해 날개와 동체 표면을 흐르는 기류가 매우 난류를 만들어 항공기가 격렬하게 흔들리고 조종이 어려워질 수 있다는 점이다. 동시에 날개가 가라앉고 항공기 기수가 떨어지게 됩니다. 이때 항공기가 상승하면 동체가 자동으로 갑자기 기울어집니다. 이러한 불쾌한 증상으로 인해 비행기가 추락할 수 있습니다.

공기 역학자와 항공기 설계자는 긴밀하게 협력합니다. 일련의 비행 테스트가 수행되었으며, 그 결과 비행 속도를 더욱 높이려면 항공기가 새로운 공기 역학적 형태를 채택해야 하는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 후퇴 날개가 얇아져야 합니다. 구소련 중앙 Zhukovsky 유체 역학 연구소의 전문가들은 후퇴익 및 후퇴익 항공기 구성에 대한 수많은 이론적 연구와 풍동 테스트를 수행했습니다. Ostoslavsky가 주도한 실험에서 항공기는 고체 로켓 가속기가 장착된 모형 소형 항공기를 높은 고도에서 떨어뜨리는 데 사용되었습니다. 모델이 항공기에서 떨어진 후 활공 및 낙하 과정에서 로켓 가속기가 점화되어 모델 항공기가 음속을 초과하게 됩니다. 전문가들은 이를 이용해 초음속 비행의 규칙성을 탐구합니다. 소련 비행연구소(Soviet Flight Research Institute)에서도 공기 압축성과 공탄성이 향상된 고속 항공기의 공기역학적 특성을 이해하기 위한 일련의 연구를 수행했습니다. 이러한 기초 연구는 초음속 항공기 탄생에 중요한 역할을 했습니다.

미국의 초음속 항공기에 대한 연구

는 주로 Bell X-1 "공기 로켓" 초음속 로켓 추진 연구 항공기에 집중되어 있습니다. X-l 개발의 원래 의도는 음속보다 약간 빠르게 비행할 수 있는 항공기를 만드는 것이었습니다. X-l 항공기의 익형은 매우 얇으며 스윕 각도가 없습니다. 액체 로켓 엔진으로 구동됩니다. 항공기에 탑재할 수 있는 로켓 연료의 양이 제한되어 있어 로켓 엔진의 작동 시간이 매우 짧기 때문에 X-1은 자체 동력으로 활주로를 이륙할 수 없습니다. B-29 "슈퍼 포트리스"에 매달린 중폭격기의 동체 아래에서 하늘로 솟아올랐습니다.

조종사는 이륙하기 전에 이미 X-l 조종석에 앉았습니다. 폭격기는 높은 고도로 날아간 후 X-l을 폭탄처럼 떨어뜨렸습니다. X-l은 폭격기를 떠난 뒤 자체 로켓 엔진을 가동해 활공하면서 가속했다. X-1의 첫 번째 공중 낙하 테스트는 1946년 1월 19일에 이루어졌습니다. 첫 번째 로켓 추진 공중 시험 비행은 X-1 프로토타입 No. 2를 사용하여 그해 12월 9일까지 수행되지 않았습니다.

X-l의 첫 번째 초음속 비행이 성공하기까지는 약 1년이 더 걸릴 것입니다. 인류 항공 역사상 이 선구적인 업적을 이룬 사람은 미 공군의 시험 조종사인 찰스 예거(Charles Yeager) 대위였습니다. 그는 1947년 10월 14일에 그것을 완성했습니다.

24세의 찰스 예거(Charles Yeager)는 세계 최초로 소리보다 빠르게 나는 사람이 되어 항공 역사에 이름을 남겼습니다. 힘든 비행이었습니다. Yeager는 X-l을 고도 12,800m에서 비행하여 M1.015에 해당하는 시속 1,078km의 비행 속도를 달성했습니다.

인류가 최초로 '음속의 장벽'을 돌파한 이후 초음속 항공기 개발의 진전은 가속화됐다. 미 공군과 해군은 속도 기록을 세우기 위해 경쟁했습니다. 1951년 8월 7일, 미 해군의 Douglas D.558-II "공기 로켓" 연구 항공기의 속도는 M1.88에 도달했습니다. 흥미롭게도 X-l 유형과 D.558-II 유형은 모두 "공기 로켓"이라고 불립니다. D.558-II는 또한 로켓 엔진으로 구동되었으며 시험 조종사 William Bridgman이 비행했습니다. 8일 후 브리지먼은 연구용 항공기를 고도 22,721미터까지 비행하여 당시 가장 빠른 비행자이자 가장 높은 비행자가 되었습니다. 그러다가 1953년에 "공기 로켓"의 비행 속도는 시속 약 2172km인 M2.0을 초과했습니다. 피의 대가를 치르는 등 일련의 연구용 항공기의 이론적 연구와 비행 실습을 통해 사람들은 마침내 초음속 비행의 법칙을 마스터했습니다. 고속비행 연구 결과는 군에서 처음 활용됐으며, 초음속 전투기 개발을 위해 각국이 경쟁을 벌였다. 1954년에는 구소련의 MiG-19와 미국의 F-100 "슈퍼 세이버"가 나왔습니다. 이들은 자체 제트 엔진에만 의존하여 수평 비행에서 음속을 초과할 수 있는 최초의 전투기였습니다. 곧 1958년 2004년에 F-104와 MiG-21이 이 기록을 M2.0으로 향상시켰습니다. 이러한 데이터는 항공기가 애프터버너를 충분히 사용하여 하늘 높이 떠 있을 때 짧은 시간 내에만 얻을 수 있지만 사람들은 여전히 ​​이 순간의 영광을 추구하는 것을 기쁘게 생각합니다. "고고도 및 고속" 복합체를 극한으로 끌어올리는 두 대의 "더블 3" 항공기, MiG-25와 SR-71이 있습니다. 이 항공기의 천장 높이는 30,000미터에 달하며 최대 속도는 놀라운 M3.0에 도달합니다. .제트엔진의 한계에 가까워지고 있습니다. 최근 실전에서 쌓은 경험으로 인해 '고고속·고고속'은 적용되지 않고, 이 열풍은 점차 식어가고 있다.

초음속 항공기의 몸체 구조는 아음속 항공기의 몸체 구조와 상당히 다릅니다. 날개는 훨씬 더 얇아야 하며, 핵심 요소는 날개 두께와 날개 현의 비율인 종횡비입니다. 아음속 피스톤 항공기의 경우 폭격기의 종횡비가 17%, 전투기의 경우 14%이지만 초음속 항공기의 경우 두께 대 코드 비율, 즉 두께가 5%를 초과하기 어렵습니다. 날개는 현의 1/20 이하이고 날개의 최대 두께는 12cm에 불과합니다. 초음속 항공기의 날개 길이(즉, 날개의 두 끝 사이의 거리)는 너무 클 수 없지만 날개 현이 증가함에 따라 더 넓고 짧아지는 경향이 있습니다. 디자이너가 생각해낸 해결책 중 하나는 앞쪽 가장자리의 스윕 각도가 더 크고 기수에서 꼬리까지 동체에 연결된 매우 긴 날개 루트를 사용하여 날개를 삼각형으로 만드는 것이었습니다(예: Mirage-2000). ). 또 다른 방법은 초음속 날개를 얇고 짧게 만들어 스위프 각도가 필요하지 않게 만드는 것입니다(예: F-104).

위 내용을 통해 항공기의 외관을 보면 기본적으로 초음속 항공기인지 아음속 항공기인지 판단할 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

항공기가 음속 정도에 도달하면 강한 저항이 생겨 항공기가 강하게 진동하고 속도가 감소합니다. 이 현상은 일반적으로 음속 장벽으로 알려져 있습니다. 항공기가 이 장벽을 돌파하자 온 세상이 조용해지고 모든 소리가 사라졌습니다! 그 하얀 것은 음속이 무너지는 순간 공기 흐름의 불균일한 교반으로 인해 생성되는 것으로 평소에는 눈에 보이지 않는 귀한 것입니다.