Как формируются ударные волны и баффет
- При движении тела в воздухе со скоростью, превышающей местную скорость звука, возмущения от точки на фюзеляже не успевают распространяться вперёд, поэтому они сжимаются в чрезвычайно узкую область — ударную волну. Для равномерно движущегося точечного источника образуется конус Маха с углом $\mu$, где
$\sin \mu =\frac{1}{M}$,
$M$ — число Маха самолёта. Вдоль этого конуса происходит резкое скачкообразное изменение давления, плотности и скорости газа.
- На крыле и фюзеляже ударные волны бывают наклонными (обlique) и нормальными. Наклонная волна возникает при плавном отклонении потока, нормальная — при сильном торможении потока до дозвукового состояния. Для нормального удара давление за волной может быть оценено формулой (для идеального газа с показателем адиабаты $\gamma$):
$\frac{p_2}{p_1}=1+\frac{2\gamma }{\gamma +1}(M_1^2-1)$,
где $M_1$ — число Маха перед ударом, $p_1$ и $p_2$ — давления до и после волны.
- Баффет (aeroelastic buffet) — это не сама ударная волна, а неустойчивые, вре́менно колеблющиеся нагрузки, возникающие когда ударная волна на крыле перемещается или вызывает отделение пограничного слоя. При переходе через критические числа Маха волна «скачет» по профилю, меняет распределение давления и вызывает периодические толчки и вибрации поверхности самолёта.
Последствия распространения ударных волн для конструкции и людей на земле
- На самолёте:
- Локальные скачки давления и перепады температуры увеличивают аэродинамические нагрузки; повторяющиеся скачки вызывают усталостное разрушение, повышенную вибрацию элементов, возможные локальные деформации.
- Баффет приводит к резкому увеличению структурных вибраций, может вывести рулевые поверхности из контроля, вызвать перегрузки конструкции и потребовать ограничения скоростей (design buffet margins).
- Дополнительный профильный лобовой нагрев и рост сопротивления (wave drag).
- На земле (эффект «sonic boom»):
- Ударная волна при выходе к поверхности даёт короткий всплеск давления (пик-оверпрессия) с характерной N‑образной формой во времени: передняя компрессия — спад — задняя компрессия. Звуковое ощущение — резкий хлопок.
- Интенсивность на земле зависит от высоты полёта, чисел Маха, массо‑геометрии самолёта и метеоусловий; волна ослабевает с удалением, но может усиливаться при отражении от земли или фокусировке (сложный рельеф, температурные инверсии).
- Последствия: от кратковременного испуга и шума до вибраций окон и предметов. При умеренных уровнях возможны громкий шум и потряхивание окон/дверей; при очень больших уровнях — разбитие стекол и повреждение лёгких конструкций. Травмы людей редки и обычно связаны с летающими осколками или падением предметов, а не прямым воздействием давления.
- Социальный эффект: нарушения сна, снижение качества жизни, экономические убытки — поэтому над густонаселенными территориями гражданский сверхзвуковой полёт часто запрещён.
Краткие правила оценки риска
- Сила эффекта растёт с увеличением числа Маха и уменьшением высоты полёта; профиль и размеры самолёта определяют форму давления и суммарную энергию волны.
- Для расчёта локальных скачков и проектирования конструкции используют уравнения Ранкина‑Хугонио (ранговые условия через числа Маха) и нестационарные аэродинамические/структурные модели для оценки баффета и усталости.
Вывод: ударные волны образуются потому, что возмущения не успевают распространяться вперёд при $M>1$; в конструкции они вызывают локальные скачки давления и вибрации (усиляющие усталость и требующие предохранительных ограничений), а на земле — звуковой «хлоп», вибрации и при сильных волнах — риск повреждений и общественное беспокойство.