ฟิสิกส์ของการตกฟรีเหนือเสียงและการแข่งขันเพื่อสร้าง Concorde ที่เงียบสงบ

ถ้าคุณต้องการสร้างจรวดด้วยการออกแบบใหม่ที่เป็นตัวหนาคุณต้องมีวิธีทดสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างโดยไม่ต้องติดตั้งเครื่องยนต์ คุณไม่มีอุโมงค์ลม แต่คุณยังไม่พร้อมที่จะยอมรับ คุณคิดกับตัวเองว่า "อะไรคือการบินโดยไม่มีการขับเคลื่อน?" จากนั้นคุณตอบคำถามของคุณเอง: "ตกลงมา" กล่าวง่ายๆคือวิธีที่ง่ายที่สุดในการบินโดยไม่ต้องเปิดตัวคือการดิ่งลง นำต้นแบบขึ้นสูงมากวางมันลงแล้วคุณจะรู้สึกถึงประสิทธิภาพของมันที่ความเร็ว

ผู้ปฏิบัติงานศิลปะที่มีความแม่นยำระดับแนวหน้าของโลกคือ Japan Aerospace Exploration Agency หรือ JAXA ซึ่งเป็นรุ่นนาซ่าของญี่ปุ่น หน่วยงานพยายามสร้างเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงเชิงปฏิบัติซึ่งไม่ใช่เรื่องง่าย ความพยายามที่คล้ายกันในอดีตสร้างผลิตภัณฑ์ปานกลางซึ่งมีชื่อเสียงมากที่สุดคือคองคอร์ด

เครื่องบินคองคอร์ดประสบปัญหาที่ทำให้สายการบินอื่นไม่สามารถใช้การออกแบบแบบเดียวกันกับยานของตนเองได้ หนึ่งในปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือเสียงรบกวนมากเกินไป คำว่า "โซนิคบูม" ไม่ใช่การเรียกชื่อผิด - การทำลายกำแพงเสียงเป็นปรากฏการณ์ที่ดังมาก ผู้ผลิตต้องออกแบบเครื่องบินเพื่อป้องกันไม่ให้ผู้โดยสารหัวเครื่องบินระเบิดและสายการบินไม่สามารถบินเครื่องบินข้ามพื้นดินได้เนื่องจากไม่มีมนุษย์อยู่บนพื้นดินที่ต้องการได้รับเสียงที่ดังทำลายล้าง เป้าหมายของ JAXA คือการสร้างเครื่องบินโดยสารความเร็วเหนือเสียงที่เงียบกว่า และการทดสอบมันผ่านการทดสอบการตกด้วยแบบจำลองการทดลองในสวีเดน

นรกทำงานอย่างไร โดยพื้นฐานแล้วบอลลูนจะยกเครื่องบินแบบไม่มีคนขับ - แบบจำลองแนวคิด SuperSonic ของ JAXA ประมาณ 18.6 ไมล์ขึ้นไปในอากาศ เซ็นเซอร์ที่ติดอยู่กับระนาบจะทำการวัดคลื่นกระแทกในขณะที่ระนาบใกล้ความเร็วสูงถึง Mach 1.39 ในฤดูใบไม้ร่วงอิสระ

ฟิสิกส์ของการตกฟรีที่ความเร็วเหนือเสียงนั้นไม่ได้แตกต่างไปจากที่วัตถุเคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงบนระนาบแนวนอน อากาศจะถูกบีบอัดอย่างมีประสิทธิภาพที่ด้านหน้าของเครื่องบินซึ่งทำให้เกิดคลื่นความดันสูงในทุกทิศทาง คลื่นกระแทกนี้เริ่มแพร่กระจายผ่านอากาศ แต่จะอ่อนตัวลงเมื่อมันเคลื่อนตัวไกลออกไปกลายเป็นคลื่นเสียงในกระบวนการ นี่คือการระเบิดที่ดังที่เราได้ยินและเรียกว่าบูมโซนิค

เพื่อทำความเข้าใจสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับการลดลงของความเร็วเหนือเสียงเราควรตรวจสอบอย่างละเอียดว่าตัวเลขมัคหมายถึงอะไร: อัตราส่วนระหว่างความเร็วของวัตถุกับความเร็วของเสียงในสถานที่เฉพาะ และความเร็วของเสียงขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดัน - ที่ระดับความสูงที่สูงขึ้นความเร็วของเสียงจะลดลงดังนั้นวัตถุไม่จำเป็นต้องเดินทางด้วยความเร็วเท่ากันเพื่อไปที่มัค 1 ห่างจากอากาศราวสิบไมล์ ทำที่ระดับน้ำทะเล (ความเร็วของเสียงในระดับน้ำทะเลอยู่ที่ประมาณ 760 ไมล์ต่อชั่วโมง)

นอกจากนี้ Mach 1 ยังมีสภาพแวดล้อมที่ไม่เสถียรอย่างมากเนื่องจากคลื่นกระแทกที่เกิดจากการทำลายกำแพงเสียง แม้แต่การเคลื่อนไหวเล็ก ๆ ก็สามารถมีผลกระทบทางกายภาพที่รุนแรงกับวัตถุนั้นได้ สถานที่ที่เลวร้ายที่สุดคือโดยทั่วไประหว่างมัค 0.9 และ 1.2

ดังนั้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือเสียงเมื่อตกอย่างอิสระวัตถุนั้นอยู่ในตำแหน่งที่ผิดปกติของการเร่งเร็วขึ้นในขณะที่หมายเลขมัคเพิ่มขึ้นในอัตราที่ช้าลง ใช้เวลามากขึ้นในโซน Mach ที่ไม่เสถียรมากกว่าถ้ามันเคลื่อนที่บนระนาบแนวนอน เครื่องบินส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้เคลื่อนที่ผ่าน Mach 1 และเข้าสู่เขตปลอดภัยโดยเร็วที่สุด คุณไม่สามารถทดสอบบางอย่างเช่นนั้นในการทดสอบการตกฟรี

ความเร็วยังเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลาก นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในตัวอย่างที่โด่งดังที่สุดของวัตถุที่เคลื่อนที่เร็วกว่าเสียงโดยแรงโน้มถ่วง: การกระโดดของเฟลิกซ์บาวม์การ์ตเนอร์ในปี 2012 จาก 23 ไมล์ขึ้นไปในอากาศเพื่อเป็นนักดำน้ำบนท้องฟ้าคนแรก ของเครื่องบิน เมื่อ Baumgartner ล้มลงสู่พื้นดินในที่สุดเขาก็หยุดเร่งเนื่องจากการชนกับโมเลกุลของอากาศสร้าง 'แรงลาก' ที่สร้างขึ้นเป็นความต้านทานอากาศจนกว่ามันจะเท่ากันและตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วง เมื่อมาถึงจุดนี้ Baumgartner ถึงความเร็วสูงสุด

ในความเป็นจริงในขณะที่วัตถุส่วนใหญ่ที่มาถึงความเร็วเทอร์มินัลจะอยู่ที่ความเร็วคงที่ แต่ Baumgartner ก็เริ่มชะลอตัวลงเนื่องจากบรรยากาศโดยรอบเริ่มหนาขึ้นและหนาขึ้นเมื่อวัตถุในฤดูใบไม้ร่วงเคลื่อนที่อิสระ ดังนั้นความเร็วเทอร์มินัลจะเริ่มลดลง - หมายถึง Baumgartner เริ่มชะลอตัวเช่นกัน สิ่งเดียวกันนี้น่าจะเกิดขึ้นกับหนึ่งในเครื่องบินจำลองแนวคิด SuperSonic ที่ JAXA กำลังทำการทดสอบ

วิทยาศาสตร์ก็เหมือนกับสิ่งอื่น ๆ ส่วนใหญ่ในชีวิตที่เย็นกว่าเมื่อเร็วกว่า