Fizik Kejatuhan Percuma Supersonik dan Bangsa untuk Membina Concorde Tenang

Jika anda ingin membina roket dengan reka bentuk baru yang berani, anda harus mempunyai cara untuk menguji integriti strukturnya tanpa memasang enjin. Anda tidak mempunyai terowong angin, tetapi anda tidak bersedia mengalah. Anda berfikir untuk diri sendiri, "Apakah penerbangan tanpa pendorong?" Kemudian anda menjawab soalan anda sendiri: "Jatuh." Secara mudah, cara paling mudah untuk terbang tanpa melancarkan adalah menjatuhkan. Ambil prototaip sangat tinggi, jatuhkannya, dan anda akan mendapat rasa prestasinya pada kelajuan.

Pengamal utama dunia seni penurunan ketepatan ialah Agensi Eksplorasi Aeroangkasa Jepun, atau JAXA, yang pada dasarnya adalah versi NASA versi Jepun. Agensi ini cuba membina pesawat supersonik praktikal, yang tidak mudah. Usaha yang sama pada produk-produk biasa yang dibuat pada masa lalu, yang paling terkenal adalah Concorde.

The Concorde telah menghadapi masalah yang menghalang pesawat lain daripada mengamalkan reka bentuk yang sama untuk kerajinan mereka sendiri. Salah satu masalah terbesar adalah bunyi yang berlebihan. Istilah "boom sonik" bukanlah salah faham - memecahkan halangan bunyi adalah fenomena yang sangat keras. Para pengilang terpaksa merancang pesawat untuk menahan penumpang kepala dari meletup, dan pesawat tidak dapat terbang pesawat di atas tanah kerana tidak ada manusia di tanah yang ingin tertakluk kepada bunyi yang merosakkan itu. Matlamat JAXA adalah untuk mewujudkan kapal penumpang supersonik yang lebih senyap. Dan ujiannya melalui ujian drop dengan model eksperimen di Sweden.

Bagaimana cara kerja itu? Pada asasnya, belon mengangkat pesawat model tanpa pemandu - Model Konsep Silent SuperSonic JAXA kira-kira 18.6 batu di udara, dan hanya menjatuhkannya. Sensor yang dipasang pada pesawat mengukur gelombang kejutan sebagai pesawat mendekati kelajuan sehingga Mach 1.39 dalam kejatuhan percuma.

Fizik kejatuhan bebas supersonik tidak semua berbeza daripada bagaimana objek bergerak lebih cepat daripada bunyi pada pesawat mendatar beroperasi. Udara menjadi kuat dimampatkan di hadapan pesawat, yang membanjiri gelombang tekanan tinggi ke semua arah. Shockwave ini mula menyebarkan melalui udara tetapi semakin lemah kerana ia bergerak lebih jauh, menjadi gelombang bunyi dalam proses. Inilah letupan keras yang kita dengar dan panggil ledakan sonik.

Untuk memahami apa yang istimewa tentang kejatuhan bebas supersonik, kita harus melihat dengan lebih dekat apa yang nombor Mach tepat merujuk kepada: nisbah antara kelajuan objek dengan kelajuan bunyi di tempat tertentu. Dan kelajuan bunyi tertakluk kepada perubahan suhu dan tekanan - pada ketinggian yang lebih tinggi, kelajuan bunyi berkurangan, jadi objek tidak perlu bergerak dengan semestinya kelajuan yang sama untuk mencapai Mach 1 selusin batu di udara kerana ia tidak pada paras laut. (Kelajuan bunyi di paras laut adalah kira-kira 760 batu sejam).

Selain itu, Mach 1 adalah persekitaran yang sangat tidak stabil kerana gelombang kejutan yang dibuat dengan memecahkan halangan bunyi. Walaupun pergerakan kecil boleh mempunyai kesan fizikal yang sangat kuat pada objek. Tempat yang paling buruk adalah pada dasarnya antara Mach 0.9 dan 1.2.

Oleh itu, apabila objek bergerak pada kelajuan supersonik dalam kejatuhan bebas, ia berada dalam kedudukan yang luar biasa yang mempercepatkan lebih cepat sementara nombor Machnya meningkat pada kadar yang lebih perlahan. Lebih banyak masa dibelanjakan dalam zon Mach yang tidak stabil daripada jika ia bergerak pada pesawat mendatar. Kebanyakan pesawat dirancang untuk bergerak Mach 1 lalu dan memasuki zon selamat secepat mungkin. Anda tidak boleh menguji sesuatu seperti itu dalam percubaan jatuh bebas.

Kelajuan juga teratas kerana seret. Inilah yang terjadi dalam kemungkinan objek paling terkenal dari objek yang bergerak lebih cepat daripada bunyi dengan graviti: Lompatan Felix Baumgartner pada tahun 2012 dari kira-kira 23 batu di udara, untuk menjadi penyelam langit pertama untuk memecahkan halangan bunyi tanpa menggunakan daripada pesawat. Apabila Baumgartner jatuh ke Bumi, dia akhirnya berhenti mempercepatkan kerana perlanggaran dengan molekul udara, mewujudkan daya drag 'yang dibina sebagai rintangan udara sehingga ia menjadi sama dan bertentangan dengan daya graviti. Pada ketika ini, Baumgartner telah mencapai kelajuan maksimum.

Sebenarnya, walaupun kebanyakan objek yang mencapai halaju terminal hanya akan kekal pada kelajuan yang berterusan, Baumgartner sebenarnya mula perlahan, kerana suasana sekitar akan semakin tebal dan lebih tebal apabila objek jatuh dalam keadaan jatuh bebas. Jadi halaju terminal mula berkurangan - yang bermaksud Baumgartner mula perlahan juga. Perkara yang sama mungkin akan berlaku pada salah satu pesawat Model Konsep Silent SuperSonic JAXA sedang menguji.

Sains, seperti kebanyakan perkara lain dalam kehidupan, adalah lebih sejuk apabila lebih cepat.