Millest me mõtleme, kui kuuleme väljendit "helibarjäär"? Teatud piir ja barjäär, mille ületamine võib kuulmist ja enesetunnet tõsiselt mõjutada. Tavaliselt seostatakse helibarjääri õhuruumi vallutamise ja piloodi elukutsega.
Selle barjääri ületamine võib provotseerida krooniliste haiguste, valusündroomide ja allergiliste reaktsioonide teket. Kas need arusaamad on õiged või on need stereotüübid? Kas neil on faktiline alus? Mis on helibarjäär? Kuidas ja miks see tekib? Seda kõike ja mõningaid täiendavaid nüansse, aga ka selle kontseptsiooniga seotud ajaloolisi fakte, püüame selles artiklis välja selgitada.
See salapärane teadus on aerodünaamika
Aerodünaamikateaduses, mille eesmärk on selgitada
lennuki liikumisega kaasnevaid nähtusi, on olemas mõiste "helibarjäär". See on ridanähtused, mis ilmnevad helikiirusele lähedase või suurema kiirusega ülehelikiirusega õhusõidukite või rakettide liikumise ajal.
Mis on lööklaine?
Ülehelikiiruse voolu ajal seadme ümber tekib tuuletunnelis lööklaine. Selle jälgi on näha isegi palja silmaga. Maapinnal on need tähistatud kollase joonega. Väljaspool lööklaine koonust, kollase joone ees, maapinnal pole lennukit isegi kuulda. Heli ületava kiirusega allutatakse kehadele helivoo ümber vool, millega kaasneb lööklaine. Neid võib olla rohkem kui üks, olenev alt keha kujust.
Lööklaine teisendus
Lööklaine esiosa, mida mõnikord nimetatakse lööklaineks, on üsna väikese paksusega, mis võimaldab siiski jälgida voolu omaduste järske muutusi, selle kiiruse vähenemist võrreldes keha ja sellele vastav gaasi rõhu ja temperatuuri tõus voolus. Sel juhul muundatakse kineetiline energia osaliselt gaasi siseenergiaks. Nende muutuste arv sõltub otseselt ülehelikiiruse voolu kiirusest. Kui lööklaine liigub aparaadist eemale, siis rõhulangused vähenevad ja lööklaine muudetakse heliks. Ta võib jõuda välisvaatlejani, kes kuuleb iseloomulikku plahvatust meenutavat heli. Arvatakse, et see näitab, et seade on saavutanud helikiiruse, kui helibarjäär on lennukist maha jäänud.
Mis tegelikult toimub?
Nn hetkhelibarjääri ületamine praktikas on lööklaine läbimine koos lennukimootorite kasvava mürinaga. Nüüd on seade kaasasolevast helist ees, nii et pärast seda kostab mootori sumin. Lennuki kiiruse lähenemine helikiirusele sai võimalikuks Teise maailmasõja ajal, kuid samal ajal märkasid piloodid õhusõidukite käitamisel häiresignaale.
Pärast sõja lõppu püüdsid paljud lennukikonstruktorid ja piloodid saavutada helikiirust ja murda helibarjääri, kuid paljud neist katsetest lõppesid traagiliselt. Pessimistlikud teadlased väitsid, et seda piiri ei saa ületada. Mitte mingil juhul eksperimentaalselt, vaid teaduslikult oli võimalik selgitada "helibarjääri" mõiste olemust ja leida viise selle ületamiseks.
Tuletatud soovitused ohutuks lendamiseks
Ohutud lennud transoonilise ja ülehelikiirusega on võimalikud, kui vältida lainekriisi, mille tekkimine sõltub lennuki aerodünaamilistest parameetritest ja lennu kõrgusest. Üleminekud ühelt kiirustasemelt teisele tuleks võimalikult kiiresti läbi viia järelpõleti abil, mis aitab vältida pikka lendu lainekriisi tsoonis. Lainekriis kui mõiste tuli veetranspordist. See tekkis laevade liikumise ajal veepinnal lainete kiirusele lähedase kiirusega. Lainekriisi sattumisega kaasneb kiiruse suurendamise raskus ja kui lainekriisist on võimalikult lihtne üle saada, siis on võimalik jõudahööveldamis- või libisemisrežiim veepinnal.
Lennukijuhtimise ajalugu
Esimene inimene, kes saavutas katselennukiga ülehelikiiruse, on Ameerika piloot Chuck Yeager. Tema saavutus märgitakse ajalukku 14. oktoobril 1947. aastal. NSV Liidu territooriumil ületasid helibarjääri 26. detsembril 1948 Sokolovski ja Fedorov, kes lendasid kogenud hävitajaga.
Tsiviillennukitest murdis helibarjääri esimesena reisilaev Douglas DC-8, mis saavutas 21. augustil 1961 kiiruseks 1,012 Machi ehk 1262 km/h. Missioon oli koguda andmeid tiivakujunduse jaoks. Lennukite seas püstitas maailmarekordi ülihelikiirusega õhk-maa aeroballistiline rakett, mis on Vene armee teenistuses. 31,2 kilomeetri kõrgusel saavutas rakett kiiruse 6389 km/h.
50 aastat pärast õhus helibarjääri purustamist saavutas inglane Andy Green samasuguse saavutuse autos. Vabalangemises üritas rekordit purustada ameeriklane Joe Kittinger, kes alistas 31,5 kilomeetri kõrguse. Täna, 14. oktoobril 2012 püstitas Felix Baumgartner vabalangemises ilma sõiduki abita 39 kilomeetri kõrguselt helibarjääri purustades maailmarekordi. Samal ajal ulatus selle kiirus 1342,8 kilomeetrini tunnis.
Kõige ebatavalisem helibarjääri purunemine
Imelik mõelda, aga maailma esimene leiutis,selle piiri ületamiseks oli tavaline piits, mille leiutasid iidsed hiinlased peaaegu 7 tuhat aastat tagasi. Peaaegu kuni kiirfotograafia leiutamiseni 1927. aastal ei kahtlustanud keegi, et piitsa mõranemine on miniatuurne helibuum. Terav kiik moodustab silmuse ja kiirus suureneb järsult, mis kinnitab klõpsatust. Helibarjäär ületatakse kiirusel umbes 1200 km/h.
Kõige mürarikkama linna mõistatus
Pole ime, et väikelinnade elanikud on esimest korda pealinna nähes šokeeritud. Transpordi rohkus, sajad restoranid ja meelelahutuskeskused ajavad segadusse ja tekitavad rahutust. Tavaliselt dateeritakse pealinna kevade algust aprilli, mitte mässumeelse lumetormi märtsiga. Aprillis on taevas selge, ojad jooksevad ja pungad avanevad. Pikast talvest väsinud inimesed avavad aknad pärani päikese poole ja tänavamüra tungib majadesse. Linnud siristavad tänaval kõrvulukustav alt, artistid laulavad, rõõmsameelsed õpilased loevad luuletusi, ummikutes ja metroos valitsevast mürast rääkimata. Hügieeniosakondade töötajad märgivad, et mürarikkas linnas pik alt viibida on ebatervislik. Pealinna helitausta moodustavad transpordi-, õhu-, tööstus- ja olmemüra. Kõige kahjulikum on just automüra, kuna lennukid lendavad piisav alt kõrgel ja ettevõtete müra lahustub nende hoonetes. Pidev autode sumin eriti tiheda liiklusega maanteedel ületab kõik lubatud normid kaks korda. Kuidas pealinnas helibarjääri ületatakse? Moskva on helide rohkuse tõttu ohtlik, seetõttu paigaldavad pealinna elanikud müra summutamiseks topeltklaasid.
Kuidas helibarjääri rikutakse?
Kuni 1947. aastani puudusid tegelikud andmed helist kiiremini lendava lennuki kokpitis viibiva inimese heaolu kohta. Nagu selgus, nõuab helibarjääri purustamine teatud jõudu ja julgust. Lennu ajal saab selgeks, et ellujäämise garantiid pole. Ka elukutseline piloot ei oska kindl alt öelda, kas lennuki konstruktsioon peab vastu elementide rünnakule. Mõne minutiga võib lennuk lihts alt laiali kukkuda. Mis seda seletab? Tuleb märkida, et alahelikiirusel liikumine tekitab akustilisi laineid, mis langevad kivilt ringidena laiali. Ülehelikiirus ergastab lööklaineid ja maas seisev inimene kuuleb plahvatuse sarnast heli. Ilma võimsate arvutiteta oli keeruline lahendada keerulisi diferentsiaalvõrrandeid ning tuuletunnelites tuli loota puhumismudelitele. Mõnikord jõuab õhusõiduki ebapiisava kiirenduse korral lööklaine nii tugevaks, et majadest, mille kohal lennuk lendab, lendavad aknad välja. Kõik ei saa helibarjääri ületada, kuna praegu väriseb kogu konstruktsioon, seadme kinnitused võivad oluliselt kahjustada saada. Seetõttu on pilootide jaoks nii oluline hea tervis ja emotsionaalne stabiilsus. Kui lend on sujuv ja helibarjäär võimalikult kiiresti ületatud, ei tunne piloot ega võimalikud reisijad eriti ebameeldivaid aistinguid. Spetsiaalselt helibarjääri vallutamiseks ehitati 1946. aasta jaanuaris uurimislennuk. Masina loomine olialgatatud kaitseministeeriumi korraldusel, kuid relvade asemel topiti sinna sisse teadusaparatuur, mis jälgis mehhanismide ja seadmete tööd. See lennuk oli nagu kaasaegne tiibrakett, millel oli sisseehitatud rakettmootor. Lennuk lõhkus helibarjääri maksimaalse kiirusega 2736 km/h.
Sõnalised ja materiaalsed monumendid helikiiruse vallutamisele
Saavutused helibarjääri purustamisel on tänapäeval kõrgelt hinnatud. Niisiis on lennuk, millega Chuck Yeager sellest esimest korda üle sai, nüüd väljas Washingtonis asuvas riiklikus õhu- ja kosmosemuuseumis. Kuid selle inimliku leiutise tehnilised parameetrid oleksid ilma piloodi enda eelisteta vähe väärt. Chuck Yeager läbis lennukooli ja võitles Euroopas, pärast mida naasis Inglismaale. Ebaõiglane lendamise keelamine ei murdnud Yeageri vaimu ja ta sai kohtumise Euroopa vägede ülemjuhataja juurde. Sõja lõpuni jäänud aastate jooksul osales Yeager 64 lennul, mille käigus tulistas alla 13 lennukit. Chuck Yeager naasis kodumaale kapteni auastmega. Tema omadused viitavad fenomenaalsele intuitsioonile, uskumatule meelekindlusele ja vastupidavusele kriitilistes olukordades. Rohkem kui korra püstitas Yeager oma lennukis rekordeid. Tema hilisem karjäär oli õhuväes, kus ta koolitas piloote. Viimati murdis Chuck Yeager helibarjääri 74-aastaselt, mis oli tema lennuajaloo viiekümnendal aastapäeval ja 1997. aastal.
Lennukiloojate keerulised ülesandedseadmed
Maailmakuulsat lennukit MiG-15 hakati looma hetkel, mil arendajad mõistsid, et ainult helibarjääri lõhkumisele tugineda pole võimalik, vaid keerulised tehnilised probleemid tuleks lahendada. Selle tulemusel loodi masin nii edukaks, et selle modifikatsioonid võtsid kasutusele erinevad riigid. Mitmed erinevad disainibürood astusid omamoodi konkurentsivõitlusse, mille auhinnaks oli patent edukaima ja funktsionaalsema lennuki eest. Välja töötatud pühitud tiibadega lennukid, mis oli nende disainis revolutsioon. Ideaalne seade peaks olema võimas, kiire ja uskumatult vastupidav välistele kahjustustele. Lennuki pühitud tiibadest sai element, mis aitas neil helikiirust kolmekordistada. Edasi kasvas jätkuv alt lennuki kiirus, mis oli seletatav mootori võimsuse kasvu, uuenduslike materjalide kasutamise ja aerodünaamiliste parameetrite optimeerimisega. Helibarjääri murdmine on muutunud võimalikuks ja reaalseks ka mitteprofessionaalide jaoks, kuid see ei muutu seetõttu vähem ohtlikuks, nii et iga ekstreemsuse otsija peaks enne sellise katse kasuks otsustamist oma tugevaid külgi mõistlikult hindama.
