Ljudbarriären: Förklaring av Mach 1, tryckvågor och ljudstötar

Förstå ljudbarriären, Mach 1, tryckvågor och ljudstötar — hur och varför de uppstår samt hur flygplan utformas för att bryta ljudvallen.

När ett föremål närmar sig ljudets hastighet (Mach 1) förändras lufttrycket drastiskt och det uppstår tryckvågor runt föremålet. Trycket byggs upp framför föremålet och sprids utåt i form av kompressionsvågor. När hastigheten når eller överskrider Mach 1 kan dessa kompressionsvågor samlas och bilda en skarp tryckförändring — en ljudstöt. Denna gräns för när denna plötsliga förändring inträffar brukar kallas för ljudbarriären. För att vissa flygplan ska kunna flyga snabbare än Mach 1 krävs särskilda utformningar av vingar, skrov och motorer.

Vad betyder Mach 1?

Machtalet är ett förhållande: objektets hastighet delat med den lokala hastigheten för ljud i luften. Hastigheten för ljud varierar med temperatur och tryck; vid 20 °C är ljudets hastighet ungefär 343 m/s, vilket motsvarar ungefär 1 235 km/h. Därför är Mach 1 inte ett fast antal i km/h utan beror på omgivningsförhållanden.

Tryckvågor, chockvågor och ljudstötar

När ett objekt rör sig i subsonisk hastighet (under Mach 1) kan tryckstörningar fortplantas framåt så att luften "varnas" innan objektet kommer fram. När objektet når transoniska och supersoniska hastigheter hinner inte dessa störningar sprida sig framför objektet, vilket leder till att vågorna samlas ihop och bildar kraftiga tryckskillnader. En chockvåg (shock wave) är en mycket snäv övergång där tryck, temperatur och densitet stiger abrupt och där luftflödet kan bli subsoniskt efter chocken.

Den hörbara följden på marken är en ljudstöt eller sonic boom, som ofta uppfattas som en kraftig smäll eller två separata smällar. Ljudstöten uppstår ur det konformat som chockvågorna bildar runt ett föremål i supersonisk fart — den så kallade Mach-konen. Konens vinkel mot flygriktningen bestäms av Mach-talet enligt enkla trigonometriska samband: sin θ = 1 / M. Exempelvis är vinkeln cirka 30° för M = 2.

Transoniskt område och kritisk Mach

Innan ett plan når Mach 1 passerar det ofta genom ett transoniskt område (ungefär Mach 0,7–1,2). I detta område bildas lokala supersoniska strömmar över vingen även om planet i stort är under Mach 1 — vilket kan ge upphov till våldsamma chockvågor på vingens yta och kraftigt ökad dragkraft (s.k. wave drag). Det finns ett begrepp som kallas kritisk Mach, den hastighet där de första lokala supersoniska områdena uppträder på flygplanskroppen eller vingen.

Hur utformas flygplan för supersonisk flygning?

• Svepta vingar och tunna profilformer minskar lokala trycktoppar och fördröjer kritisk Mach.
• Area rule (tvärsnittsregeln) minimerar motståndet genom att anpassa flygplanets tvärsnittsarea längs längden, vilket ger jämnare tryckfördelning vid transoniska hastigheter.
• Skrovet görs strömlinjeformat och ibland spetsigt (needle nose) för att minska styrkan hos chockvågorna.
• Värmehantering och starkare material krävs eftersom friktion mot luften ger uppvärmning vid höga hastigheter.

Praktiska effekter och regler

En sonic boom kan orsaka störningar och i extrema fall skada fönster eller byggnader. Av den anledningen är supersonisk flygning ofta begränsad över land i många länder, och kommersiella supersoniska linjer (t.ex. Concorde) fick därför i praktiken rutterna anpassade för att minimera boomen över tätbefolkade områden.

Sammanfattning

Ljudbarriären beskriver gränsen kring Mach 1 där luftens beteende förändras och chockvågor bildas. Effekterna inkluderar ökat tryck, plötsliga tryckförändringar (ljudstötar) och ökande aerodynamiskt motstånd i transoniska hastigheter. Genom specifik aerodynamisk design och materialval kan flygplan hanteras för säker och effektiv supersonisk flygning, men praktiska och miljömässiga begränsningar påverkar var och hur sådana hastigheter får utnyttjas.

Sök med bokstav