Numărul Mach în zborul aeronavelor

 (Credit NASA)

Pe măsură ce o aeronavă se deplasează prin aer, moleculele de aer din apropierea aeronavei sunt deranjate și se deplasează în jurul aeronavei. Dacă aeronava trece cu viteză mică, de obicei mai mică de 250 mph, densitatea aerului rămâne constantă. Dar pentru viteze mai mari, o parte din energia aeronavei se consumă pentru comprimarea aerului și schimbarea locală a densității aerului. Acest efect de compresibilitate alterează mărimea forței rezultate pe aeronavă. Efectul devine mai important cu creșterea vitezei. În apropierea și dincolo de viteza sunetului, de aproximativ 330 m/s sau 760 mph, mici perturbații în zbor sunt transmise către alte locații izentropice sau cu entropie constantă. Dar o perturbare puternică generează o undă de șoc care afectează atât portanța, cât și propulsia aeronavei.

Raportul dintre viteza aeronavei și viteza sunetului în gaz determină amploarea multor efecte de compresibilitate. Din cauza importanței acestui raport de viteză, aerodinamicii i s-a desemnat cu un parametru special numit numărul Mach în onoarea lui Ernst Mach, un fizician din secolul al XIX-lea care a studiat dinamica gazului. Numărul Mach M ne permite să definim regimurile de zbor în care variază efectele de compresibilitate.

1. Există condiții subsonice pentru numerele Mach mai mici de unu, M <1. Pentru cele mai scăzute condiții subsonice, compresibilitatea poate fi ignorată.
2. Pe măsură ce viteza obiectului se apropie de viteza sunetului, numărul de zbor Mach este aproape egal cu unul, M = 1, iar zborul se spune că este transonic. În anumite locuri ale obiectului, viteza locală depășește viteza sunetului. Efectele de compresibilitate sunt cele mai importante în zborurile transonice și conduc la credința timpurie într-o barieră sonoră. Zborul mai rapid decât sunetul era considerat imposibil. De fapt, bariera sonoră a fost doar o creștere a tracțiunii în apropierea condițiilor sonore din cauza efectelor de compresibilitate. Din cauza propulsiei mare asociată cu efectele de compresibilitate, aeronavele nu zboară în regim de croazieră în apropiere de Mach 1.
3. Situațiile supersonice apar pentru numerele Mach mai mari decât unul, 1 < M < 3. Efectele de compresibilitate sunt importante pentru aeronavele supersonice, iar undele de șoc sunt generate de suprafața obiectului. Pentru viteze supersonice ridicate, 3 < M < 5, încălzirea aerodinamică devine, de asemenea, foarte importantă pentru proiectarea aeronavelor.
4. Pentru viteze mai mari de cinci ori viteza sunetului, M > 5, zborul se spune ca este hipersonic. La aceste viteze, o parte din energia obiectului intră acum în excitarea legăturilor chimice care țin împreună moleculele de azot și oxigen ale aerului. La viteze hipersonice, trebuie să se ia în considerare chimia aerului atunci când se determină forțele asupra obiectului. Naveta spațială reintră în atmosferă la viteze ridicate hipersonice, M ~ 25. În aceste condiții, aerul încălzit devine o plasmă ionizată de gaz și nava trebuie să fie izolată de temperaturile ridicate.

Pentru zborurile supersonice și hipersonice, mici tulburări sunt transmise în spate (aval) în interiorul unui con. Sinusul trigonometric al unghiului conului b este egal cu inversul numărului Mach, iar unghiul este numit unghiul Mach.

sin (b) = 1 / M

Nu există influență în amonte într-un zbor supersonic; perturbațiile sunt transmise numai în aval.

Numărul Mach apare ca parametru de similitudine în multe dintre ecuațiile pentru zborurile compresibile, undele de șoc și expansiuni. Când se testează tunelul de vânt, trebuie să se potrivească îndeaproape cu numărul Mach între experiment și condițiile de zbor. Este complet incorect să se măsoare un coeficient de rezistență la o viteză mică (adică 200 mph) și să se aplice coeficientul de tracțiune la viteza dublă de viteză (aproximativ 1400 mph, Mach = 2,0). Compresibilitatea aerului modifică mult fizica între aceste două cazuri.

Numărul Mach depinde de viteza sunetului în gaz și viteza sunetului depinde de tipul de gaz și de temperatura gazului. Viteza sunetului variază de la o planetă la alta. Pe Pământ, atmosfera este compusă în principal din azot și oxigen diatomic, iar temperatura depinde de altitudine într-un mod destul de complex. Oamenii de știință și inginerii au creat un model matematic al atmosferei pentru a le ajuta să controleze efectele schimbării temperaturii cu altitudinea. Marte are, de asemenea, o atmosferă compusă mai ales din dioxid de carbon. Există un model matematic similar cu atmosfera marțiană.