Letačke teme...

Suvremeni zrakoplovi, poglavito vojni a rjeđe civilni, mogu letjeti brzinama većim od brzine zvuka. Kada se govori o takvom letenju nezaobilazan je pojam "zvučnog zida". Moment kada avion dostiže i prelazi brzinu zvuka registriramo kao jak zvučni prasak. Taj zvuk, ustvari impulzivna buka, je veoma sličan zvuku olujnog vjetra.

            Zvuk ustvari predstavlja slijedno zgušnjavanje i prorjeđivanje medija - u ovom slučaju zraka. Brzina prostiranja zvuka je različita ovisno od medija, a za zrak se uzima da iznosi 341 m/s ili 1227.6 km/h u uvjetima MSA. Avion tijekom kretanja kroz zrak izaziva poremećaje kontinuiteta zraka to jest formira zračne valove slično onome što čini brod kada plovi. Dolazi do promjene tlaka zraka  to jest do titranja čestica zraka  u pravcu širenja vala, a brzina poremećaja jednaka je brzini zvuka.

Sa povećanjem brzine leta aviona povećava se amplituda zvučnih valova to jest dolazi do povećanja tlaka zraka na isturenim dijelovima aviona. Što je avion bliži brzini zvuka to se poremećaj tlaka zraka približava avionu tako da se ne stigne proširiti ispred aviona i «obavijestiti» čestice zraka o nailasku poremećaja. Molekule «neobaviještenog» zraka nalijeću na aeroprofil zrakoplova slijedeći njegov oblik što ima za posljedicu povećanje tlaka, gustoće i temperature zraka u vrlo kratkom vremenskom intervalu.

Prilikom prelaska na nadzvučnu brzinu leta zrak na pojedinim dijelovima aviona, obično kabina pilota i spoj krila i trupa, formira zračne valove koji putuju ispred aviona to jest "točke probijanja brzine zvuka". Ispred zrakoplova se formira «prepreka» sastavljena od valova malog poremećaja koju nazivamo zvučnim zidom.U momentu prelaska brzine zvuka dešava se skokovita i vremenski kratka promjena parametara zraka te poremećaj zraka prelazi iza aviona. Tijekom leta nadzvučnim brzinama avion konstantno formira zvučne valove koji se šire duž putanje aviona. Slikovito rečeno to izgleda slično situaciji kada iz automobila u pokretu ispuštamo predmete koji nastavljaju padati ka tlu. Gledano iz pilotske kabine "zvučni zid" se kreće iza aviona i simetrično se širi u zračnom prostoru iza aviona (Mahov konus). Međutim, kada pilot izvodi manevar avionom, oštri zaokret ili naglo popinjanje, zvučni zid će putovati ka tlu ispred aviona.

Zvuk koji možemo čuti na tlu je "probijanje zvučnog zida" to jest iznenadni prasak (pucanj) zračnih valova koji su nastali na dijelovima zrakoplova prilikom prelaska na nadzvučne brzine. U stvari možemo čuti dva praska: prvi je u trenutku prelaska sa podzvučne na nadzvučnu brzinu, a drugi prilikom povratka sa nadzvučne na podzvučnu brzinu. Promjena tlaka zraka prouzročena "zvučnim zidom" je zanemarljive veličine što je otprilike jednako tlaku koji bi iskusili ako bi nas lift spustio za dva ili tri kata brže nego obično. Upravo promjena magnitude vršnog tlaka opisuje pojam "zvučnog zida".

Postoje dva tipa praska (buke) koju možemo čuti, N-zvučni valovi i U-zvučni valovi. Zvučni valovi N-tipa se formiraju u stabilnim uvjetima leta kada zračni val ima oblik sličan onome koje ima slovo "N". U takvoj vrsti valova najveći vršni nadtlak je na prednjoj strani da bi se smanjivao ka krajevima i postepeno prešao u normalno područje tlaka zraka. Valovi U-oblika nastaju u manevrima avionom i imaju oblik slova "U" pri čemu je veličina vršnog nadtlaka zraka veća u usporedbi sa N-valovima.

U normalnim uvjetima letenja za supersonične avione maksimalni vršni nadtlak varira od jednog 4.8 kg/m do 48 kg/m za N-zvučne valove dok je za U-balove vršni nadtlak  uvećan za dva do tri puta. Međutim, uvećanje nadtlaka utječe samo na vrlo malu površinu u usporedbi sa površinom koja je izložena djelovanju ostatka udarnog vala. Najsnažniji ikada registrirani valni udar (prasak) pri probijanju "zvučnog zida" je onaj jačine 102 kg/m. Taj zvuk je nastao prilikom prelaska na nadzvučne brzine avionom F-4 na nevjerojatno maloj visini oko 30 metara. Zanimljivo je istaći da ljudi koji su bili vrlo blizu tom mjestu, na daljini oko 70 metara, nisu pretrpjeli nikakve posljedice.

Istraživanja pojava vezanih za nadzvučne brzine provode se od 1947. godine sa ciljem da se omogući pilotima sigurno upravljanje avionom uz minimiziranje štetnih utjecaja na okolinu. Prvi let iznad brzine zvuka izveo je Čarls Jeger 14. listopada navedene godine leteći na eksperimentalnom raketnom avionu Bell X-1. Poznati su štetni utjecaji zvučnog praska (udarnog vala) koji se javlja pri nadzvučnim letovima na životinje, ljude u neposrednoj blizini, povijesne spomenike ili okoliš općenito pa se u miru strogo pazi da se ti utjecaji minimiziraju. Opće je pravilo da se nadzvučni letovi obavljaju na visinama iznad 3000 m i to iznad morske površine ili 10000 m iznad kopna uz najmanju udaljenost od obale (naselja) 28 km.

U novijim testiranjima registriran je tlak udarnog vala zraka jačine 590 kg/m. U takvim situacijama vrlo je vjerojatno da bi prozorska stakla popucala. Pri normalnim uvjetima objekti na zemlji izloženi su tlaku zraka od 9.76 kg/m tako da solidno građeno objekti vrlo lako podnose udarni val zraka jačine manje od 78 kg/m. Udarni val zraka pri prelasku na nadzvučne brzine može izazvati kretanje (pomicanje) objekata na zemlji ali je u granicama koje ne izazivaju strukturalne promjene. U nekim slučajevima moglo bi se očekivati znatniji utjecaj na neke vrste objekata kao što su na primjer manji plovni objekti na vodi.

Energija udarnog vala zraka je koncentrirana u frekventnom području 0.1-100 Hz što je značajno niže od frekvencije koje produciraju motori supersoničnog aviona, pucnjava topa ili većina industrijske buke. Djelovanje udarnog vala (praska) je kratko manje od sekunde, 100 milisekundi za većinu aviona i ½ sekunde za "space shuttle" ili Concord mlazni avion. Intenzitet i širina udarnog vala (praska) ovisi od fizičkih karakteristika aviona i u kojem je manevru. Općenito se može reći  što je avion na većoj visini to je manji utjecaj udarnog vala zraka na zemlji. U mirnodopskim uvjetima letovi na nadzvučnim brzinama odvijaju se gotovo isključivo na velikim visinama, a izuzetno na manjim visinama (testiranja, demonstracije i sl.). Sa povećanjem visine leta se povećava lateralno širenje zračnog vala na veću površinu (prostor). Povećanje tlaka (nadtlak) na izloženim objektima neće biti uniformno, jednako zbog oblika udarnog vala koji proizvodi avion. Najveći utjecaj će biti direktno ispod putanje aviona da bi isti slabio sa povećanjem horizontalne udaljenosti od putanje leta aviona.

Utjecaj zvučnog vala na objekte na zemlji je po širini otprilike 1.8 km za svakih 333 m visine leta aviona, tako će avion na visini 3050 m  stvoriti lateralno širenje oko 56 km u prostoru. Slikovito rečeno kada avion leti u stabilnom nadzvučnom letu njegov udarni (zvučni) val možemo nazvati svojevrsnim "tepih valom" jer se kreće ravnomjerno uzduž putanje leta aviona. Međutim, kada avion izvodi neke manevre kao spuštanje, oštri zaokret ili ubrzavanje tada dolazi do fokusiranja zvučnog vala. Neki drugi manevri kao penjanje ili smanjivanje brzine mogu smanjiti jačinu udarnog (zvučnog) vala. Metereološki uvjeti također utječu na jačinu zvučnog vala jer mogu dovesti do njegove distorzije.

Ovisno od visine na kojoj leti avion zvučni val može stići na zemlju od dvije do 60 sekundi poslije prelijetanja. Bitno je reći da zvuk ne mora biti uvijek registriran na zemlji. To se objašnjava činjenicom da brzina zvuka na različitim visinama ovisi o temperaturi zraka. Vrijedi sljedeća zakonitost za područje normalnog tlaka c=200.05 T m/S gdje je c-brzina zvuka a T-temperatura zraka u stupnjevima Kelvina. Poznato je da se sa povećanjem visine temperatura zraka smanjuje (na svakih 1000 m visine temperatura opada za 6.5ºC). Na primjer na razini mora temperatura zraka je 14.4º C dok je na visini 9140 metara temperatura oko (-)45º C. U standardnim atmosferskim uvjetima to je pravilo dok su odstupanja moguća kada se odstupa od standardnih uvjeta (temperaturna inverzija).

Temperaturni gradijent iskrivljuje zvučne valove na gore. Da bi zvuk stigao na zemlju relativna brzina aviona mora biti veća od brzine zvuka na tlu. Na primjer brzina zvuka na visini 9140 m je 1240.84 km/h ali avion mora letiti brzinom najmanje 1389 km/h(1.12 Ma gdje je Ma oznaka za Mahov broj tj. brzinu zvuka) da bi se zvučni val (prasak) mogao čuti na tlu.

Borbeni piloti moraju u miru uvježbavati letenje nadzvučnim brzinama kako bi u ratu bili uspješni. Stoga kada povremeno čujete "čudan zvuk" iz vedra neba znajte da se vjerojatno radi o mirnodopskom uvježbavanju naših čuvara neba.