Фиг. 22. Распространение слабых возмущений в сверхзвуковом потоке.

Огибающая коническая поверхность (называется конус Маха) ограничивает область слабых возмущений.

Угол полураствора при вершине конуса случайных возмущений (угол Маха) зависит от отношения скорости потока и скорости звука . Из фиг. 22 видно, что

.

При снижении скорости потока угол  увеличивается и при становится равным 90 градусов. Это означает, что конус возмущений превращается в плоскость, а сигналы посланные источником возмущений, достигают любой точки, расположенной сзади источника.

Таким образом, мы видим, что при движении точечного источника возмущений со сверхзвуковой скоростью все возмущения располагаются только внутри конуса с полууглом при вершине . Образующая этого конуса является линией слабых возмущений, так как в любой момент времени в каждой ее точке касается одна сфера слабых возмущений. Эту линию слабых возмущений называют линией Маха или характеристикой.

На линии слабых возмущений все параметры газа (P, , Т, V) изменяются на бесконечно малые величины, поэтому линия слабых возмущений не является скачком уплотнения.

Кратко познакомимся с теорией скачков уплотнения.

При взаимодействии тел со сврхзвуковыми потоками (или при движении тел в неподвижных газах со сверхзвуковой скоростью) возникают области, в которых параметры газа изменяются чрезвычайно быстро (ударно), скачкообразно (скорость V падает, плотность  , давление P и температура T увеличиваются).

Такие области называются скачками уплотнения или ударными волнами. Появление скачкообразного уплотнения можно объяснить тем, что при движении тела (ракеты, головной части (ГЧ), спускаемого аппарата (СА)) со сверхзвуковой скоростью, каждую точку поверхности этого обтекаемого тела можно считать источником слабых возмущений. В отдельных областях пространства около тела происходит многократное суммирование бесконечно большого количества слабых возмущений; параметры газа в этих областях теперь уже изменяются не на бесконечно малые величины, а на конечные. Эти области и являются скачками уплотнения, зонами резкого, скачкообразного увеличения газа.

Скачки уплотнения могут быть сложными поверхностями с криволинейными образующими.

а) – криволинейный; б) – прямой; в) – косой.

Фиг. 23 Виды скачкообразного уплотнения

В условиях установившегося движения со сверхзвуковой скоростью впереди тела будет находиться ударная волна, движущаяся с той же скоростью, что и тело. Расстояние между волной и передней кромкой тела зависит от скорости полета и от формы головной части тела.

За пределами ГЧ фронт ударной волны наклоняется, интенсивность волны гасится, и в пределе угол наклона ударной волны к вектору скорости становится равным углу Маха , а сама ударная волна вырождается в обычную акустическую.

Когда мы слышим звук приближающегося самолета, это значит, что его скорость меньше скорости звука a.

Если самолет летит со скоростью звука V=а, мы не получаем от него никаких звуковых сигналов, пока мимо нас не пройдет ударная волна, которая воспринимается слуховыми органами, как прозвучавший в высоте выстрел.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что скорость распространения ударной волны (сильных возмущений) всегда больше скорости звука.

Рассмотрим подробнее.

Если источник посылает не слабые акустические, а сильные ударные волны, то в сверхзвуковом потоке они будут распространяться следующим образом.

Ударная волна распространяется со скоростью ударной волны, которая больше скорости звука. Поэтому в первый момент волна, отходящая от источника возмущений, будет распространяться и против потока. Но по мере расширения эта волна будет ослабевать, а скорость ее снижаться, приближаясь в пределе к скорости звука. В этих условиях огибающая семейства сферических волн уже не будет представлять собой просто коническую поверхность. Это будет поверхность, напоминающая в своей головной части гиперболоид и переходящая затем в конус слабых возмущений.