dxdt.blog: занимательный интернет-журнал

Републикую свой старый текст на тему “звукового барьера”:

Оказывается, одним из широко распространённых околоавиационных заблуждений является так называемый “звуковой барьер”, который “преодолевают” самолёты.

Даже больше: со сверхзвуковым полётом связан целый букет заблуждений. Как же обстоит дело в реальности? (Рассказ с фотографиями.)

Заблуждение первое: “хлопок”, якобы сопровождающий “преодоление звукового барьера” (ранее, ответ на этот вопрос опубликован на сайте “Элементы”).

С “хлопком” происходит недоразумение, вызванное неверным пониманием термина “звуковой барьер”. Этот “хлопок” правильно называть “звуковым ударом”. Самолет, движущийся со сверхзвуковой скоростью, создает в окружающем воздухе ударные волны, скачки воздушного давления. Упрощенно эти волны можно представить себе в виде сопровождающего полет самолета конуса, с вершиной, как бы привязанной к носовой части фюзеляжа, а образующими, направленными против движения самолета и распространяющимися довольно далеко, например до поверхности земли.

Когда граница этого воображаемого конуса, обозначающая фронт основной звуковой волны, достигает уха человека, то резкий скачок давления воспринимается на слух как хлопок. Звуковой удар, как привязанный, сопровождает весь полет самолета, при условии что самолет движется достаточно быстро, пусть и с постоянной скоростью. Хлопком же кажется проход основной волны звукового удара над фиксированной точкой поверхности земли, где, например, находится слушатель.

Другими словами, если бы сверхзвуковой самолет с постоянной, но сверхзвуковой, скоростью принялся летать над слушателем туда-сюда, то хлопок слышался бы каждый раз, спустя некоторое время после пролета самолета над слушателем на достаточно близком расстоянии.

А “звуковым барьером” в аэродинамике называют резкий скачок воздушного сопротивления, возникающий при достижении самолетом некоторой пограничной скорости, близкой к скорости звука. При достижении этой скорости характер обтекания самолета воздушным потоком меняется кардинальным образом, что в свое время сильно затрудняло достижение сверхзвуковых скоростей. Обычный, дозвуковой, самолет не способен устойчиво лететь быстрее звука, как бы его ни разгоняли, – он просто потеряет управление и развалится.

Для преодоления звукового барьера ученым пришлось разработать крыло со специальным аэродинамическим профилем и придумать другие ухищрения. Интересно, что пилот современного сверхзвукового самолета хорошо чувствует “преодоление” своим летательным аппаратом звукового барьера: при переходе на сверхзвуковое обтекание ощущается “аэродинамический удар” и характерные “скачки” в управляемости. Вот только с “хлопками” на земле эти процессы напрямую не связаны.

Заблуждение второе: “срыв тумана”.

Если о “хлопке” почти все знают, то с “туманом” ситуация несколько более “специальная”. Есть множество снимков, где летящий самолёт (обычно это истребитель) как бы “выскакивает” из туманного конуса. Смотрится очень эффектно:

Туман и относят к “звуковому барьеру”. Мол, это на фотографии как раз запечатлён момент “преодоления”, а туман и есть “тот самый барьер”.

На самом же деле, возникновение тумана связано лишь с резким перепадом давления, сопровождающим полёт самолёта. В результате аэродинамических эффектов за элементами конструкции самолёта образуются не только области повышенного давления, но и области разрежения воздуха (возникают колебания давления). Именно в этих областях разрежения (протекающего, фактически, без теплообмена с окружающей средой, так как процесс “очень быстрый”) и конденсируется водяной пар. Причиной этому служит резкое падение “локальной температуры”, приводящее к резкому смещению так называемой “точки росы”.

Так что, если влажность воздуха и температура подходят, то такой туман – вызванный интенсивной конденсацией атмосферной влаги – сопровождает весь полёт самолёта. И не обязательно на сверхзвуковой скорости. Например, на фотографии ниже, бомбардировщик B-2, а это дозвуковой самолёт, сопровождается характерной дымкой:

Конечно, так как фотография фиксирует один миг полёта, то, в случае со сверхзвуковыми самолётами, создаётся ощущение “выскакивающего” из тумана истребителя. Особенно выраженного эффекта можно достичь при полёте на небольших высотах над морем, так как в этом случае атмосфера обычно очень влажная.

Именно поэтому большинство “художественных” снимков сверхзвукового полёта сделано с борта того или иного корабля, а запечатлены на снимках самолёты палубной авиации.

(Использованы фотографии U.S. Navy News Service и U.S. Air Force Press Service)

(Отдельное спасибо Игорю Иванову за ценное замечание по физике образования тумана.)

Вот, на примере космического аппарата MESSENGER (почему на его примере – будет понятно в конце заметки), хочу поделиться таким наблюдением из мира разработки программного обеспечения.

Точнее, там есть два мира.

Первый – очень известен, с ним соприкасаются очень многие (в основном, на правах пользователей). Этот первый мир – разработка “офисного” ПО. “Офисное” – конечно, условное название. Тем не менее, большая часть этого ПО используется именно в офисной работе. Это ПО работает на настольных компьютерах, серверах. К этому же миру относится и типичное современное web-программирование. Здесь в ходу такие “типы” ПО: текстовый процессор, редактор изображений, бухгалтерская программа и др. И известны такие “характеристические” понятия: Windows, Visual Basic, Delphi и т.п.

Хорошо известно, что в мире “офисного” ПО можно смело выдать на рынок недоделанный, не отлаженный продукт с кучей ошибок (потому что главное – регулярно и быстро выпускать новую версию, опережая конкурентов; особенно рельефно эта тенденция видна в современных web-сервисах, которые теперь уже публикуют в неработающем виде, заявив, что это альфа-версия, ну или “бета” – особенной разницы на практике нет). Массовый клиент, понятно, уже приучен к ошибкам в программах и к тому, что нет никаких гарантий работоспособности. Это давно известная тенденция.

Вторая тенденция вот в чём: в связи с тем, что комплектующие для офисного (и, конечно, серверного) компьютерного оборудования всё дешевеют и дешевеют (в пересчёте на вычислительную мощность), то разработчики из “офисного” мира готовы напрочь забыть об оптимизации и алгоритмов, и кода. Эти разработчики говорят так: “Лучше взять побольше железа – это выйдет дешевле, чем год возиться с оптимизацией”, “Пока вы оптимизируете ваш код, память подешевеет ещё в два раза” и тому подобные вещи.

И разработчики тут, в общем-то, правы. Допустим, стоит задача вывалить хоть как-то работающий новый поисковик (условно) уже через месяц. Конечно, лучше купить два дополнительных сервера в систему, на которой поисковик будет работать, чем рисковать усложнением кода и тем, что квалификации имеющихся программистов (это вообще отдельная история про “логарифмическую сложность”) просто не хватит на то, чтобы реализовать оптимальный алгоритм в коде.

Это свой мир. Со своими ценностями.

А есть второй – совершенно другой: разработка специального ПО для встроенных систем. Здесь не только в ходу неизвестные в “офисном” мире понятия из теории сложности, но и совсем другие представления о надёжности. Потому что ошибка в “текстовом процессоре” грозит лишь секретарше (да и угроза лишь в том, что придётся набирать полэкрана текста заново). Ошибка в ПО управления спутником связи грозит многомиллионными убытками, а иногда – реальной катастрофой. Хуже того, в случае со спутником – его разработчикам придётся отвечать. (Понятно, что в “офисном” случае всякая ответственность с разработчиков заранее “списана” условиями лицензирования.)

Другой важный момент, отличающий мир разработки встроенного ПО, в том, что здесь вычислительные ресурсы всегда существенно ограничены и алгоритмы и программный код приходится оптимизировать.

В мире встроенного ПО совсем не работают методы типа “за год память подешевеет вдвое”. Почему? Вот тут-то мы и приходим к примеру с космическим аппаратом MESSENGER.

Внимание, пример: MESSENGER стартовал летом 2004-го года. На орбиту вокруг Меркурия аппарат должен встать весной 2011-го года. Понятно, что как бы ни подешевели за это время на Земле компьютерная память и процессоры – “проапгрейдить” аппарат в районе Меркурия вряд ли получится. А вот загрузить на борт новое ПО – можно, с Земли.

При этом, если, скажем, удалось “ужать”, в смысле того или иного используемого ресурса, программную реализацию какой-то функции на борту аппарата, то освободившиеся ресурсы можно использовать для решения новых задач, расширив функциональность аппарата. То есть грамотная и интенсивная оптимизация приносит прямые выгоды. Про надёжность программного кода и отсутствие в нём ошибок, думаю, можно не повторяться.

Кстати, в мире встроенного ПО, на “борту изделий”, Windows совсем не в ходу, как ни странно. Там свои операционные системы.

Так вот, к чему это длинное наблюдение: оказывается, многие и многие люди, связанные с разработкой ПО, нынче думают, что существует только первый, “офисный” мир и его законы универсальны. Про то, как делают управляющее ПО, скажем, для ракеты “воздух-воздух”, эти “офисные” разработчики даже и не задумываются. И это, наверное, правильно – зачем бы им?

Плакаты о технике будущего (2000 год?) отпечатанные, как пишут в блоге Paleo-Future, в Германии 1941-го года:

Высотный пассажирский самолёт (почти “бесхвостка”, но почему-то не реактивный):

В пассажирской кабине самолёта поддерживаются комфортные условия:

А вот – другое: подземный скоростной монорельсовый поезд (update: как заметили в комментариях – поезд не монорельсовый, потому что там два рельса, один сверху, один снизу):

На фото – гиперзвуковая аэродинамическая труба из университета Purdue:

Вот такая маленькая. Они все маленькие, которые гиперзвуковые. Как пишут, скорость до M=6. Кстати, помимо прочих трудностей, в гиперзвуковых аэродинамических трубах есть и такая: очень сложно приблизить характер испытания к полёту в “бесконечной атмосфере”. Дело в том, что при “обдуве” модели возникают ударные волны, которые отражаются от стенок трубы и очень сильно влияют на характер обтекания. В реальном полёте, в “бесконечной атмосфере”, стенок, понятно, нет, поэтому ударные волны убегают в ту самую “бесконечность” и на поток в непосредственной близости от аппарата влияют не так, как в трубе.

Если используемая для наблюдения за противником среда – общая, то ждите помех, потому что плох тот противник, который не помешает за собой наблюдать. (В соответствии с проведённым в ЖЖ опросом, первая заметка про помехопостановку.)

Помехи бывают самые разные. Например, из очень древних сказаний известно, что ещё до появления огнестрельного оружия противника пытались ослеплять блеском щитов. Впрочем, это, скорее всего, просто сказка (с намёком, понятное дело). А вот известные с давних времён дымовые завесы – однозначная быль, на практике служившая для создания эффективных помех визуальному обнаружению.

(На фото выше – постановка дымзавесы эсминцем, 1944-й год. Заметьте, что янки на корабле грамотно подготовились к отражению воздушной атаки, заняв все посты.)

Кстати, дымзавесы в той или иной форме применяются и сейчас, работая вовсе не только против “визуального обнаружения”. Но всё ж, самое бурно развитое направление – это постановка помех в радиоэфире, с помощью электромагнитного излучения. Почему? Потому что ключевые средства наблюдения/наведения сейчас радиолокационные, а эфир – заведомо общий, по законам природы.

Постановкой помех работе радиолокаторов занимаются специальные, очень хитрые, хорошо компьютеризированные устройства – помехопостановщики. Дело в том, что простой и широкий “шум в эфире” – это не слишком эффективное средство: во-первых, может мешать своим; во-вторых, может фильтроваться противником; в-третьих, по источнику такой помехи можно наводить ракету (что втройне неприятно); в-четвёртых, требуется много энергии; и т.д. Поэтому современные помехопостановщики действуют по сложным алгоритмам.

Например, помехопостановщик принимает зондирующие сигналы от радара противника и эти сигналы тщательно анализирует, разбирая на составляющие. Часто, по характеристикам принятого импульса (а лучше – нескольких импульсов), можно вычислить класс и назначение радара, действующий режим работы радара, а во многих случаях, когда под рукой есть подходящая база данных, можно определить тип и модель того изделия, на котором этот радар установлен. Определив максимум параметров радара противника, помехопостановщик принимается за сами помехи, подбирая их под тип атакуемого устройства.

Зондирующие импульсы современных радаров имеют непростое кодирование и сложную модуляцию. Сами радары, оснащённые быстрыми компьютерами, работают по сложным алгоритмам. Все эти сложности сделаны и для того, чтобы бороться с помехами. Со своей стороны, постановщики помех изобретают ещё более сложные алгоритмы, позволяющие ещё более быстрым компьютерам раскрывать сигнальные хитрости радаров и генерировать эффективные помехи. В сугубо теоретической области развитием этого противоборства управляет такая математическая дисциплина, как теория игр.

В сугубо практической области без оборудования помехопостановки не обходятся даже военно-транспортные самолёты, а подлететь, проявляя радарную активность, на разумное расстояние к, скажем, сколь-нибудь большой группе кораблей потенциального противника и не получить при этом облако, а вернее – тучу помех, не выйдет даже в мирное время. На фото: антенны станции РЭБ (радиоэлектронной борьбы) военного корабля:

(Фото: Raytheon)

Например, помеха радару системы наведения может быть поставлена таким способом: принятый и записанный помехопостановщиком зондирующий импульс локатора противника излучается обратно, в направлении этого локатора, спустя некоторое время. Импульс может возвращаться без изменений, но лучше, если его немного “подредактировали”. В теории, в зависисмости от момента времени и режима работы атакуемого радара, такая помеха может быть воспринята радаром как дополнительная цель или как единственная цель, вместо “действительной”.

Интересно, что при этом радар противника может совсем неверно вычислить координаты цели-помехи и они не будут совпадать с положением в пространстве помехопостановщика. Впрочем, ошибочные координаты как раз могут быть использованы для отстройки от помех (так сказать, “второй ход в игре”) – но это уже история за рамками нашей заметки.

Помехопостановщик может выдавать “ложные цели”, прятать настоящие цели (например, нарушая работу процедур определения дальности и азимута цели у радара противника), и, скажем, срывать сопровождение цели радиолокационной системой наведения (для этого, на основе анализа сигнала радара, генерируется сложная помеха, характеристики которой коррелируют с работой системы наведения противника). На практике, понятно, ситуация ещё сложнее, и уже много лет выигрывает тот, кто хитрее работает с помехами (не только ставит их, кстати).

Помехопостановщик может представлять собой отдельную, достаточно большую систему, расположенную на собственном шасси (если это сухопутный комплекс). Довольно мощные системы помехопостановки подвешиваются к истребителям в специальных контейнерах – такая система может работать вместе с локатором системы управления вооружением истребителя:

Для ведения радиоэлектронной борьбы готовятся и специализированные самолёты. Например, на базе истребителей: на фото ниже – EA-18 Growler ВМФ США, самолёт РЭБ, созданный на базе истребителя F/A-18 Super Hornet.

(Фото: Boeing Media)

Продолжение – в следующий раз.

Известно, что вертолёты характеризуются (помимо прочего) используемой системой “стабилизации вращения” [или, если говорить более формально, системы компенсации реактивного (вращающего) момента от несущего винта]. Физические “законы сохранения” гарантируют, что если реактивный момент несущего винта никак не компенсировать, то корпус вертолёта во время полёта будет вращаться в направлении, обратном направлению вращения несущего винта.

Для компенсации “вредного момента” используют разные методы, определяющие схему вертолёта. Например, оснащают вертолёт дополнительным хвостовым (рулевым) винтом, – такая схема применяется на подавляющем большинстве современных вертолётов. Другой вариант: использование нескольких несущих винтов (традиционно используют два), компенсирующих вращающие моменты друг друга. Скажем, “изюминка” российских вертолётов Ка – два несущих винта, расположенных по соосной схеме.

Есть и относительно новая схема стабилизации вращения – NOTAR (от англ. No Tail Rotor), которая, несмотря на то что увековечена в фильмах о Джеймсе Бонде, в широких кругах известна мало.

Между тем, принцип действия NOTAR не сложен: часть потока воздуха от несущего винта через специальные воздухозаборники поступает в компрессор, расположенный ниже винта. Этот компрессор приводится в движение “основным двигателем” вертолёта и гонит поток воздуха через хвостовую балку к стабилизаторам и килям (см. иллюстрацию). В конце хвостовой балки находится специальная боковая щель и сопло. Вырывающийся через щель воздух создаёт реактивную тягу, компенсирующую вращающий момент. Сопло используется для управления “реактивным потоком”, что обеспечивает “руление” вертолётом.

Считается, что NOTAR надёжнее, безопаснее и тише. NOTAR применяется сейчас серийно только на вертолётах компании MD Helicopters.

Bugtraq сообщает:

Немецкий любитель Иоахим Шютц (Joachim Schueth) победил в соревновании по дешифровке компьютер, спроектированный в свое время для взлома немецких шифров.

[…]

Реанимированный Colossus принял участие в соревновании по дешифровке радиосообщения, закодированного шифровальной машиной 38 года Lorenz SZ42 (предварительно его еще нужно было перехватить). В соревновании приглашались принять участие все желающие.

[…]

Победила молодость – программе на Аде, запущенной на 1.4-гигагерцовом ноутбуке с NetBSD и написанной в качестве упражнения по освоению языка, потребовалось два часа на дешифровку самого сложного из трех сообщений.

Исходный Colossus – это специализированная британская вычислительная машина 1943-го года. В 1945-м, после окончания войны, все Colossus разрушили, как очень секретную технику.

А на картинке ниже – германский шифратор Lorenz SZ42, представляющий другую сторону борьбы и войны:

(Фото: Matt Crypto)

Вполне исчерпывающую подборку развёрток многогранников (в формате PDF, для печати) можно найти “у Вольфрама”, по ссылке. Например, там есть тела Архимеда – полуправильные многогранники (есть 13 типов этих многогранников, впервые их исследовал Архимед, правда, соответствующее его сочинение утеряно – так что в реальности теорию тел Архимеда разработал Кеплер).

Известно, что есть такая супер-пупер электронная техника для воспроизведения звука – high end audio. Служит такая техника для прослушивания музыки с очень-очень высоким качеством. Особенно продвинутых любителей этой техники даже называют “аудиофилами”.

Дискуссии со “спецами” по звуку на тему “high end” возникают довольно часто, в самых неожиданных местах. Даже в ЕЖЕ-листе (на который я, кстати, уже не подписан), как-то состоялась бурная дискуссия по теме “волшебного звука”.

Обычно “спецы” с серьёзным видом рассказывают, что, мол, для “настоящего звука” нужна не только специальная комната, не только куча баснословно дорогих динамиков и обязательно аналоговый (!) сигнал, но и особенные кабели из “серебрянного волокна” (или там чего-то подобного, волшебного), соединяющие усилитель и динамики. Мол, “без этих кабелей прочувствовать настоящий звук невозможно”. Опустим свойственные “спецам” рассуждения о необходимости аналоговых сигналов, звучащие на фоне того, что в качестве источника звукозаписи они всё равно используют CD, – сейчас речь о волшебных кабелях.

Эти кабели могут легко стоить тысячи долларов (!) за несколько метров длины. При этом, вообще говоря, человеку, немного представляющему “физику процесса”, понятно, что при воспроизведении слышимого звука, на тех частотах, на которых работает аудиоаппаратура, никакой заметной для уха разницы между супердорогим кабелем и обычным хорошим кабелем (скажем, хорошим кабелем типа “витая пара” по цене “три рубля метр”) в передаче сигнала нет и быть не может. (Собственно, по моему опыту, этот момент и составляет основную часть аудиокабельных дискуссий со “спецами”.) То есть, конечно, никто не запрещает платить в тысячу раз больше за тот же самый эффект; и нет ну никаких возражений: в “общем сигнальном смысле” серебрянный суперкабель, конечно, лучше – но “волшебства” это не привносит и вопрос сводится к тому, сможет ли ухо ощутить разницу.

Так вот, оказывается, известный борьбой с разного рода “антинаучными фокусами” James Randi, предлагал крупному аудиофилу, обозревателю профильного печатного издания, пари (а точнее – challenge). От аудиофила – очевидно, высказывавшегося в том смысле, что есть существенная, заметная уху, разница в том, “волшебный кабель” используется или обычный, – требовалось в строгом тесте суметь на практике отличить “звуки”, пропущенные через эти самые кабели. Приз – миллион долларов. Прослушал музыкальную композицию, верно назвал использованный кабель – получи миллион. Простой тест. Выгодно. Удобно. Нужно соглашаться.

И что вышло?

Вот что. Сперва сама фирма-производитель “волшебных” кабелей, намеченных к тестированию, “отозвала” свои кабели из теста. Представитель фирмы прислал письмо о том, что кабели на тестирование они предоставлять отказываются. А в итоге и само тестирование как-то заглохло, по вине “аудиофильской стороны” – приобретать кабели для теста эта сторона пока не собирается, ну и там скандал какой-то вышел. В общем, думаю, причины понятны – в строгом тесте никакой аудиофил суперкабели от кабелей по “три рубля” отличить, конечно, не сможет. Иначе за миллион-то нужно было попробовать.

Про пакеты молока из СССР, тетраэдры и ещё раз об увеличении объёма многогранников. Всё с “Математических этюдов” – там и поясняющий мультик:

“Математически задача формулируется так: можно ли из развертки тетраэдра сделать многогранник с большим объемом? По теореме А.Д. Александрова выпуклый многогранник с той же разверткой, но большим объемом сделать нельзя. Но может быть можно сделать невыпуклый с большим объемом? Удивительно, но оказывается что можно!”

В NASA конструируют изменяющих свою форму роботов. Например, есть прототип Tetbot, представляющий собой тетраэдр и передвигающийся за счёт изменения формы: перенося, с помощью изменения длины рёбер, центр тяжести, этот робот переваливается с грани на грань.

(Фото: NASA)