Быстрее звука: как летают сверхзвуковые самолеты
Сверхзвуковая скорость — это скорость самолета, которая превышает скорость звука в воздухе. Но скорость звука в воздухе не постоянна. Она меняется в зависимости от температуры (чем холоднее, тем медленнее бежит звук), высоты (на больших высотах воздух разреженный и холодный), а также давления и влажности.
На уровне моря при температуре +15 °C скорость звука составляет около 340 м/с или 1225 км/ч. На высоте 10–12 км, где обычно летают самолеты, температура падает до −50 °C, а скорость звука — до 295 м/с или 1062 км/ч. Таким образом, сверхзвук — это любая скорость выше этих значений для конкретных условий.
В авиации для измерения скорости относительно скорости звука используется число Маха (M). Оно показывает, во сколько раз скорость самолета превышает скорость звука в текущих условиях среды.
«Одно и то же число Махa на разной высоте соответствует разным скоростям в км/ч, — поясняет Михаил Тяглик. — Летчики используют число Махa, потому что поведение воздуха вокруг самолета зависит именно от соотношения его скорости и скорости звука, а не от абсолютных километров в час».
С какой скоростью летают самолеты
Пассажирские самолеты передвигаются на высоте 10–12 км со скоростью 820–920 км/ч. Пилоты ограничивают число Махa значением 0,85. Почему не разогнаться чуть быстрее, скажем, до 1000 км/ч? Дело не в нехватке мощности двигателей, а в неожиданных физических эффектах.
Михаил Тяглик объясняет, что в разных частях самолета скорость воздуха, обтекающего самолет, может сильно различаться. Если самолет летит с высокой дозвуковой скоростью (например, М=0,85), то на кромке крыла скорость воздуха может возрасти до сверхзвуковой. А это резко меняет физические свойства воздуха.
При переходе на сверхзвуковую скорость воздух перед самолетом начинает сжиматься, образуя так называемый скачок уплотнения. Если сравнить дозвуковой и сверхзвуковой самолет, видно: нос дозвукового — круглый. Такая форма сильно уменьшает сопротивление на дозвуковой скорости. На сверхзвуковой скорости сжатый воздух отсоединяется от носа самолета, сопротивление резко растет, а расход топлива увеличивается. Казалось бы, сопротивление выросло — и самолет затормозится до дозвука. На самом деле все сложнее. При переходе на сверхзвук точка приложения подъемной силы начинает смещаться назад.
«Любой пассажирский самолет проектируют устойчивым: точка приложения подъемной силы находится за центром его масс (если смотреть с носа). Подъемная сила старается опустить нос вниз, но руль высоты или стабилизатор компенсируют это усилие. Однако если точка приложения подъемной силы сместится слишком далеко назад, эффективности рулей не хватит. Самолет начнет опускать нос, скорость еще больше возрастет — и дело кончится катастрофой. Поэтому скорость дозвуковых самолетов и ограничивают значением М=0,85», — добавляет эксперт.
Когда начали разрабатывать сверхзвуковые самолеты
Разработка сверхзвуковых самолетов стартовала в середине 1940-х годов, в период Второй мировой войны. Основная цель — увеличить скорость истребителей и бомбардировщиков. Первый экспериментальный сверхзвуковой полет совершил американский летчик-испытатель Чарльз («Чак») Йегер 14 октября 1947 года на самолете Bell X-1 с ракетным двигателем XLR-11. Он достиг скорости 1,06 Мах (примерно 1235 км/ч у земли при температуре +20 °C).
Первым отечественным серийным сверхзвуковым самолетом стал истребитель МиГ-17. Разработка закончилась в конце 1940-х годов в СССР. В конце 1952 года самолет под обозначением МиГ-17Ф пошел в серийное производство, но для боевых полетов его все еще считали околозвуковым.
В конце 1960-х годов появились первые гражданские сверхзвуковые самолеты. Всего в мире создали два таких лайнера — советский Ту-144 и англо-французский Concorde.
Ту-144 совершил первый полет 31 декабря 1968 года. Авиакомпании эксплуатировали его с 1975 по 1978 год. Скорость лайнера составляла около 2 Мах (примерно 2000 км/ч на высоте 16–17 км).
Concorde поднялся в воздух впервые 2 марта 1969 года и летал с пассажирами с 1976 по 2003 год. Его максимальная скорость — около 1,91 Мах (примерно 2339 км/ч).
Оба самолета сильно сокращали время дальних перелетов. Но у них нашлись и серьезные недостатки: звуковой удар, очень высокий расход топлива, сильный шум над аэродромом и сложность в эксплуатации.
Почему сверхзвуковые полеты над сушей ограничены
От сверхзвукового самолета сильный шум возникает не только над аэродромом, но и там, где он пролетает. Когда обычный самолет летит на дозвуковой скорости, возмущения давления (то есть звуки) распространяются от него во всех направлениях. Эти возмущения непрерывно достигают земли в каждой точке траектории, поэтому резких перепадов давления не возникает. Но на сверхзвуковых скоростях картина меняется.
«Поле давления ограничено областью, которая простирается в основном назад и расширяется от самолета в виде конуса — объясняет Михаил Тяглик. — Когда самолет движется, задний параболический край этого конуса пересекает Землю и создает на земле резкий хлопок или грохот. Если такой самолет летит на малой высоте, ударная волна может оказаться достаточно сильной, чтобы разбить стекла и нанести другой ущерб».
Как же решают эту проблему? Эксперт называет несколько способов.
Во-первых, чем меньше лайнер, тем меньше шума он создаст.
Во-вторых, сверхзвуковой лайнер должен летать на высотах больших, чем современные дозвуковые самолеты — порядка 15–18 км. И тут возникает еще одна большая задача: надо вписать сверхзвуковые самолеты в современную систему управления воздушным движением, а они набирают скорость гораздо быстрее обычных.
В-третьих, конструкторы используют особую форму планера. Когда самолет летит на сверхзвуке, он сжимает воздух перед собой. Сжатый воздух расходится волнами в разные стороны — так и рождается ударная волна. Специальная форма фюзеляжа позволяет направить эту ударную волну вверх, подальше от земли.
Отдельная история — двигатели. Двигатели сверхзвуковых самолетов создают гораздо больше шума, чем дозвуковые. Это связано с низкой степенью двухконтурности. У дозвуковых лайнеров большая степень двухконтурности помогает экономить топливо и бороться с шумом, но на сверхзвуке такой подход неэффективен. Поэтому конструкторы размещают двигатели над фюзеляжем — так на местности от них меньше шума.
«Такая компоновка приводит к ряду особенностей с точки зрения устойчивости и управляемости, — замечает Михаил Тяглик. — Она требует создания новых алгоритмов системы управления, чтобы обеспечить хорошую динамику на всех этапах и режимах полета».
Чувствуют ли пассажиры переход через сверхзвуковой барьер
В кино иногда показывают, как в салоне трясет и раздается оглушительный хлопок, когда стрелка спидометра переходит за единицу Махa. На самом деле все иначе.
«Я спрашивал у летчиков-испытателей, которые летали на сверхзвуковых скоростях, — рассказывает Михаил Тяглик. — Переход на сверхзвуковую скорость приводит к уменьшению шума от двигателей и аэродинамических шумов за кабиной самолета. Кроме того, меняется управляемость самолета: реакция на отклонение рулей становится более плавной».
А что же пассажиры?
«Пассажиры перехода на сверхзвуковую скорость не ощущают, — продолжает эксперт. — Внутри салона звук распространяется в замкнутом пространстве. Превышение скорости звука во внешней среде никак не влияет на акустику внутри. Пассажиры не слышат звукового удара, потому что он остается снаружи. Единственное, что они могут заметить, — это небольшое изменение шума двигателей».
Почему авиация не перейдет на сверхзвуковые самолеты
