Гонка за призраком скорости. На рубеже звукового барьера

: 17 Июн 2007 , Нефть: герои не нашего времени , том 15, №3

Пассажирские магистральные самолеты со сверхзвуковой скоростью сегодня не летают. Как выяснилось, «сверхзвуковые» проекты ТУ-144 и Конкорд оказались экономически не выгодными. Первая попытка преодолеть звуковой барьер в мирных целях оказалась неудачной, так как при приближении к звуковому барьеру резко возрастает лобовое сопротивление самолета и уменьшается подъемная сила. Итак, «сверхзвука» нет, а что же есть? Есть «трансзвук».

Трансзвуковые скорости — это диапазон скоростей чуть больше и чуть меньше скорости звука (примерно от 0,8 до 1,2 скорости звука). Этот термин пришлось ввести для описания пограничного режима обтекания тела, когда часть обтекающего потока становится сверхзвуковой, а часть потока так и остается в дозвуковом режиме…

Теория

В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом: M=\frac{u}{c_s}, где u — скорость движения потока или тела, c_s — скорость звука в среде. Звуковая скорость определяется как c_s=\sqrt{\gamma \frac{p}{\rho}}, где \gamma — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает i степенями свободы он равен \frac{i+2}{i}). Здесь i = n_p + n_r + 2n_c — полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы n_p = 3. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы n_r = 2, количество колебательных степеней свободы (если есть) n_c = 3n — 5. Для всех других молекул n_r = 3, n_c = 3n — 6.

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).

Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Преодоление сверхзвукового барьера самолетом

Когда самолет передвигается среди воздушных масс он буквально рассекает воздух во все стороны, создавая шумовой эффект и расходящиеся во все направления волны воздушного давления. При достижении летательного аппарата скорости звука возникает момент, когда звуковая волна не способна обогнать самолет. Из-за этого перед фронтальной частью самолета возникает ударная волна в виде плотного барьера из воздуха.

Возникший впереди самолета слой воздуха в момент достижения летательным аппаратом скорости звука создает резкий рост сопротивления, что и служит источником изменения характеристик устойчивости самолета.

Когда самолет летит, звуковые волны распространяются от него во все стороны со скоростью звука. Когда самолет достигает скорости М=1, то есть скорости звук, звуковые волны скапливаются перед ним и образуют слой уплотненного воздуха. При скоростях выше скорости звука эти волны образуют ударную волну, которая достигает земли. Ударная волна воспринимается как звуковой удар, акустически воспринимаемый человеческим ухом внизу на земной поверхности как глухой взрыв.

Этот эффект можно постоянно наблюдать при проведении учений сверхзвуковых самолетов гражданским населением в районе полетов.

Еще одним интересным физическим явлением при полете сверхзвуковых самолетов — это визуальное опережение летательных аппаратов их собственного звука. Звук наблюдается с некоторым опозданием за хвостом самолета.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 /сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М

, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «
скоростью невозврата
» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Первый сверхзвуковой самолет

За 30 лет с 1940 по 1970 скорость самолетов выросла в несколько раз. Первый перелет с околозвуковой скоростью был совершен 14 октября 1947 года на американском самолете Bell XS-1 в штате Калифорния над авиабазой.

Пилотировал реактивный самолет Bell XS-1 капитан американских ВВС Чак Йиге. Ему удалось разогнать аппарат до скорости 1066 км/ч. В ходе данного испытания был получен существенный срез данных для дальнейшего толчка в развитии сверхзвуковых самолетов.

Отрывок, характеризующий Сверхзвуковая скорость

Анна Михайловна, часто ездившая к Карагиным, составляя партию матери, между тем наводила верные справки о том, что отдавалось за Жюли (отдавались оба пензенские именья и нижегородские леса). Анна Михайловна, с преданностью воле провидения и умилением, смотрела на утонченную печаль, которая связывала ее сына с богатой Жюли. – Toujours charmante et melancolique, cette chere Julieie, [Она все так же прелестна и меланхолична, эта милая Жюли.] – говорила она дочери. – Борис говорит, что он отдыхает душой в вашем доме. Он так много понес разочарований и так чувствителен, – говорила она матери. – Ах, мой друг, как я привязалась к Жюли последнее время, – говорила она сыну, – не могу тебе описать! Да и кто может не любить ее? Это такое неземное существо! Ах, Борис, Борис! – Она замолкала на минуту. – И как мне жалко ее maman, – продолжала она, – нынче она показывала мне отчеты и письма из Пензы (у них огромное имение) и она бедная всё сама одна: ее так обманывают! Борис чуть заметно улыбался, слушая мать. Он кротко смеялся над ее простодушной хитростью, но выслушивал и иногда выспрашивал ее внимательно о пензенских и нижегородских имениях. Жюли уже давно ожидала предложенья от своего меланхолического обожателя и готова была принять его; но какое то тайное чувство отвращения к ней, к ее страстному желанию выйти замуж, к ее ненатуральности, и чувство ужаса перед отречением от возможности настоящей любви еще останавливало Бориса. Срок его отпуска уже кончался. Целые дни и каждый божий день он проводил у Карагиных, и каждый день, рассуждая сам с собою, Борис говорил себе, что он завтра сделает предложение. Но в присутствии Жюли, глядя на ее красное лицо и подбородок, почти всегда осыпанный пудрой, на ее влажные глаза и на выражение лица, изъявлявшего всегдашнюю готовность из меланхолии тотчас же перейти к неестественному восторгу супружеского счастия, Борис не мог произнести решительного слова: несмотря на то, что он уже давно в воображении своем считал себя обладателем пензенских и нижегородских имений и распределял употребление с них доходов. Жюли видела нерешительность Бориса и иногда ей приходила мысль, что она противна ему; но тотчас же женское самообольщение представляло ей утешение, и она говорила себе, что он застенчив только от любви. Меланхолия ее однако начинала переходить в раздражительность, и не задолго перед отъездом Бориса, она предприняла решительный план. В то самое время как кончался срок отпуска Бориса, в Москве и, само собой разумеется, в гостиной Карагиных, появился Анатоль Курагин, и Жюли, неожиданно оставив меланхолию, стала очень весела и внимательна к Курагину. – Mon cher, – сказала Анна Михайловна сыну, – je sais de bonne source que le Prince Basile envoie son fils a Moscou pour lui faire epouser Julieie. [Мой милый, я знаю из верных источников, что князь Василий присылает своего сына в Москву, для того чтобы женить его на Жюли.] Я так люблю Жюли, что мне жалко бы было ее. Как ты думаешь, мой друг? – сказала Анна Михайловна. Мысль остаться в дураках и даром потерять весь этот месяц тяжелой меланхолической службы при Жюли и видеть все расписанные уже и употребленные как следует в его воображении доходы с пензенских имений в руках другого – в особенности в руках глупого Анатоля, оскорбляла Бориса. Он поехал к Карагиным с твердым намерением сделать предложение. Жюли встретила его с веселым и беззаботным видом, небрежно рассказывала о том, как ей весело было на вчерашнем бале, и спрашивала, когда он едет. Несмотря на то, что Борис приехал с намерением говорить о своей любви и потому намеревался быть нежным, он раздражительно начал говорить о женском непостоянстве: о том, как женщины легко могут переходить от грусти к радости и что у них расположение духа зависит только от того, кто за ними ухаживает. Жюли оскорбилась и сказала, что это правда, что для женщины нужно разнообразие, что всё одно и то же надоест каждому. – Для этого я бы советовал вам… – начал было Борис, желая сказать ей колкость; но в ту же минуту ему пришла оскорбительная мысль, что он может уехать из Москвы, не достигнув своей цели и даром потеряв свои труды (чего с ним никогда ни в чем не бывало). Он остановился в середине речи, опустил глаза, чтоб не видать ее неприятно раздраженного и нерешительного лица и сказал: – Я совсем не с тем, чтобы ссориться с вами приехал сюда. Напротив… – Он взглянул на нее, чтобы увериться, можно ли продолжать. Всё раздражение ее вдруг исчезло, и беспокойные, просящие глаза были с жадным ожиданием устремлены на него. «Я всегда могу устроиться так, чтобы редко видеть ее», подумал Борис. «А дело начато и должно быть сделано!» Он вспыхнул румянцем, поднял на нее глаза и сказал ей: – «Вы знаете мои чувства к вам!» Говорить больше не нужно было: лицо Жюли сияло торжеством и самодовольством; но она заставила Бориса сказать ей всё, что говорится в таких случаях, сказать, что он любит ее, и никогда ни одну женщину не любил более ее. Она знала, что за пензенские имения и нижегородские леса она могла требовать этого и она получила то, что требовала.

Конструкция крыльев сверхзвуковых самолетов

Подъемная сила и лобовое сопротивление со скоростью увеличиваются, поэтому крылья становятся меньше, тоньше и приобретали стреловидную форму, улучшая обтекаемость.

У самолетов, приспособленных к сверхзвуковым полетам крылья в отличии от обычных дозвуковых самолетов вытягивались под острым углом назад, напоминая наконечник стрелы. Внешне крылья образовывали треугольник в единой плоскости с его остроугольной вершиной в передней части самолета. Треугольная геометрия крыла позволяла управлять самолетом предсказуемо в момент перехода звукового барьера и как следствие избежать вибраций.

Существуют модели, в которых применялись крылья с изменяемой геометрией. В момент взлета и посадки угол крыла относительно самолета равнялся 90 градусам, то есть перпендикулярен. Это необходимо для создания максимальной подъемной силы в момент взлета и посадки, то есть в тот момент когда скорость снижается и подъемная сила при остром угле при неизменной геометрии достигает своего критического минимума. С ростом скорости геометрия крыла изменяется до максимально острого угла у основания треугольника.

Сверхзвуковые самолеты в гражданской авиации

Что касается гражданских сверхзвуковых самолетов, то всего известны 2 серийных самолета, выполняющих регулярные рейсы: советский ТУ-144 и французский Concorde. ТУ-144 осуществил свой дебютный вылет в 1968 году. Данные аппараты были предназначены для дальних трансатлантических перелетов. Время перелета были значительно сокращены в сравнении с дозвуковыми аппаратами за счет увеличения высоты перелета до 18 км, где самолет использовал незагруженный воздушный коридор и миновал облачную загрузку.

Первый гражданский сверхзвуковой самолет СССР ТУ-144 завершил свои полеты в 1978 году по причине их нерентабельности. Окончательную точку в решении об отказе эксплуатировать в регулярных рейсах было принято из-за катастрофы опытного экземпляра ТУ-144Д во время его испытания. Хотя стоит отметить, что за рамками гражданской авиации самолет ТУ-144 продолжали эксплуатировать для срочной почтовой и грузовой доставки с Москвы в Хабаровск вплоть до 1991 года.

Тем временем несмотря на дорогие билеты, французский сверхзвуковой самолет «Конкорд» продолжал оказывать услуги аваиарейсов для своих европейских клиентов до 2003 года. Но в конце концов, несмотря на более богатый социальный слой европейских жителей, вопрос нерентабельности был все равно неминуем.