Коммерческая сверхзвуковая авиация сможет существовать, если изменится

НаукаHi-Tech

Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения?

Пассажирские сверхзвуковые самолеты могут вскоре вернуться в авиацию. Для этого они должны стать иными, чем ушедшее первое поколение. Каким же будет новое?

Николай Цыгикало

Сверхзвуковой пассажирский Overture от компании Boom Technology

Сверхзвуковое движение в земной природе встречается редко. Это либо падение небесных тел, проходящих сверхзвуковой этап в атмосфере. Либо вулканы со сверх звуковыми течениями парогазовых смесей и взрыва ми, бросающими породу со сверхзвуковой скоростью. Человек пришел к сверхзвуку через баллистику, когда скорости пуль и снарядов стали сверхзвуковыми. В конце XlX века наука стала изучать сверхзвуковое движение. А шведский инженер Густав Лаваль сделал сверх звуковое сопло, дающее сверхзвуковую струю пара для лопаток паровой турбины.

В начале XX века немецкий физик Людвиг Прандтль создал методы расчета сверхзвуковых течений и явлений. В 1909 году по его расчетам построена первая сверхзвуковая аэродинамическая труба. Расчеты Прандтля позволили проектировать сверхзвуковые сопла с высокой газодинамической точностью. Это открыло дорогу к ракетным двигателям. Их сопла разогнали ракеты до сверхзвуковых скоростей. Баллистическая «Фау2» стала первым управляемым сверхзвуковым аппаратом. Вскоре к сверхзвуку пришла авиация. Первым горизонтальный пилотируемый сверхзвуковой полет выполнил американский летчик-испытатель Чак Йегер в 1947 году на ракетном самолете Bell Х1. Появились боевые сверхзвуковые самолеты — советский МиГ19 и американский F100 «Супер сейбр». Позже пришел черед сверх звуковых пассажирских самолетов: советский Ту-144, возивший пассажиров в 1977–1978 годах, и англо-французский «Конкорд», работавший с 1976 по 2005 год. После него и по сегодняшний день пассажирский сверхзвук не используется.

Советский пассажирский сверхзвуковой Ту-144

Что такое сверхзвук

В любом полете важно, насколько медленнее или быстрее звука летит самолет. Это скажет число Маха, или М, главное сверхзвуковое число. Оно меряет скорость полета в скоростях звука, деля скорость полета на скорость звука: М=V/a.

При полете со скоростью звука М=1. Значения М1 — сверхзвуковые. У числа Маха есть лишь значение и нет единиц измерения. Оно безразмерно, как все аэродинамические критерии подобия, толь ко число. Единицы «один Мах» нет, в «Махах» говорят техническим жаргоном для быстроты. И раз число Маха принимает разные значения, скорость не бывает равна «двум числам Маха».

Что такое скорость звука? Это скорость движения несильных уплотнений в толчее молекул газов воздуха — акустических колебаний. Быстрота движения уплотнений создается скоростью самих молекул. Мера их энергии движения и есть температура. Поэтому скорость звука зависит от температуры. И меняется в жару и мороз или с высотой. Чем жарче, тем выше скорость звука. Поэтому скорость звука всегда берут местную, в данных условиях. На уровне моря в стандартной атмосфере скорость звука 340,29 м/с.

Зачем человеку лететь со сверхзвуковой скоростью? Для боевых самолетов или самолетов-разведчиков ответ очевиден: пилотирование ради прикладных дел сверхзвукового полета. Например, неуязвимость разведчика SR71 давала крейсерская скорость 0,9 км/с, или М=3,05. Пассажиру нужно просто перемещение. Кто-то готов лететь дороже, но быстрее. «Конкорд» шел из Лондона в Нью-Йорк три часа, а дозвуковые самолеты летят шесть часов. Короткий полет комфортнее. Сверхзвук сократит полет в разы.

Растет число людей, которые легко могут оплатить сверхзвуковой перелет. Состоятельные могли бы купить сверхзвуковой самолет для своих поездок, как яхты или обычные самолеты. Летать на сверхзвуке для кого-то просто круто, и это может быть фактором выбора. Тогда большой расход топлива и затратность полета уходят на второй план. Ограничивает сверхзвуковые полеты сегодня не экономика.

Особенности сверхзвукового полета

Сжатие. В сверхзвуковом полете главным свойством воздуха становится его сжимаемость. Лобовые участки конструкции сжимают встречный воздух — носовой обтекатель, передние кромки крыла, киля, стабилизаторов. Сжатие идет и на всех наклонных поверхностях, встречающих поток. Конструкцию обжимают зоны высокого давления. Это требует ее упрочнения.

Нагрев. При большом сжатии рост температуры ощути мый. Передние кромки и части самолета при М=3 нагреты до 330°С. С ростом скорости температура растет. Важно обеспечить работу лобовых элементов при таком нагреве. Например, сделав их из титана или специальных сталей. Нагревается обшивка, обтекаемая сжатым горячим потоком, стекла кабины и иллюминаторов, повышая требования к прочности.

Сопротивление полету и расход топлива на сверхзвуке резко растут. Корпус самолета, сжимая воздух, работа ет наружным компрессором. Эта работа тормозит само лет. Ударная волна (о ней ниже) уносит энергию, рождая волновое сопротивление. Сверхзвук требует роста тяги в полтора-два раза. Это форсаж с многократным расходом топлива.

Но не такие моменты создают паузу в пассажирской сверхзвуковой авиации. Они вполне решаются в летаю щей военной сверхзвуковой технике.

Британско-французский сверхзвуковой пассажирский Concorde

Прогулка в газодинамику

Как мы помним, главная особенность сверхзвука — много кратная сжимаемость воздуха. Сжатие это необычное, не постепенное, как в накачиваемой автошине. Воздух сжимается на сверхзвуке крайне быстро, динамично, мгновенно — за одну стомиллионную долю секунды. Такое сжатие назвали газодинамическим. Сжатие идет на очень тонкой — толщиной всего пару пробегов молекул — поверхности внутри потока. Она стоит в потоке косо, под углом (поток за ней остается сверхзвуковым) или перпендикулярно (поток за ней становится дозвуковым). За ней поток оказывается уплотненным — с возросшими плотно стью, давлением и температурой — и меньшей скоростью. Изменение потока происходит скачкообразно, абсолют ной ступенькой. Из-за резкого уплотнения поверхность сжатия назвали скачком уплотнения. Налетающий сверхзвуковой поток бьет по скачку всей мощью своего движения, словно молотом. Этот удар плющит воздух на скачке. Поэтому такое сжатие называется ударным. Сжатый воздух выдавливается за скачок новыми прибывающими порциями. Его объем теперь сократился, движение замедлилось пропорционально сжатию.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Не рокот космодрома Не рокот космодрома

Как и зачем строят космодромы

Популярная механика
7 советов по подготовке собаки к зиме 7 советов по подготовке собаки к зиме

Собак тоже нужно защитить от холода и реагентов на тротуаре!

Maxim
«Математическое образование заставляет людей думать по-другому» «Математическое образование заставляет людей думать по-другому»

Математик Федор Богомолов — про ученых и о роли математики в других науках

Наука
Стресс и даже проблемы с психикой: шесть основных причин выпадения ресниц Стресс и даже проблемы с психикой: шесть основных причин выпадения ресниц

Почему ресницы могут выпадать?

Cosmopolitan
Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание Искусственный интеллект и нейроморфные вычисления: второе дыхание

Микрочипы постепенно приближаются к человеческому мозгу

Наука
10 увлекательных сериалов, основанных на реальных событиях 10 увлекательных сериалов, основанных на реальных событиях

Увлекательные сериалы, сюжеты которых почти никто не выдумывал

Cosmopolitan
Чем полезна куриная печень для организма: 6 свойств Чем полезна куриная печень для организма: 6 свойств

Куриную печень готовят и едят гораздо реже самой курятины, но это зря

РБК
Как пить дать: антипохмельный гид Esquire Как пить дать: антипохмельный гид Esquire

Как свести негативное влияние алкоголя на здоровье к минимуму?

Esquire
Тридцать первая литера... Тридцать первая литера...

Что можно сказать о букве «э»?

Наука и жизнь
«Мы разрушители стереотипов!» «Мы разрушители стереотипов!»

Антон Лаврентьев и Алина Астровская — о своем творчестве, семье и терапии

OK!
Цифровой детокс: когда он становится необходимостью? Цифровой детокс: когда он становится необходимостью?

Почему нам нужно порой отказываться от Интернета?

Psychologies
Как продавать «спящим клиентам» Как продавать «спящим клиентам»

Почему клиенты «засыпают» и как с ними выстроить эффективную коммуникацию

Inc.
Секреты красоты Кары Делевинь: что ест, как ухаживает за бровями — и не только Секреты красоты Кары Делевинь: что ест, как ухаживает за бровями — и не только

Кара Делевинь — девушка, на которую мечтают быть похожими миллионы девушек

Cosmopolitan
Для чего нужен витамин С и как его принимать Для чего нужен витамин С и как его принимать

Витамин C — ключевой элемент множества процессов, происходящих в организме

РБК
Избегайте этих 5 фраз, когда просите о повышении зарплаты, — эксперт по переговорам Избегайте этих 5 фраз, когда просите о повышении зарплаты, — эксперт по переговорам

Начать разговор о повышении зарплаты часто бывает очень сложно

Inc.
Сумасшедший Назимов Сумасшедший Назимов

Три произведения, которым удалось вернуть правильные имена лишь спустя много лет

Дилетант
От «Фаворитки» до «Железной леди»: байопики о женщинах в политике От «Фаворитки» до «Железной леди»: байопики о женщинах в политике

Женщин в политике меньшинство, и биографических фильмов о них тоже немного

Forbes
Евгеника в прошлом, настоящем и будущем Евгеника в прошлом, настоящем и будущем

Что изучает евгеника и существует ли она сейчас?

Популярная механика
Вызов принят Вызов принят

Ирина Горбачёва была номинирована дважды: как «Главный герой» и в «Паре года»

OK!
Как жить рядом с больным шизофренией: 3 первых шага к спокойствию Как жить рядом с больным шизофренией: 3 первых шага к спокойствию

Как выстроить отношения с больным шизофренией близким человеком?

Psychologies
«Важно каждые пять лет менять ракурс»: художник Нина Котел о современном искусстве «Важно каждые пять лет менять ракурс»: художник Нина Котел о современном искусстве

Художница Нина Котел — о роли искусства, о свободе и любви

Forbes
Гнев и стыд: как героиня сериала «Я ненавижу Сьюзи» переживает крах семьи и карьеры Гнев и стыд: как героиня сериала «Я ненавижу Сьюзи» переживает крах семьи и карьеры

Чему стоит поучиться у актрисы, чьи интимные фото были слиты в сеть

Forbes
Лучший источник белка: почему тебе нужно обязательно есть куриную грудку Лучший источник белка: почему тебе нужно обязательно есть куриную грудку

Весь ли белок одинаково полезен?

Cosmopolitan
Звездообразные коконы из Японии приписали новому виду наездников Звездообразные коконы из Японии приписали новому виду наездников

Ученые выяснили, что за звездообразные структуры иногда находят на островах Рюкю

N+1
Как открыть и содержать гостиницу для животных в Москве и сколько на этом можно заработать Как открыть и содержать гостиницу для животных в Москве и сколько на этом можно заработать

Зоогостиница: помещение, персонал и более миллиона рублей на открытие

VC.RU
Как сделать красивые ножницы своими руками: видео Как сделать красивые ножницы своими руками: видео

Как из ненужного куска металла можно сделать увесистые ножницы своими руками

Популярная механика
Илон Маск рекомендует: пять книг, которые стоит прочитать Илон Маск рекомендует: пять книг, которые стоит прочитать

Книги, которые рекомендует Илон Маск

Forbes
Одна вокруг света: оползень на дороге и закрытая граница Эквадора Одна вокруг света: оползень на дороге и закрытая граница Эквадора

151-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Сезон открыт: как правильно выбрать экипировку для катания на горных лыжах или сноуборде Сезон открыт: как правильно выбрать экипировку для катания на горных лыжах или сноуборде

Как выбрать горнолыжную экипировку правильно? Как за ней ухаживать?

Популярная механика
Леонид Роберман. Авантюрист Леонид Роберман. Авантюрист

Отношения продюсера и актеров — самое ценное и дорогое, что может быть

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении