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

Роботы – снайперы Роботы – снайперы

История роботов-снайперов и их применения

Популярная механика
5 самых дорогих разводов миллиардеров в истории 5 самых дорогих разводов миллиардеров в истории

Какие миллиардеры при разводе расстались со значительными активами

Forbes
Гидрофойл для миллионов Гидрофойл для миллионов

Гидрофойл – доска на подводных крыльях для серфинга

Популярная механика
Потусторонние силы Потусторонние силы

Первопроходцы мира цифровой моды рассказывают, чего нам ждать

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

Микрочипы постепенно приближаются к человеческому мозгу

Наука
Правила жизни Ли Куан Ю Правила жизни Ли Куан Ю

Правила жизни первого премьер-министра Сингапура Ли Куан Ю

Esquire
Карамельное печенье Карамельное печенье

Первая яхта из модельного ряда Amels Limited Editions второго поколения

Y Magazine
3 эффективных способа отказаться от вредных привычек 3 эффективных способа отказаться от вредных привычек

Какие факторы влияют на формирование полезных привычек?

Inc.
Короли небес Короли небес

Завершается полувековая история производства Boeing 747

ТехИнсайдер
Зимняя хандра Зимняя хандра

8 правил, которые помогут не допустить подавленного состояния

Лиза
«Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались «Хочу выиграть в лотерею»: как загадывать желания, чтобы они сбывались

Ритуал загадывания желаний в новогоднюю ночь имеет почти мистическую силу

Cosmopolitan
Коротко о главном Коротко о главном

Сценарист и режиссер Надин Лабаки о ее коротком метре

Harper's Bazaar
Миром правят деньги: 9 фильмов про миллионеров, которые стоит посмотреть Миром правят деньги: 9 фильмов про миллионеров, которые стоит посмотреть

Герои этих фильмов вызывают зависть, мотивируют, возмущают

Playboy
Fast Company: шесть советов, как найти работу в новой отрасли без опыта Fast Company: шесть советов, как найти работу в новой отрасли без опыта

Советы, которые помогут найти работу, когда нет соответствующего опыта

Inc.
Самый больной на свете человек: что такое синдром Мюнхгаузена Самый больной на свете человек: что такое синдром Мюнхгаузена

Психическое расстройство, при котором люди выдумывают себе невероятные болезни

РБК
Как вызывают искусственный дождь и вредно ли это для природы Как вызывают искусственный дождь и вредно ли это для природы

Сегодня вам не к чему танцевать с бубном, чтобы вызвать дождь

Популярная механика
Почему люди грубят друг другу? Почему люди грубят друг другу?

Я решила разобраться, почему люди грубят и ругаются друг с другом

ПУСК
Маленький стартап против гигантов: Kytch может починить ломающиеся машины для мороженого McDonald's — сети это не нужно Маленький стартап против гигантов: Kytch может починить ломающиеся машины для мороженого McDonald's — сети это не нужно

Почему McDonald’s запретили и почти уничтожили Kytch

VC.RU
Что мы пьем: 8 популярных вопросов о питьевой воде Что мы пьем: 8 популярных вопросов о питьевой воде

Эксперты разрушили самые распространенные заблуждения о водопроводной воды

Популярная механика
Любовь Аксенова – о новом сериале, российском кинематографе и «Наруто» Любовь Аксенова – о новом сериале, российском кинематографе и «Наруто»

Любовь Аксенова о проекте «12 Любличностей» и критическом отношении к работе

GQ
Мария Скобцова: как русская поэтесса Серебряного века стала святой Мария Скобцова: как русская поэтесса Серебряного века стала святой

Мария Скобцова (в миру Елизавета) прожила удивительную и очень сложную жизнь

Cosmopolitan
Эрудиция против поисковиков Эрудиция против поисковиков

Зачем много знать и помнить в эпоху интернета

РБК
«Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников» «Как иронично, что фирме в сфере психического здоровья плевать на психическое здоровье собственных работников»

Сотрудники Spring Health жалуются на соучредительницу Эйприл Кох

VC.RU
55 м² 55 м²

Апартаменты с открытой планировкой, оформленные Мариной Кутузовой

AD
Все на свете из пластмассы Все на свете из пластмассы

Яна Лукина, изучив все плюсы цифровой одежды, смотрит правде в глаза

Vogue
Как не сбить режим в праздники: пытаться выспаться за весь год опасно Как не сбить режим в праздники: пытаться выспаться за весь год опасно

Наконец-то можно отоспаться за весь прошедший год. Но хорошая ли это идея?

Cosmopolitan
6 неявных признаков друга-нарцисса 6 неявных признаков друга-нарцисса

Многие нарциссы достаточно умны, чтобы хорошо маскироваться

Psychologies
Лена Ванина Лена Ванина

Лена Ванина — сценаристка важных сериалов нового времени

Собака.ru
Здесь был ЗИЛ. Репортаж о легендарном заводе, которого не стало Здесь был ЗИЛ. Репортаж о легендарном заводе, которого не стало

Выясняем, что стало с МСЦ № 6 ЗИЛа после сноса его исторического здания

РБК
«Новые технологии стерли былые социальные перегородки» «Новые технологии стерли былые социальные перегородки»

Пятерка главных «гуманитарных» трендов, изменивших мир за 15 лет

РБК
Открыть в приложении