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

Криптобудущее Криптобудущее

Жизненный цикл цивилизаций и наступающая эпоха свободы

Популярная механика
Что делать, если ноутбук не включается Что делать, если ноутбук не включается

Почему ноутбук может не включаться и как решить эту проблему?

CHIP
«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
Рецепт будущего Рецепт будущего

Кухня‑2030: стейки, выращенные в пробирке или напечатанные на 3D‑принтере

Vogue
Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
Физики разобрались с резонансными и нерезонансными задержками фотоионизации молекулы Физики разобрались с резонансными и нерезонансными задержками фотоионизации молекулы

Физики исследовали однофотонную фотоионизацию молекулы NO

N+1
Вторая жизнь бетона Вторая жизнь бетона

Как можно строить дома из обломков других домов

Forbes
Искаженные инвестиции Искаженные инвестиции

Какие активы принесли инвесторам тысячи и миллионы процентов и что это означает

Forbes
Нечеловеческий секс Нечеловеческий секс

Почему мы все еще занимаемся сексом по старинке – с живыми людьми?

Популярная механика
AMD или Intel: чьи процессоры лучше AMD или Intel: чьи процессоры лучше

Разбираем самые сильные и слабые стороны процессоров Intel и AMD

CHIP
Шесть «что будет, если...?», на которые должен ответить стартап Шесть «что будет, если...?», на которые должен ответить стартап

Что будет, если проект не зайдет или кончатся деньги?

Inc.
Астрономы нашли горячую экзопланету - год на ней длится всего 8 часов Астрономы нашли горячую экзопланету - год на ней длится всего 8 часов

Одна из самых легких среди почти 5 000 известных сегодня экзопланет

Популярная механика
«У сильных желаний нет обстоятельств». Как люди с ограниченными возможностями исполняют свои мечты «У сильных желаний нет обстоятельств». Как люди с ограниченными возможностями исполняют свои мечты

Что помогает людям с ограниченными возможностями добиваться желаемого

СНОБ
Букет в цветочном горшке Букет в цветочном горшке

Красивые комнатные растения с недолгим сроком жизни

Наука и жизнь
«Никаких посиделок с друзьями»: как живет семья с пятерняшками из Приморья «Никаких посиделок с друзьями»: как живет семья с пятерняшками из Приморья

Больше всего родителей пятерняшек раздражает вопрос: «Как вы справляетесь?»

Cosmopolitan
Как получать удовольствие от неприятных дел? Читаем книгу «Без усилий» Как получать удовольствие от неприятных дел? Читаем книгу «Без усилий»

Зачем мучиться, занимаясь важными делами, если можно ими наслаждаться

РБК
5 продуктов, которые помогут заснуть и лучше выспаться 5 продуктов, которые помогут заснуть и лучше выспаться

Что съесть перед сном, чтобы лучше спалось?

Популярная механика
Что такое выученная беспомощность и как от нее избавиться Что такое выученная беспомощность и как от нее избавиться

Когда возникает выученная беспомощность и как себе помочь?

РБК
Великое увольнение и тотальное выгорание: главные карьерные тренды 2021 года Великое увольнение и тотальное выгорание: главные карьерные тренды 2021 года

Главные события и тренды 2021 года на рынке труда

Forbes
3 причины вашей бедности 3 причины вашей бедности

Что мешает вам материально преуспевать?

Psychologies
Страшные сказки: за что актеры ненавидели режиссера Александра Роу Страшные сказки: за что актеры ненавидели режиссера Александра Роу

Когда-то режиссера Александра Роу недолюбливали и актеры, и чиновники

Cosmopolitan
Каким получился фильм «Чемпион мира» о матче Карпов — Корчной Каким получился фильм «Чемпион мира» о матче Карпов — Корчной

Хроника шахматного противостояния Анатолия Карпова и Виктора Корчного

РБК
Нео на пенсии или пародия на современный Голливуд: какой получилась новая «Матрица» Нео на пенсии или пародия на современный Голливуд: какой получилась новая «Матрица»

Как новая «Матрица» стала одновременно пародией и оммажем оригинальной серии

Forbes
Магнитометры улучшили качество и скорость нейровизуализации Магнитометры улучшили качество и скорость нейровизуализации

Как можно усовершенствовать существующие методы нейровизуализации

N+1
Операция «Антропоид» Операция «Антропоид»

Даже среди марок нацистской Германии этот экземпляр отличается своей мрачностью

Дилетант
Как избавиться от черных точек дома: лайфхаки от косметолога Как избавиться от черных точек дома: лайфхаки от косметолога

Одна из самых распространенных проблем с кожей – так называемые черные точки

VOICE
Как помочь себе при утренней тревоге Как помочь себе при утренней тревоге

Неудивительно, что по утрам многие из нас испытывают приступы тревоги

Psychologies
Нашествия цикад: как и почему раз в 13 или 17 лет из-под земли появляются эти насекомые Нашествия цикад: как и почему раз в 13 или 17 лет из-под земли появляются эти насекомые

Циклы цикад: почему происходит нашествие?

Популярная механика
Долгое ожидание и роботы-курьеры: каким рынок доставки еды будет в будущем Долгое ожидание и роботы-курьеры: каким рынок доставки еды будет в будущем

Кто и как нам будет доставлять еду в ближайшие годы?

Forbes
Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ Больше, чем транспорт: как велосипед превратился в идейный символ

Как люди развивали велосипед и превращали его в символ своих идей

Популярная механика
Открыть в приложении