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

Как полюбить будущее и не сойти с ума Как полюбить будущее и не сойти с ума

Артемий Лебедев в российском интернете, как Пелевин – в русской литературе

Популярная механика
Полный вперед Полный вперед

Дизайнеры снова размышляют о будущем, думают, сбылись ли прошлые модные прогнозы

Vogue
Роботы в лабиринте Роботы в лабиринте

SubT — конкурс между роботами, способными самостоятельно исследовать подземелья

Популярная механика
50 м² 50 м²

Сочинская квартира для сдачи в аренду по дизайну Анастасии Комаровой

AD
Побег с аэродрома Побег с аэродрома

Циклолеты – «летающие комбайны» – становятся экономичнее квадрокоптеров

Популярная механика
Скифская девочка-воин из Тывы пострадала от рахита Скифская девочка-воин из Тывы пострадала от рахита

Биоархеологи исследовали останки девочки раннескифского времени из Тывы

N+1
Экология темного неба Экология темного неба

Мы рискуем вовсе забыть, как выглядит чистое ночное небо

Популярная механика
Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга Рост на 64%, ESG и новые сервисы: как меняется рынок лизинга

Об ESG-портфеле, проекте «Автомобиль по подписке» и о направлениях отрасли

Forbes
От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
Профессиональный интерес Профессиональный интерес

Почему компания Fendi не отказывается от использования натурального меха?

Grazia
Виртуальная работа – я приду туда в субботу: как будут выглядеть офисы будущего Виртуальная работа – я приду туда в субботу: как будут выглядеть офисы будущего

Что станет с традиционными офисами в эпоху VR-реальности?

Playboy
Писатель Алексей Иванов — о литературе, внутреннем туризме и новых структурах общества Писатель Алексей Иванов — о литературе, внутреннем туризме и новых структурах общества

Писатель Алексей Иванов о влиянии литературы на туристический бизнес

СНОБ
Великие земляки Великие земляки

Борьба с «низкопоклонством перед Западом»

Дилетант
Визажист и бизнесмен Елена Крыгина —  Forbes: «Мне важно круто продать компанию» Визажист и бизнесмен Елена Крыгина —  Forbes: «Мне важно круто продать компанию»

Елена Крыгина — о том, почему она производит косметику в России

Forbes
Moreart Moreart

Moreart — автор хита, который вошел в музыкальные топы в 139 странах

ЖАРА Magazine
«Мы с мужем инфицированы, а наши дети — здоровы»: как я 20 лет живу с ВИЧ «Мы с мужем инфицированы, а наши дети — здоровы»: как я 20 лет живу с ВИЧ

Удивительная история нашей героини, которая живет с положительным ВИЧ-статусом

Cosmopolitan
Преимущество грамотных: почему русскому языку не нужна реформа, но нужен новый свод Преимущество грамотных: почему русскому языку не нужна реформа, но нужен новый свод

Что на самом деле стоит за новым сводом правил в русском языке

Forbes
30 м² 30 м²

“Инстаграмный” интерьер, который будет эффектно выглядеть и привлекать туристов

AD
«Синдром Обломова»: как преодолеть пассивность «Синдром Обломова»: как преодолеть пассивность

Что делать, если пассивность входит в привычку?

Psychologies
Как мы компенсируем отсутствие любви к себе: 5 типичных ошибок Как мы компенсируем отсутствие любви к себе: 5 типичных ошибок

Чем мы пытаемся заполнить пустоту внутри себя?

Psychologies
Все толстеют, а ты похудей: 7 советов, которые помогут скинуть вес за праздники Все толстеют, а ты похудей: 7 советов, которые помогут скинуть вес за праздники

А что ты скажешь, если ты не поправишься, а похудеешь?

Cosmopolitan
Зачем пить горячую воду: 5 важных причин носить с собой термос с кипятком Зачем пить горячую воду: 5 важных причин носить с собой термос с кипятком

Почему полезно пить горячую воду и может ли она заменить лекарства?

Cosmopolitan
Анна Виленская Анна Виленская

Анна Виленская — автор нескучных лекций о музыке

Собака.ru
Чему создатели метавселенных могут поучиться у 3D-игры Second Life Чему создатели метавселенных могут поучиться у 3D-игры Second Life

Какой создатель Second Life видит метавселенную, исходя из своего опыта

VC.RU
5 лучших книг для девочек, женщин и тех, кто о них заботится 5 лучших книг для девочек, женщин и тех, кто о них заботится

Книги: с какими трудностями сталкиваются современные девушки, как их поддержать?

Популярная механика
Когда жена — настоящий крокодил: 5 самых странных браков Когда жена — настоящий крокодил: 5 самых странных браков

Любовь зла, полюбишь и...

Playboy
«Люди так бесчеловечны, так людоедны, они такие животные» «Люди так бесчеловечны, так людоедны, они такие животные»

Игорь Северянин о том, как тяжело жить человеку с тонкой душевной организацией

Weekend
Польза миндаля для мужчин: 12 свойств, за которые мы его ценим Польза миндаля для мужчин: 12 свойств, за которые мы его ценим

Миндаль — суперпродукт для мужского здоровья

Playboy
«Мне нужны были приключения»: серийный обманщик Джозеф Уэйл занимался мошенничеством 70 лет и 40 раз сидел в тюрьме «Мне нужны были приключения»: серийный обманщик Джозеф Уэйл занимался мошенничеством 70 лет и 40 раз сидел в тюрьме

Джозеф Уэйл сыграл «столько ролей, сколько среднему актёру и не снилось»

VC.RU
Придуманная жизнь: почему основателя Group-IB Илью Сачкова обвиняют в госизмене Придуманная жизнь: почему основателя Group-IB Илью Сачкова обвиняют в госизмене

Как основатель Group-IB Илья Сачков оказался в СИЗО?

Forbes
Открыть в приложении