Есть ли будущее у гиперзвуковой авиации
Гиперзвуковые самолеты — многообещающий и перспективный сегмент авиации. Но сложность процессов гиперзвукового обтекания ведет к проблемам расчетов и конструктивным трудностям. Поэтому сегодня летающих гиперзвуковых самолетов нет. Смогут ли они стать повседневной реальностью?
По летней бетонке разбегался самолет стремительного стреловидного облика. С гулом оторвавшись от полосы и заняв разрешенное направление, он перешел в интенсивный набор высоты. На пару секунд пассажиров в салоне охватила легкость: набрав 10 км, самолет выровнялся и на том же режиме двигателей пошел горизонтально. Из-за этого скорость его быстро росла, и вскоре в салоне на экранах засветилось слово «сверхзвуковой режим» и большая буква «М» с числом.
Число росло вместе со скоростью. Когда оно достигло 1,7, пассажиров коснулась мягкая перегрузка, скорее забавная, чем неприятная. Самолет задрал игловидный нос высоко над горизонтом и снова стал быстро набирать высоту. Число возле буквы «М» почти не менялось, плавно дойдя до 1,8. Небо в иллюминаторах полностью чернело, засветились звезды. Атмосфера внизу стала тонкой и яркой, словно блестящей. А местность была все больше похожа на топографическую карту.
На 30 км высоты самолет опустил нос и выровнял полет. Число на экранах быстро росло. Шум двигателей изменился. Вместо привычного турбореактивного рокота и вибраций он стал ровнее и звучал как-то иначе. Число достигло 5, и сразу повсюду на экранах загорелось слово «гиперзвук». Пассажиры уже не замечали, как высота поднялась до 35 км. Число показывало 6,5 и больше не росло. Отстегнуты ремни безопасности, стюардессы начали разносить кофе. Но не сытный обед, ведь посадка уже через час.
Гиперзвуковой: что это значит
Мы уже рассказывали о гиперзвуковом движении (в материале «Гиперзвуковая крылатая ракета и ее скачки»), вспомним основные понятия. Скорость движения (полета или газового потока), отмеренная в скоростях звука, называется числом Маха, М. Его значение показывает, во сколько раз быстрее или медленнее звука движется объект или поток. Скорость звука берется местная, при данных условиях, потому что она может меняться — в основном из‑за температуры. При движении ровно со скоростью звука М=1, при скоростях быстрее звука, то есть сверхзвуковых,— М>1. Если движение быстрее звука в пять и больше раз — М>5, движение называется гиперзвуковым. Это новое название для сверхзвукового движения ввели из‑за особенностей картины обтекания при таких скоростях. С гиперзвуковым летательным аппаратом чуть сложнее. Разные объекты летят в атмосфере со скоростями в пять и более раз быстрее звука. Ракеты-носители, спускаемые аппараты, орбитальные ракетопланы типа «Спейс шаттла», боеголовки баллистических ракет, некоторые зенитные ракеты. Но гиперзвуковой участок их полета кратковременный, переходный к основному участку (или после него), где гиперзвукового движения нет. Основная часть их траекторий лежит в пустоте, без газовой среды, где говорить о числе Маха бессмысленно, потому что там нет ни звука, ни его скорости.
Гиперзвуковой аппарат, напротив, летит основную часть своего полета с гиперзвуковой скоростью в газовой среде атмосферы, на крейсерском режиме. Форма аппарата оптимизирована для гиперзвукового обтекания и создания им подъемной силы, которой он держится в воздухе. Этой задаче служат аэродинамические особенности элементов конструкции. Заостренные передние кромки крыльев и киля; их возможный клиновидный профиль, вытянутая игловидная или клиновидная носовая часть и др. Такой аппарат может как планировать, используя полученную как-либо высоту и скорость, так и лететь на тяге своего двигателя. Если двигатель воздушный, работающий на основном участке полета в крейсерском режиме, это будет гиперзвуковой аппарат в полном значении этого понятия. Самолет, который полетит на гиперзвуке основную часть маршрута, будет гиперзвуковым. Это даст ему большие плюсы.
Плюсы гиперзвукового полета
Главный козырь, конечно, скорость. От Лондона до Нью-Йорка за час с небольшим — как между районами большого города. Столь быстрый перелет интересен и гражданским, и военным: тот же час с небольшим из Лондона будет и до Кабула. И даст возможность действительно быстрого реагирования.
Второй козырь, важный военным,— практическая неуязвимость гиперзвуковой цели. Считается, что гиперзвуковые ракеты сегодня нечем перехватить. Их скорость не по зубам зенитным системам с их скоростью принятия решений и всего лишь сверхзвуковыми ракетами. Эта же «броня скорости» будет и у гиперзвукового самолета. И она может быть также важна и главам государств, политикам, важным пассажирам. Многих громких катастроф лайнеров, сбитых ракетами, не случилось бы, будь они гиперзвуковыми.
Еще один плюс гиперзвукового самолета — отсутствие звукового удара на земле. Об этой проблеме сверхзвуковых самолетов и ее решениях мы рассказывали в материале «Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения». Гиперзвуковой полет займет диапазон высот 30–35 км, намного выше, чем у сверхзвуковых самолетов. Сильно разреженный воздух там слабо передает ударную волну, а расстояние до земли, то есть путь рассеивания и ослабления, намного больше. На земле не слышно гиперзвуковой полет. Что позволит летать на гиперзвуке над густонаселенными районами.
Эта же большая высота позволит шире наблюдать территории при аэрофотосъемке местности. Будет полезна и для связи, и в других случаях: высотность полета найдет свое использование.
Разумеется, гиперзвуковой самолет на своем крейсерском режиме не будет зависеть от погодных условий и явлений, оставшихся глубоко внизу. Не будет тряски и турбулентности при характерном покое стратосферы на этих высотах.
Очередным плюсом будет и крейсерский полет в свободном от других самолетов пространстве. Вся дозвуковая толчея — пассажирская, транспортная и прочая — останется глубоко внизу. Как и вся сверхзвуковая авиация, обжившая нижнюю стратосферу. Лишь такие же гиперзвуковики смогут летать на этих высотах, да висеть редкие капли стратостатов.
Но для полета на гиперзвуке нужно решить больший комплекс задач и проблем, образующих два главных направления: летящая конструкция и двигатель. Оба направления возникают из свойств гиперзвукового обтекания, которое несколько отличается от сверхзвукового.
Особенности гиперзвукового обтекания
Обтекание тела (самолета и его части: кабины, крыла, киля, любого элемента в потоке) сверхзвуковым потоком приводит к сжатию потока перед обтекаемой частью конструкции. Сжатие происходит на тонкой границе внутри потока, рядом с поверхностью обтекаемого тела, сразу и мгновенно. Плотность, давление и температура потока увеличиваются резким скачком, поэтому эту поверхность сжатия внутри потока назвали скачком уплотнения. За скачком спрессованный воздух течет медленнее, со сверхзвуковой или дозвуковой скоростью; он стал плотнее и горячее. Именно он обтекает поверхности сверхзвукового самолета. При этом и на дозвуке, и на сверхзвуке молекулы газов летят простыми точками, без строения и особенностей формы. Их движение просто и прямолинейно до и после столкновений друг с другом или обтекаемым препятствием. Энергия этих ударов не вызывает отклика в самих молекулах, всего лишь точках. При скоростях М=5 и выше обтекание начинает лезть в молекулу газа. И открывает этим ящик гиперзвуковой Пандоры. Энергия соударений молекул начинает дополнять их простое движение новыми формами. Молекулы главных газов воздуха, азота и кислорода, состоят из двух атомов, соединенных связью. Выше М=5 молекула газа начинает резонировать ударам: два ее атома колеблются, сближаясь и отдаляясь. Так молекула принимает и запасает энергию своего колебательного движения. Это увеличивает теплоемкость газа, состоящего из таких колеблющихся молекул. И добавляет газу энергию в этой форме. У трехатомных молекул СО2 колеблется также угол между атомами кислорода. Энергия колебаний молекул оценивается колебательной температурой. Помимо нее молекулы получают накачку энергией вращения. Поток молекул превращается в массы крохотных спиннеров, волчков, маховичков. Энергия вращения описывается вращательной температурой газа.