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

Ловцы ветра Ловцы ветра

Двухроторный генератор — чисто российское изобретение

Наука
Два совета, которые предприниматели дали бы себе на старте Два совета, которые предприниматели дали бы себе на старте

Советы от сооснователей XYZ School для начинающих предпринимателей

Inc.
Шестое поколение Шестое поколение

За сетями 5G уже проступают контуры следующего поколения связи

Популярная механика
Ученые впервые получили новое состояние материи: квантовую спиновую жидкость Ученые впервые получили новое состояние материи: квантовую спиновую жидкость

Группа физиков из Гарварда задокументировала квантовую спиновую жидкость

National Geographic
Боги, люди и поганки Боги, люди и поганки

Грибы занимают уникальное место не только в биосфере, но и в истории цивилизации

Вокруг света
Правила жизни Ли Куан Ю Правила жизни Ли Куан Ю

Правила жизни первого премьер-министра Сингапура Ли Куан Ю

Esquire

Мюзикл — одна из главных форм массового развлечения XX века

Esquire
Мне бы мяса: 4 лайфхака, как выбрать идеальный стейк в магазине Мне бы мяса: 4 лайфхака, как выбрать идеальный стейк в магазине

Как выбрать лучший кусок мяса для стейка и не прогадать

Playboy
Страсти по обжарке: как кофейня из Петербурга пережила пандемию и помогла пенсионерам Страсти по обжарке: как кофейня из Петербурга пережила пандемию и помогла пенсионерам

Основательница Pitcher вошла в шорт-лист премии Forbes Woman Mercury Awards

Forbes
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
Конфета в царском рукаве: удивительная находка в Эрмитаже Конфета в царском рукаве: удивительная находка в Эрмитаже

Что нашли в рукаве платья сестры Николая II

National Geographic
Праздник вкуса Праздник вкуса

Как выбирать продукты для новогоднего стола

Лиза
Сплошная Санта-Барбара: как конструктивно решать конфликты в компании Сплошная Санта-Барбара: как конструктивно решать конфликты в компании

Вот что мы в Elbrus Bootcamp делаем, чтобы решать конфликты конструктивно

Inc.
Концерн «Калашников» обвинили в краже дизайна дробовика из игры инди-студии. Оружейная компания всё отрицает Концерн «Калашников» обвинили в краже дизайна дробовика из игры инди-студии. Оружейная компания всё отрицает

Российский оружейный концерн «Калашников» украл дизайн нового дробовика из игры

TJ
Советы миллиардера: не будь одиночкой, используй энергию стресса и делай что хочешь Советы миллиардера: не будь одиночкой, используй энергию стресса и делай что хочешь

Отрывок из книги Игоря Рыбакова «Secret Х10. Иметь то, что дает все»

Forbes
Бык vs корова Бык vs корова

Среди ценителей гриля новый тренд - выбирать мясо молочных пород

Men’s Health
Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности Грелка вместо объятий: как тепло помогает нам чувствовать себя в безопасности

Чтобы справиться с тревогой и страхом, достаточно… взять в руки что-то теплое

Psychologies
Юля Беретта: «Я притягиваю только умных и интересных людей» Юля Беретта: «Я притягиваю только умных и интересных людей»

Юлия Беретта накануне выхода ее нового альбома о личном и профессиональном

Maxim
Потусторонние силы Потусторонние силы

Первопроходцы мира цифровой моды рассказывают, чего нам ждать

Vogue
Да их тут тысячи! Да их тут тысячи!

Ксения Букша о любви к мемам и анекдотам

Weekend
Развод по-французски Развод по-французски

Марта Ришар осталась в истории как человек, закрывший все публичные дома

Playboy
Забытые окаменелости: древние кости нашли завернутыми в газеты столетней давности Забытые окаменелости: древние кости нашли завернутыми в газеты столетней давности

Остатки древних животных были завернуты в старые газеты

National Geographic
Скучно не будет! Скучно не будет!

5 вариантов совместного досуга с детьми-подростками

Лиза
Физики создали управляемую спиновую жидкость Физики создали управляемую спиновую жидкость

Возможность управлять спиновой жидкостью поможет в создании кубитов

N+1
Как собрать майнинг ферму Как собрать майнинг ферму

Что представляет собой майнинг ферма, как она работает и как её собрать

CHIP
Умные склады: как малоизвестный миллиардер меняет супермаркеты с помощью роботов Умные склады: как малоизвестный миллиардер меняет супермаркеты с помощью роботов

Рик Коэн готов стать центром внимания благодаря промышленным складским роботам

Forbes
Анимация NASA показывает, как пластиковый мусор распределяется по океану Анимация NASA показывает, как пластиковый мусор распределяется по океану

Каждый год человечество сбрасывает в океан около 8 миллионов тонн пластика

National Geographic
8 лучших сериалов о предпринимателях 2021 года 8 лучших сериалов о предпринимателях 2021 года

Эти истории, которые способны удивить или замотивировать вас заняться бизнесом

Inc.
Шведское изобретение: как появился разводной ключ Шведское изобретение: как появился разводной ключ

Разводной ключ – универсальный инструмент, заменяющий почти все гаечные ключи

Популярная механика
Добро и зло посреди бескрайней тундры, или История одного несостоявшегося «колумбайна» Добро и зло посреди бескрайней тундры, или История одного несостоявшегося «колумбайна»

Когда подросток приходит к вам с намерением все взорвать и уничтожить

СНОБ
Открыть в приложении