Эксперты рассказали, что такое сверхзвук и чему равна сверхзвуковая скорость

Звук — это колебания давления, которые распространяются в различных средах: воздухе, воде или металле. Во время полета самолета создаются звуковые волны, движущиеся со скоростью звука в этой среде. Если самолет летит медленнее звука, то волны успевают удаляться. Но при достижении или превышении скорости звука волны начинают догонять самолет, что влияет на его аэродинамику.

Число Маха и его значение

Для измерения скорости полета в авиации используется число Маха (M), названное в честь австрийского ученого Эрнста Маха. Это число показывает, во сколько раз скорость самолета превышает скорость звука в данной среде на определенной высоте.

Число Маха помогает классифицировать скорость полета:

• M < 1 — дозвуковая скорость.

• M = 1 — скорость звука.

• 1 < M ≤ 5 — сверхзвуковая скорость.

• M > 5 — гиперзвуковая скорость.

Сверхзвуковой режим полета обычно охватывает числа Маха от 1,2 до 5. Скорости выше 5 Махов (около 6000 км/ч) считаются гиперзвуковыми.

Историческое развитие

До середины 20 века считалось, что преодоление скорости звука в полете крайне сложно и опасно. Пилоты, приближавшиеся к этому рубежу, сталкивались с сильной вибрацией и потерей контроля над самолетом.

Первый успешный сверхзвуковой полет состоялся в 1947 году, когда американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на самолете Bell X-1 преодолел звуковой барьер. Это событие стало важным шагом в развитии авиации и открыло эру реактивных самолетов.

Гиперзвуковая скорость и методы ее измерения

Гиперзвуковая скорость — это скорость, превышающая 5 Махов, что примерно соответствует 6000 км/ч. Однако, поскольку скорость звука зависит от температуры и плотности воздуха, точное значение гиперзвуковой скорости в километрах не является постоянным.

На скорость звука влияют следующие факторы:

• Температура: с повышением температуры скорость звука увеличивается.

• Плотность и состав среды: в воде звук распространяется быстрее, чем в воздухе, а в твердых веществах, таких как сталь, скорость еще выше.

Для авиационных расчетов используется число Маха, которое показывает отношение скорости самолета к скорости звука в конкретной среде.

Преодоление звукового барьера

Звуковой барьер — это резкое увеличение сопротивления и изменение устойчивости самолета при приближении к скорости звука. Этот термин возник во время Второй мировой войны, когда пилоты сталкивались с трудностями при попытке достичь сверхзвуковых скоростей.

На дозвуковой скорости воздушный поток обтекает крылья самолета плавно. Однако при приближении к скорости звука перед носовой частью и крыльями возникают ударные волны, что требует от самолета значительных усилий для преодоления уплотненного потока.

Для успешного преодоления звукового барьера были разработаны следующие конструктивные решения:

• Крылья с обратной стреловидностью.

• Поворотные стабилизаторы.

• Правило площадей, которое предполагает сужение фюзеляжа в области крепления крыльев.

Переход на сверхзвуковой режим

Переход самолета на сверхзвуковой режим — это сложный процесс, который начинается с достижения критического числа Маха (M_crit), когда скорость воздушного потока на поверхности крыла становится равной скорости звука. Это приводит к вибрациям и скачкам уплотнения.

Звуковой удар

Звуковой удар — это акустическое явление, напоминающее взрыв или гром, которое возникает при полете самолета на сверхзвуковой скорости. Этот эффект вызван разницей давления между носовой и хвостовой частями самолета.

Пилоты внутри кабины практически не ощущают переход на сверхзвуковой режим, так как самолет движется быстрее звуковых волн, генерируемых двигателями. Однако для людей на земле звуковой удар может быть очень громким.

Современные сверхзвуковые самолеты

В настоящее время сверхзвуковые полеты в основном используются в военной авиации. Однако есть примеры их применения и в гражданской сфере:

• Ту-144 (СССР): первый сверхзвуковой пассажирский самолет, способный развивать скорость до 2430 км/ч (2,35 Маха).

• Concorde (Великобритания/Франция): легендарный авиалайнер, выполнявший трансатлантические рейсы со скоростью до 2179 км/ч (2,04 Маха).

Современные боевые самолеты, такие как Ту-160 "Белый лебедь" (Россия) и SR-71 Blackbird (США), также могут развивать сверхзвуковую скорость.

Характеристики сверхзвуковых самолетов

Скорость сверхзвуковых самолетов зависит от их назначения и конструкции. Например:

• Ту-160М: максимальная скорость — 2200 км/ч (2,05 Маха).

• Су-35С: максимальная скорость — 2500 км/ч (2,25 Маха).

• SR-71 Blackbird: рекордная скорость — 3529 км/ч.

Боевые самолеты обычно используют сверхзвуковой режим только в режиме форсажа из-за высокого расхода топлива. Рабочий режим обычно ограничивается значениями 1,2-1,5 Маха.

Изменения при переходе на сверхзвуковой режим

При переходе на сверхзвуковой режим происходят следующие явления:

• Формирование ударных волн.

• Появление облака из-за резкого падения давления и температуры воздуха.

• Смещение аэродинамического центра.

• Нагрев конструкции из-за трения о воздушный поток.

Применение сверхзвуковой скорости

Сверхзвуковая скорость широко используется в военной авиации для перехвата, уклонения от ракет и доставки оружия. В последнее время наблюдается возрождение интереса к сверхзвуковым полетам в гражданской авиации.

NASA разрабатывает экспериментальный самолет X-59 QueSST, который сможет преодолевать звуковой барьер с минимальным уровнем звукового удара. Компания Boom Supersonic работает над лайнером Overture, способным развивать скорость до 1,7 Маха на экологичном топливе. United Airlines и American Airlines уже сделали предзаказы на этот самолет.

Сверхзвуковое оружие

Сверхзвуковая скорость — это ключевое свойство большинства современных боеприпасов. Например, пуля автомата Калашникова летит со скоростью более 2 Махов. Сверхзвуковые ракеты позволяют системам противовоздушной обороны противника реагировать с минимальным временем.

Часто задаваемые вопросы

1. Слышал ли пилот звук реактивного двигателя при полете на сверхзвуковой скорости? Да, пилот ощущает вибрации от двигателя через конструкцию самолета. Однако шум набегающего воздушного потока он не слышит полностью, поскольку самолет движется быстрее звуковых волн.

2. Почему полеты на сверхзвуковой скорости над населенными пунктами запрещены? Это связано с тем, что звуковой удар от таких полетов может быть очень громким и опасным для людей и животных. Поэтому полеты Concorde осуществлялись только над водой, а военные самолеты летают на сверхзвуковых скоростях на больших высотах или в специальных зонах.

3. Влияет ли окраска самолета на его скорость? Нет, окраска не влияет на скорость самолета. Однако цвет может влиять на аэродинамику и тепловой режим. Например, самолет SR-71 был окрашен в темно-синий цвет для улучшения маскировки и снижения теплового излучения от трения о воздух.