Звуковой барьер в аэродинамике - название ряда явлений, сопровождающих движение летательного аппарата (например, сверхзвукового самолёта, ракеты) на скоростях, близких к скорости звука или превышающих её.

При обтекании сверхзвуковым газовым потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли мм), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока - его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (5 и выше Махов) температура газа достигает нескольких тысяч градусов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт двигается быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте - самолёт летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км) не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:
«Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с еще большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своем „Мустанге“ спикировал на Me-109. Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трехстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…».

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

Исторические факты

* Первым пилотом, достигшим сверхзвуковой скорости в управляемом полёте, стал американский лётчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолёте Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11) достигший в пологом пикировании скорости М=1.06. Это произошло 14 октября 1947 года.
* В СССР звуковой барьер впервые был преодолён 26 декабря 1948 года Соколовским, а потом и Фёдоровым, в полётах со снижением на опытном истребителе Ла-176.
* Первым гражданским самолётом, преодолевшим звуковой барьер, стал пассажирский лайнер Douglas DC-8. 21 августа 1961 г. он достиг скорости 1.012 М или 1262 км/ч в ходе управляемого пике с высоты 12496 м. Полёт предпринимался с целью собрать данные для проектирования новых передних кромок крыла.
* 15 октября 1997 года, спустя 50 лет после преодоления звукового барьера на самолёте, англичанин Энди Грин преодолел звуковой барьер на автомобиле Thrust SSC.
* 14 октября 2012 года Феликс Баумгартнер стал первым человеком, преодолевшим звуковой барьер без помощи какого-либо моторизированного транспортного средства, в свободном падении во время прыжка с высоты 39 километров. В свободном падении он достиг скорости 1342,8 километра в час.

Фото:
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-18-diamondback_blast.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonic_boom_cloud.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:F-14D_Tomcat_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:B-1B_Breaking_the_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Transonic_Vapor_F-16_01.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18F_Breaking_SoundBarrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supersonic_aircraft_breaking_sound_barrier.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA18_faster_than_sound.jpg
* http://commons.wikimedia.org/wiki/File:FA-18_Super_Hornet_VFA-102.jpg
* http://it.wikipedia.org/wiki/File:F-22_Supersonic_Flyby.jpg

Правообладатель иллюстрации SPL

О впечатляющих фотографиях реактивных истребителей в плотном конусе водяного пара часто говорят, что это, мол, самолет преодолевает звуковой барьер. Но это ошибка. Обозреватель рассказывает об истинной причине феномена.

Это эффектное явление неоднократно запечатлевали фотографы и видеооператоры. Военный реактивный самолет проходит над землей на большой скорости, несколько сотен километров в час.

По мере того как истребитель ускоряется, вокруг него начинает формироваться плотный конус конденсата; создается впечатление, что самолет - внутри компактного облака.

Будоражащие фантазию подписи под такими фотографиями зачастую утверждают, что перед нами - визуальное свидетельство звукового удара при выходе самолета на сверхзвуковую скорость.

На самом деле, это не совсем так. Мы наблюдаем так называемый эффект Прандтля-Глоерта - физическое явление, возникающее при приближении самолета к скорости звука. С преодолением звукового барьера оно не связано.

• Другие статьи сайта BBC Future на русском языке

По мере развития авиастроения аэродинамические формы становились все более обтекаемыми, а скорость летательных аппаратов неуклонно росла – самолеты начали делать с окружающим их воздухом такие вещи, на которые не были способны их более тихоходные и громоздкие предшественники.

Загадочные ударные волны, формирующиеся вокруг низколетящих самолетов по мере приближения к скорости звука, а затем и преодоления звукового барьера, свидетельствуют о том, что воздух на таких скоростях ведет себя весьма странным образом.

Так что же это за таинственные облака конденсата?

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption Эффект Прандтля-Глоерта наиболее ярко выражен при полетах в теплой, влажной атмосфере

По словам Рода Ирвина, председателя аэродинамической группы Королевского общества воздухоплавания, условия, при которых возникает конус пара, непосредственно предшествуют преодолению самолетом звукового барьера. Однако фотографируют это явление обычно на скоростях чуть меньше скорости звука.

Приземные слои воздуха плотнее, чем атмосфера на больших высотах. При полетах на малых высотах возникает повышенные трение и лобовое сопротивление.

Кстати, летчикам запрещено преодолевать звуковой барьер над сушей. "Выходить на сверхзвук можно над океаном, но не над твердой поверхностью, - объясняет Ирвин. - Между прочим, это обстоятельство было проблемой для сверхзвукового пассажирского лайнера Concorde - запрет ввели уже после ввода его в эксплуатацию, и экипажу разрешалось развивать сверхзвуковую скорость только над водной поверхностью".

Более того, визуально зарегистрировать звуковой удар при выходе самолета на сверхзвук чрезвычайно трудно. Невооруженным глазом его не увидеть - только при помощи специального оборудования.

Для фотографирования моделей, продуваемых на сверхзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, обычно используют специальные зеркала, чтобы засечь разницу в отражении света, вызванную формированием ударной волны.

Правообладатель иллюстрации Getty Image caption При перепаде воздушного давления температура воздуха понижается, и содержащаяся в нем влага превращается в конденсат

Фотографии, полученные так называемым шлирен-методом (или методом Теплера), используют для визуализации ударных волн (или, как их еще называют, скачков уплотнения), образующихся вокруг модели.

В ходе продувок вокруг моделей не создаются конусы конденсата, поскольку используемый в аэродинамических трубах воздух предварительно осушается.

Конусы водяного пара связаны со скачками уплотнения (а их несколько), формирующимися вокруг самолета по мере набора им скорости.

Когда скорость летательного аппарата приближается к скорости звука (около 1234 км/ч на уровне моря), в обтекающем его воздухе возникает перепад местного давления и температуры.

Как следствие, воздух теряет способность удерживать влагу, и формируется конденсат в форме конуса, как на этом видео .

"Видимый конус пара вызван скачком уплотнения, при котором возникает перепад давления и температуры окружающего самолет воздуха", - говорит Ирвин.

На многих из самых удачных фотографий этого явления запечатлены самолеты ВМС США - и это неудивительно, учитывая, что теплый, влажный воздух у поверхности моря, как правило, способствует более яркому проявлению эффекта Прандтля-Глоерта.

Такие трюки часто проделывают истребители-бомбардировщики F/A-18 Hornet – это основной тип самолетов палубного базирования американской морской авиации.

Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Скачок уплотнения при выходе самолета на сверхзвук трудно обнаружить невооруженным глазом

На таких же боевых машинах летают члены пилотажной группы ВМС США Blue Angels, мастерски выполняющие маневры, при которых вокруг самолета образуется конденсационное облако.

Из-за зрелищности явления его нередко используют в целях популяризации морской авиации. Летчики намеренно маневрируют над морем, где условия для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта наиболее оптимальны, а поблизости наготове дежурят профессиональные флотские фотографы - ведь сделать четкий снимок реактивного самолета, летящего со скоростью 960 км/ч, на обычный смартфон невозможно.

Наиболее эффектно конденсационные облака выглядят на так называемом трансзвуковом-режиме полета, когда воздух частично обтекает самолет на сверхзвуковой скорости, а частично - на дозвуковой.

"Самолет при этом необязательно летит на сверхзвуковой скорости, но воздух обтекает верхнюю поверхность его крыла с большей скоростью, чем нижнюю, что приводит к местному скачку уплотнения", - говорит Ирвин.

По его словам, для возникновения эффекта Прандтля-Глоерта необходимы определенные климатические условия (а именно - теплый и влажный воздух), с которыми истребители палубной авиации сталкиваются чаще других самолетов.

Все, что вам остается сделать, - попросить об услуге профессионального фотографа, и - вуаля! - ваш самолет запечатлели в окружении эффектного облака водяного пара, которое многие из нас ошибочно принимают за признак выхода на сверхзвук.

• Прочитать можно на сайте

14 октября 1947 года человечество преодолело очередной рубеж. Рубеж вполне объективный, выражающийся в конкретной физической величине — скорости звука в воздухе, которая в условиях земной атмосферы находится в зависимости от её температуры и давления в пределах 1100–1200 км/ч. Сверхзвуковая скорость покорилась американскому пилоту Чаку Йегеру (Charles Elwood «Chuck» Yeager) — молодому ветерану Второй мировой, обладавшему незаурядной отвагой и отменной фотогеничностью, благодаря чему он немедленно стал популярен у себя на родине так же, как спустя 14 лет — Юрий Гагарин .

А отвага для перехода через звуковой барьер действительно требовалась. Советский пилот Иван Федоров , повторивший достижение Йегера год спустя, в 1948 году, вспоминал тогдашние свои ощущения : «Перед полетом на преодоление звукового барьера стало очевидным, что гарантии выжить после него нет никакой. Никто не знал практически, что это такое и выдержит ли конструкция самолета напор стихии. Но об этом старались не думать».

Действительно, полной ясности относительно того, как себя поведет машина на сверхзвуковой скорости, не было. У авиаконструкторов были ещё свежи в памяти воспоминания о внезапной напасти 30-х годов, когда с ростом скоростей самолетов пришлось срочно решать проблему флаттера — автоколебаний, возникающих как в жестких конструкциях самолета, так и в его обшивке, в считанные минуты разрывающих самолет на части. Процесс развивался лавинообразно, стремительно, пилоты не успевали изменить режим полета, и машины рассыпались в воздухе на части. Довольно долго математики и конструкторы в различных странах бились над решением этой проблемы. В конце концов теорию явления создал тогда ещё молодой российский математик Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978), впоследствии президент АН СССР. С помощью этой теории удалось найти способ навсегда избавиться от неприятного явления.

Вполне понятно, что столь же неприятных сюрпризов ожидали и от звукового барьера. Численное решение сложных дифференциальных уравнений аэродинамики в отсутствие мощных вычислительных машин было невозможно, и приходилось полагаться на «продувку» моделей в аэродинамических трубах. Но из качественных соображений было ясно, что при достижении скорости звука вблизи самолета возникает ударная волна. Наиболее ответственный момент — преодоление звукового барьера, когда скорость самолета сравнивается со скоростью звука. В этот момент разность давлений по разные стороны фронта волны быстро нарастает, и если момент продлится дольше мгновения, самолет может развалиться не хуже чем от флаттера. Порой при преодолении звукового барьера с недостаточным ускорением созданная самолетом ударная волна даже вышибает стекла из окон домов на земле под ним.

Отношение скорости самолета к скорости звука называют числом Маха (по имени знаменитого немецкого механика и философа Эрнста Маха). При прохождении звукового барьера пилоту кажется, что число М перескакивает через единицу скачкообразно: Чак Йегер увидел, как стрелка махометра скакнула с 0,98 на 1,02, после чего в кабине наступила «божественная» тишина — на самом деле, кажущаяся: просто уровень звукового давления в кабине самолета падает в несколько раз. Этот момент «очищения от звука» очень коварен, он стоил жизни многим испытателям. Но опасность развалиться для его самолета Х-1 была невелика.

Самолет Х-1 , изготовленный компанией Bell Aircraft в январе 1946 года, был чисто исследовательским летательным аппаратом, предназначенным для покорения звукового барьера и ни для чего более. Несмотря на то что машина была заказана министерством обороны, вместо оружия её нашпиговали научной аппаратурой, отслеживающей режимы работы узлов, приборов и механизмов. Х-1 походил на современную крылатую ракету. Имел один ракетный двигатель Reaction Motors тягой 2722 кГ. Максимальный взлетный вес — 6078 кг. Длина — 9,45 м, высота — 3,3 м, размах крыльев — 8,53 м. Максимальная скорость — на высоте 18290 м 2736 км/ч. Машина запускалась со стратегического бомбардировщика В-29 , а приземлялась на стальные «лыжи» на высохшем соляном озере.

Не менее впечатляют и « тактико-технические параметры» её пилота. Чак Йегер родился 13 февраля 1923 года. После школы пошел в летное училище, и после его окончания отправился воевать в Европу . Сбил один Мессершмит-109 . Сам был сбит в небе Франции , но его спасли партизаны. Как ни в чем не бывало вернулся на базу в Англию . Однако бдительная служба контрразведки, не поверив чудесному избавлению от плена, отстранила пилота от полетов и направила его в тыл. Честолюбивый Йегер добился приема у главнокомандующего союзными войсками в Европе генерала Эйзенхауэра, который Йегеру поверил. И не ошибся — молодой пилот за полгода, остававшиеся до окончания войны, совершил 64 боевых вылета, сбил 13 вражеских самолетов, причем 4 в одном бою. И вернулся на родину в звании капитана с прекрасным досье, в котором значилось, что он обладает феноменальной летной интуицией, невероятным хладнокровием и удивительной выдержкой в любой критической ситуации. Благодаря такой характеристике он попал в команду испытателей-сверхзвуковиков, которых отбирали и готовили столь же тщательно, как впоследствии — астронавтов.

Переименовав Х-1 в «Пленительную Гленис» (Glamorous Glennis) в честь своей жены, Йегер не единожды устанавливал на нем рекорды. В конце октября 1947 года пал прежний рекорд высоты — 21 372 м. В декабре 1953 года новая модификация машины — X-1A развила скорость 2,35 М — почти 2800 км/ч, а полгода спустя поднялась на высоту 27 430 м. А до того были испытания ряда запускавшихся в серию истребителей и обкатка нашего МиГ-15 , захваченного и переправленного в Америку во время корейской войны. Впоследствии Йегер командовал различными испытательными подразделениями ВВС как в США , так и на американских базах в Европе и Азии, принимал участие в боевых действиях во Вьетнаме , тренировал пилотов. В отставку он вышел в феврале 1975 года в звании бригадного генерала, налетав за время доблестной службы 10 тыс. часов, обкатав 180 различных сверхзвуковых моделей и собрав уникальную коллекцию орденов и медалей. В середине 80-х годов был снят фильм, основанный на биографии бравого парня, первым в мире покорившего звуковой барьер, и после этого Чак Йегер стал даже не героем, а общенациональной реликвией. В последний раз он сел за штурвал F-16 14 октября 1997 года и преодолел звуковой барьер на пятидесятую годовщину своего исторического полета. Было Йегеру тогда 74 года. В общем, как сказал поэт, гвозди бы делать из этих людей.

Таких людей немало и по другую сторону океана… Советские конструкторы начали примеряться к покорению звукового барьера одновременно с американскими. Но для них это было не самоцелью, а актом вполне прагматичным. Если Х-1 был сугубо исследовательской машиной, то у нас звуковой барьер штурмовали на прототипах истребителей, которые предполагалось запустить в серию для укомплектования ими частей ВВС.

В соревнование включились несколько конструкторских бюро — ОКБ Лавочкина , ОКБ Микояна и ОКБ Яковлева , — в которых параллельно разрабатывались самолеты со стреловидным крылом, что тогда было революционным конструктивным решением. К сверхзвуковому финишу они пришли в таком порядке: Ла-176 (1948), МиГ-15 (1949), Як-50 (1950). Однако там проблема решалась в довольно сложном контексте: военная машина должна обладать не только высокой скоростью, но и множеством иных качеств — маневренность, живучесть, минимальное время предполетной подготовки, мощное вооружение, внушительный боекомплект и т.д. и т.п. Следует отметить и то, что в советские времена на решение государственных приемочных комиссий зачастую влияли не только объективные факторы, но и субъективные моменты, связанные с политическими маневрами разработчиков. Вся эта совокупность обстоятельств привела к тому, что в серию был запущен истребитель МиГ-15 , который прекрасно показал себя на локальных аренах военных действий 50-х годов. Именно эту машину, захваченную в Корее, как было выше сказано, «объезжал» Чак Йегер.

В Ла-176 была применена рекордная по тем временам стреловидность крыла, равная 45 градусам. Турбореактивный двигатель ВК-1 обеспечивал тягу в 2700 кГ. Длина — 10,97 м, размах крыльев — 8,59 м, площадь крыла 18,26 кв.м. Взлетная масса — 4636 кг. Потолок — 15 000 м. Дальность полета — 1000 км. Вооружение — одна 37-мм пушка и две 23-мм. Машина была готова осенью 1948 года, в декабре начались её летные испытания в Крыму на военном аэродроме близ города Саки . Среди тех, кто руководил испытаниями, был и будущий академик Владимир Васильевич Струминский (1914–1998), пилотами экспериментального самолета были капитан Олег Соколовский и полковник Иван Федоров, получивший впоследствии звание Героя Советского Союза. Соколовский по нелепой случайности погиб во время четвертого полета, забыв закрыть фонарь кабины.

Звуковой барьер полковник Иван Федоров преодолел 26 декабря 1948 года. Поднявшись на высоту 10 тыс. метров, он отклонил ручку управления от себя и начал разгоняться на пикировании. «С большой высоты разгоняю свой 176-й, — вспоминал пилот . — Слышен нудный негромкий свист. Наращивая скорость, самолет мчится к земле. На шкале махометра стрелка с трехзначных цифр переходит на четырехзначные. Самолет дрожит, словно в лихорадке. И вдруг — тишина! Взят звуковой барьер. Последующая расшифровка осциллограмм показала, что число М перевалило за единицу». Произошло это на высоте 7 000 метров, где была зафиксирована скорость 1,02М.

В дальнейшем скорость пилотируемых самолетов продолжала неуклонно наращиваться за счет увеличения мощности двигателей, применения новых материалов и оптимизации аэродинамических параметров. Однако этот процесс не безграничен. С одной стороны, он тормозится соображениями рациональности, когда учитывается расход топлива, стоимость разработки, безопасность полета и прочие не праздные соображения. И даже в военной авиации, где деньги и безопасность пилота не столь уж и значимы, скорости наиболее «шустрых» машин находятся в диапазоне от 1,5М до 3М. Больше как будто бы не требуется. (Рекорд скорости для пилотируемых аппаратов с реактивными двигателями принадлежит американскому самолету-разведчику SR-71 и составляет 3,2М.)

С другой стороны, существует непреодолимый тепловой барьер: при определенной скорости нагревание корпуса машины трением о воздух происходит настолько быстро, что невозможно отведение тепла с его поверхности. Расчеты показывают, что при нормальном давлении это должно происходить на скорости порядка 10М.

Тем не менее предел в 10М все-таки был достигнут все на том же полигоне Эдвардс. Произошло это в 2005 году. Рекордсменом стал беспилотный ракетный самолет Х-43А, изготовленный в рамках 7-летней грандиозной программы Hiper-X по отработке технологий нового типа, призванных радикально изменить облик ракетно-космической техники будущего. Его стоимость составляет $230 млн. Рекорд был установлен на высоте 33 тыс. метров. В беспилотнике использована новая система разгона. Вначале отрабатывает традиционная твердотопливная ракета, с помощью которой Х-43А достигает скорости 7М, а затем включается двигатель нового типа — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД, или скрамджет), в котором в качестве окислителя используется обычный атмосферный воздух, а топливом является газообразный водород (прямо-таки классическая схема неуправляемого взрыва).

В соответствии с программой были изготовлены три беспилотных модели, которые после выполнения задания были утоплены в океане. Следующий этап предполагает создание пилотируемых машин. После их испытания полученные результаты будут учтены при создании самых разнообразных «полезных» аппаратов. Помимо летательных аппаратов для нужд NASA будут создаваться гиперзвуковые военные машины — бомбардировщики, разведчики и транспортники. Boeing, которая принимает участие в программе Hiper-X , планирует к 2030–2040 годам создать гиперзвуковой авиалайнер на 250 пассажиров. Вполне понятно, что иллюминаторов, которые на таких скоростях ломают аэродинамику и не выдерживают теплового нагрева, в нем не будет. Вместо иллюминаторов предполагаются экраны с видеозаписью проплывающих облаков.

Сомневаться не приходится, этот вид транспорта будет востребован, поскольку чем дальше, тем больше дорожает время, вмещающее все больше и больше в единицу времени эмоций, заработанных долларов и прочих компонентов современной жизни. В связи с этим не приходится сомневаться и в том, что когда-нибудь люди превратятся в бабочек-однодневок: один день будет насыщен как вся нынешняя (скорее — уже вчерашняя) человеческая жизнь. И можно предположить, что кто-то или что-то реализует в отношении человечества программу Hiper-X .

Или превышающих её.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Как САМОЛЕТ преодолевает ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР

Полет в "космос" на самолете U-2 / Вид из кабины пилота

Звуковой барьер. Полеты на сверхзвуковой скорости.

Субтитры

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

Сэр, наши самолёты уже сейчас очень строги. Если появятся машины с ещё большими скоростями, мы не сможем летать на них. На прошлой неделе я на своём «Мустанге» спикировал на Me-109 . Мой самолёт затрясся, словно пневматический молоток, и перестал слушаться рулей. Я никак не мог вывести его из пике. Всего в трёхстах метрах от земли я с трудом выровнял машину…

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки - скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son , нем. Schallmauer - звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

При дозвуковом обтекании фюзеляжа, крыла и оперения самолёта на выпуклых участках их обводов возникают зоны местного ускорения потока . Когда скорость полёта летательного аппарата приближается к звуковой, местная скорость движения воздуха в зонах ускорения потока может несколько превысить скорость звука (рис. 1а). Миновав зону ускорения, поток замедляется, с неизбежным образованием ударной волны (таково свойство сверхзвуковых течений: переход от сверхзвуковой скорости к дозвуковой всегда происходит разрывно - с образованием ударной волны). Интенсивность этих ударных волн невелика - перепад давления на их фронтах мал, но они возникают сразу во множестве, в разных точках поверхности аппарата, и в совокупности они резко меняют характер его обтекания, с ухудшением его лётных характеристик: подъёмная сила крыла падает, воздушные рули и элероны теряют эффективность, аппарат становится неуправляемым, и всё это носит крайне нестабильный характер, возникает сильная вибрация . Это явление получило название волнового кризиса . Когда скорость движения аппарата становится сверхзвуковой ( > 1), течение вновь становится стабильным, хотя его характер изменяется принципиально (рис. 1б).

Рис. 1а. Аэрокрыло в близком к звуковому потоке.	Рис. 1б. Аэрокрыло в сверхзвуковом потоке.

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад, в результате чего нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса - попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй мировой войны с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109 , волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700-750 км/ч. В то же время, реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Следует также отметить, что самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности - треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем .

• на дозвуковых скоростях полёта следует избегать скоростей, при которых начинается волновой кризис (эти скорости зависят от аэродинамических характеристик самолёта и от высоты полёта);
• переход с дозвуковой скорости на сверхзвуковую реактивными самолётами должен выполняться насколько возможно быстрее, с использованием форсажа двигателя, чтобы избежать длительного полёта в зоне волнового кризиса.

Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

В полётах со снижением на опытном истребителе

Впрочем, обо всем по порядку. Впервые звуковой барьер преодолел американский летчик-испытатель Чак Йегер на экспериментальном самолете Bell X-1 (с прямым крылом и ракетным двигателем XLR-11). Это случилось семьдесят с лишним лет назад - в 1947 году. Ему удалось разогнаться быстрее скорости звука, направив самолет в пологое пикирование. Спустя год это же удалось и советским летчикам-испытателям Соколовскому и Федорову на экспериментальном, существовавшем в единственном экземпляре истребителе Ла-176.

Это были сложные для авиации времена. Летчики буквально по крупицам собирали опыт, каждый раз рискуя жизнями, чтобы узнать, возможны ли полеты на скоростях выше одного Маха. Флаттер крыла, волновое сопротивление унесли не одну жизнь, до того как конструкторы научились бороться с этими явлениями.

Все дело в том, что при преодолении скорости звука резко возрастает аэродинамическое сопротивление и растет кинетический нагрев конструкции от трения набегающего воздушного потока. Кроме того, в этот момент фиксируется смещение аэродинамического фокуса, что ведет к утрате устойчивости и управляемости самолета.

Спустя 12 лет серийные сверхзвуковые истребители МиГ-19 уже охотились за американскими самолетами-шпионами, а еще ни один гражданский самолет не попытался превысить скорость звука. Это произошло лишь 21 августа 1961 года: пассажирский самолет Douglas DC-8, упав в пике, разогнался до 1,1 Маха. Полет был экспериментальным, с целью собрать больше информации об поведении машины на таких скоростях.

Спустя еще некоторое время в воздух поднялись советский Ту-144 и британо-французский «Конкорд». Практически одновременно: наша машина чуть раньше, 31 декабря 1968 года, а европейская - в марте 1969-го. А вот по объему перевезенных пассажиров за все время эксплуатации моделей капиталисты нас сильно перещеголяли. Если на счету Ту-144 всего чуть больше 3000 пассажиров, то «Конкорды», работая до 2003 года, перевезли более 2,5 миллиона человек. Впрочем, и это не помогло проекту. В конечном счете он был закрыт, очень некстати оказалась и громкая катастрофа под Парижем, в которой никакой вины сверхзвукового самолета не было.

Три ответа «нет»

В качестве железной причины бесперспективности коммерческих сверхзвуковых самолетов обычно приводятся три довода - слишком дорого, слишком сложно, слишком громко. И действительно, каждый, кто наблюдал полет реактивного сверхзвукового военного самолета, никогда не забудет ощущение удара по ушам и того дикого грохота, с которым мимо тебя пролетает самолет на сверхзвуке.

К слову, звуковой удар это не одномоментное явление, он сопровождает самолет по всему пути следования, все время, когда скорость летательного аппарата выше скорости звука. Сложно спорить и с тем, что топлива реактивный самолет потребляет столько, что, кажется, проще его сразу заправлять банкнотами.

Говоря о современных проектах сверхзвукового пассажирского самолета в первую очередь нужно ответить на каждый из этих вопросов. Только в этом случае можно надеяться на то, что все существующие проекты окажутся не мертворожденными.

Звук

Конструкторы решили начать со звука. За последние годы появилось много научных работ, доказывающих, что определенная форма фюзеляжа и крыльев может снизить количество ударных волн, создаваемых самолетом, и уменьшить их интенсивность. Подобное решение потребовало полной переработки корпусов, многократной компьютерной проработки моделей и нескольких тысяч часов продувки будущих самолетов в аэротрубе.

Основные проекты, работающие над аэродинамикой самолета будущего, это QueSST от специалистов из NASA и японская разработка D-SEND-2, создаваемая под эгидой местного Агентства аэрокосмических исследований JAXA. Оба эти проекта ведутся уже несколько лет, планомерно подбираясь к «идеальной» для сверхзвуковых полетов аэродинамике.

Предполагается, что новые сверхзвуковые пассажирские самолеты будут создавать не резкий и жесткий звуковой удар, а гораздо более приятные уху мягкие звуковые пульсации. То есть будет, конечно, все равно громко, но не «громко и больно». Еще одним способом решения проблемы звукового барьера стало уменьшение размеров самолета. Почти все разработки, ведущиеся в настоящее время, - это небольшие летательные аппараты, способные на перевозку 10-40 пассажиров максимум.

Однако есть и в этом вопросе компании-выскочки. В сентябре прошлого года бостонская авиакомпания Spike Aerospace объявила о том, что у них уже практически готова модель сверхзвукового пассажирского самолета S-512 Quiet Supersonic Jet. Предполагается, что летные испытания начнутся уже в 2018 году, а первый самолет с пассажирами на борту стартует не позже конца 2023 года.

Еще более дерзким оказалось заявление создателей, что со звуком проблема практически решена и первые испытания покажут это. Думается, что специалисты из NASA и JAXA, потратившие на решение этой проблемы много лет, будут следить за испытаниями более чем внимательно.

Также существует еще одно интересное решение проблемы звука - это преодоление звукового барьера самолетом при практически вертикальном взлете. В таком случае действие ударных волн окажется слабее, а после набора высоты в 20-30 тысяч метров об этой проблеме можно будет забыть - слишком далеко от Земли.

Двигатели

Работа над двигателями для будущих сверхзвуковых самолетов тоже не прекращается. Даже дозвуковые двигатели за последние годы смогли прилично прибавить в мощности и экономичности за счет внедрения специальных редукторов, керамических материалов и введения дополнительного воздушного контура.

Со сверхзвуковыми самолетами все немного сложнее. Дело в том, что при современном уровне технологического развития турбореактивные двигатели способны достигать максимальной скорости в 2,2 Маха (около 2500 километров в час), для достижения же большей скорости требуется использовать прямоточные двигатели, способные разогнать летательный аппарат до гиперзвуковых скоростей (более 5 чисел Маха). Впрочем, это - пока что - скорее фантастика.

По словам разработчиков, им удается уже в настоящее время достигнуть себестоимости полета на 30 процентов меньшей, чем у «Конкорда», даже при небольшом количестве пассажиров. Такие данные обнародовал стартап Boom Technologies в 2016 году. По их мнению, билет по маршруту Лондон-Нью-Йорк будет стоить около $ 5000, что сопоставимо с ценой за билет при полете первым классом на обычном, дозвуковом самолете.