Будущее авиации: НАСА получило уникальные фотографии сверхзвуковых ударных волн

Специалисты NASA впервые в мире получили фотографии двух взаимодействующих ударных волн, вызванных пролётом сверхзвуковых самолётов. Ожидается, что это поможет разработать малошумный сверхзвуковой лайнер и возродить коммерческие авиарейсы на сверхзвуковых скоростях.

"Я в восторге от того, как получились эти изображения, – признаётся Джеймс Хайнек (James Heineck) из NASA. – Благодаря модернизированной системе [камер] мы на порядок улучшили как скорость [получения], так и качество наших изображений по сравнению с предыдущими исследованиями".

В рамках исследования два сверхзвуковых самолёта ВВС США T-38 летели параллельными курсами на расстоянии всего девяти метров друг от друга на высоте около восьми с половиной километров. Создаваемые ими в воздухе ударные волны встречались и взаимодействовали. В 600 метрах над ними летел самолёт-наблюдатель King Air. На съёмку у него было около трёх секунд: потом сверхзвуковые машины скрылись из поля зрения.

Модернизированная система наблюдения включала камеру с широким полем зрения, а также новую систему памяти, позволяющую делать до 1400 кадров в секунду. Кроме того, была повышена скорость загрузки данных.

Всё это позволило получить уникальные данные о взаимодействии ударных волн друг с другом и с выхлопами самолётов.

Поясним, что одной из проблем сверхзвуковой авиации является так называемый звуковой удар. Самолёт, двигаясь со сверхзвуковой скоростью, порождает в воздухе ударную волну, словно от взрыва. Даже если полёт происходит на высоте более 10 километров, наблюдатель на земле услышит грохот. Из-за этого некоторые города и страны запрещают пролёт таких самолётов над своей территорией.

(К слову, распространено заблуждение, будто грохот возникает в момент "преодоления звукового барьера", то есть перехода с дозвуковой скорости на сверхзвуковую. На самом деле ударная волна генерируется каждую секунду полёта на сверхзвуковых скоростях).

Сверхзвуковая скорость Т-38 оставляла самолёту-наблюдателю всего три секунды на съёмку.

Иллюстрация NASA.

В настоящее время в США разрабатывается сверхзвуковой лайнер X-59 QueSST. Планируется, что он не будет создавать сверхзвукового удара и нарушать сон мирных граждан. Чтобы этого достичь, нужно детально изучить физику создаваемых самолётами ударных волн, и здесь полученные снимки могут сослужить хорошую службу.

Поясним, чем сверхзвуковые полёты принципиально отличаются от дозвуковых. Если щёлкнуть пальцем по стенке стакана, в ней возникнут механические колебания (звуковая волна). Распространяясь по стеклу, они достигнут воздуха, а по воздуху – нашего уха, и мы услышим звон.

Энергия, которую мы потратили на щелчок, распространяется сквозь вещество в виде звуковой волны, а значит, со скоростью звука. Это именно та скорость, с которой среда проводит переданную ей механическую энергию.

В сверхзвуковом полёте, в отличие от дозвукового, летательный аппарат врезается в воздух быстрее, чем тот успевает проводить переданную ему механическую энергию. Из-за этого радикально меняется вся картина взаимодействия самолёта и воздуха. В частности, резко возрастает сопротивление последнего и появляется ударная волна.

Всё это требует большего расхода топлива, особой подготовки пилотов и так далее. В конечном счёте каждый из этих факторов отражается на цене билета. К тому же полёт за звуковым барьером требует специального дизайна фюзеляжа. Так, у знаменитого "Конкорда" он был очень узким, что, конечно же, не способствовало комфорту пассажиров.

Полученные данные должны помочь в разработке малошумного сверхзвукового пассажирского лайнера X-59 QueSST.

Иллюстрация NASA.

Все эти трудности привели к тому, что до сей поры серийно выпускались только два сверхзвуковых пассажирских лайнера. Это советский Ту-144, эксплуатировавшийся с 1975 по 1978 год, и уже упоминавшийся французский "Конкорд", летавший с 1976 по 2003 год. Да и серийность эта была скромной: у "Конкорда", например, с конвейера сошло всего 16 экземпляров, не считая опытных и предсерийных версий. Для сравнения: "рабочая лошадка" пассажирской авиации "Боинг-737" произведён в количестве более 10 тысяч машин и производится до сих пор.

С 2003 года в воздух не поднимался ни один сверхзвуковой пассажирский лайнер. Полёты на этих скоростях осуществляют только военные самолёты.

Теперь авиаконструкторам предстоит "преодолеть звуковой барьер" ещё раз: сделать сверхзвуковые пассажирские перелёты не только возможными, но и коммерчески эффективными. И тогда Атлантический океан снова можно будет пересечь за три часа.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже рассказывали о проектах сверхзвуковых пассажирских лайнеров США и России. Также мы рассказывали о проектах гиперзвуковых военных самолётов.