Как сверхзвук влияет на самолеты и человека?

Многие наверняка слышали этот сильный хлопок, от которого могут и стекла дрожать в окнах. Подобная «неприятность» всегда сопровождает самолет, преодолевающий скорость звука. Так что же происходит в реальности и откуда берется «мини-взрыв»?


На сегодня источники подобного явления – военные самолеты и ракеты, способные летать со скоростью более 1191,6 км/ ч или 331 м/с: именно так распространяется звук в воздушной среде. Как летательный аппарат преодолевает этот барьер? Машина взлетает и начинает разгоняться: в полете вокруг нее образуется воздушный поток, сначала плавно обтекающий фюзеляж, крылья и оперение. По мере увеличения скорости перед носом самолета (а также и другими элементами конструкции) резко уплотняется воздух и образуется ударная волна. Причем, зачастую не одна: их может быть несколько.

Если говорить о визуальном восприятии, то это «облачный конус», который хорошо видно вокруг самолета в тот самый момент преодоления порога скорости. Воздушная волна, удаляясь от машины, превращается в звуковую из-за изменения давления. Громкий хлопок будет в определенной точке земной поверхности. При этом наблюдатель сначала услышит «микровзрыв» и только потом гул авиадвигателя.

Первый сверхзвуковой полет

Его совершил американский летчик – капитан ВВС Чак Йегер. Это случилось 14.10.1947. Чтобы добиться нужного результата, стартовать пришлось из …бомболюка специально приспособленного для такой операции B-29 (позже его переименовали в ЕВ-29А). Самолет, на котором был впервые преодолен звуковой барьер, пилот назвал в честь супруги – Glamorous Glennis (сейчас машина в музее).


В Советском Союзе, тогда разоренного войной, подобное достижение зафиксировано 26.12.1948 на истребителе, в составе экипажа которого были пилоты Федоров и Соколовский. Они спускались с высоты в 10 км, разгонялись и выходили на эшелон в 6 тыс. м. В январе следующего года на истребителе Ла-176, получившего новый движок ВК-1 было достигнуто 1,02 Маха (все официально зарегистрировано!).


Странно, однако максимальная скорость летательного аппарата была меньше звуковой на 1 %. Если же брать гражданские воздушные суда, то первым стал Douglas DC-8, достигший скорости в 1,012 Маха (1262 км/ч) 21.08.1961 в ходе испытаний, связанных с проектированием крыльев. Еще один рекорд зафиксирован при полете российской баллистической ракеты, развившей на высоте в 31200 м 6389 км/ч.


А как обстоят дела с преодолением звукового барьера на земле? Тут тоже есть свои рекордсмены: ровно через полвека после достижения Чака Йегера Энди Грин из Великобритании на автомобиле смог двигаться со скоростью более 1200 км/ч. Но и этого человеку показалось мало! Уж очень ему хотелось испытать, что чувствует своим телом Homo Sapiens без присутствия всякой там техники. Джо Киттенгер превысил скорость 1200 км/ч в свободном падении с высоты в 31500 м.



Уже в современной, новейшей истории 14.10.2012 Ф. Баумгартнер «упал» с высоты 39 км. При «полете» он достиг скорости 1342,8 км/ч, что и зафиксировали надетые на него приборы.

Проблемы с самолетами при переходе на сверхзвук

Обычное воздушное судно имеет плавные, даже округленные формы, которые перестают должным образом «работать» при переходе на скорость более 1200 км/ч. После преодоления звукового барьера резко увеличивается сопротивление воздуху, корпус самолета (обшивка) из-за повышающегося трения, начинает сильно нагреваться (температура достигает +300°!). В итоге машина, не рассчитанная на полеты с такой скоростью, плохо управляется, ее конструкция подвергается серьезным нагрузкам: самолет рискует просто разрушиться в воздухе.

Гражданские сверхзвуковые лайнеры

Конечно же, это англо-французский «Конкорд» и советский Ту-144. Интересно, что американцы тоже разрабатывали свой пассажирский сверхзвуковой самолет. Однако, оценив все экономические минусы на примере упомянутой выше «парочки», в США проект так и не был реализован. А Concord и Ту-144 так и не «выдали» «потомства»: в конечном итоге машины перестали летать.


Причины банальны: при быстром преодолении расстояний выявились серьезные минусы, из-за которых подобные машины в гражданской авиации пока перестали выпускать серийно:

✅ высокий расход топлива
✅ сильный шум на аэродромах и в близлежащей местности при взлете, посадке
✅ возникновение ударной волны
✅ высокая стоимость техобслуживания

А вот в военной сфере от сверхзвуковых машин не отказались: их и сегодня достаточно много в любой солидной армии любого государства.

Особенности конструкции сверхзвуковых машин

В первую очередь все они оснащаются достаточно мощным двигателем. Внешний облик самолета тоже становится не похожим на обычные дозвуковые летательные аппараты. Это выражается в более острых кромках, углах, стреловидном крыле.


Ярким примером может служить истребитель МиГ-21, развивающий на высоте до 2230 км/ч. Что касается гражданских лайнеров, можно вспомнить острый и смотрящий вниз нос Ту-144: при наборе скорости «передок» выпрямляется, чтобы уменьшить сопротивление воздушному потоку. Да и крылья многих современных самолетов, рассчитанных на сверхзвуковую скорость, при переходе на нее становятся стреловидными. А если предстоят длительные полеты, плоскости делают как можно тоньше и прочнее.


Однако стреловидное крыло имеет существенный минус – малая подъемная сила. А как это компенсировать? Есть два варианта. Первый – крыло т. н. оживальной формы: имеется в виду наплыв рядом с фюзеляжем для получения спирального завихрения, которое и обеспечивает дополнительную подъемную силу. Второй вариант можно увидеть на современном российском SSJ-100 (хотя он и не летает на скорости в 1200 км/ч): это сверхкритическое крыло. От обычного оно отличается специальным профилем с изогнутой тыльной частью. Такое техническое решение задерживает возникновение волнового кризиса, что дает экономию топлива для аппарата, летающего в дозвуковом режиме.



И еще одна характерная особенность сверхзвуковых лайнеров, которая бросается в глаза – увеличенная площадь хвостового оперения.

Необычные происшествия с преодолением сверхзвука

Такое случилось с «классическим» «Бонг-747» 19.02.1985, когда судно, принадлежащее китайскому авиаперевозчику China Airlines, летело из Тайваня в Лос-Анджелес. Однако, не долетев по пути 500 км до Сан-Франциско, самолет из-за отказа одного из двигателей свалился в пикирование с высоты в 12,5 км. Позже (в соответствии с зафиксированными показаниями приборов) было выяснено: в эти моменты падающая машина преодолела скорость звука. Экипаж сумел выровнять машину чуть ли не у самой земли: на 2,9 км. При «падении» перегрузки превышали 5,1g: самолет совсем не рассчитан на подобное: у него частично разрушилось хвостовое оперение. Тем не менее, «Боинг» сумел благополучно приземлиться: от травм пострадало только два человека.


Тем не менее тема сверхзвуковых пассажирских самолетов сегодня совсем даже не закрыта: попытки в этом направлении продолжаются. Правда, пока все ограничивается разработкой бизнес-джетов. А что будет дальше – посмотрим!