Когда самолет преодолевает звуковой барьер, взрыв с вибрацией и почему мы слышим хлопок при преодолении звукового барьера, в чем причина?

Первым выдающимся достижением в развитии сверхбыстрых скоростей считается тестовый полет летчика-испытателя компании «Messerschmitt» Л. Гофмана, сумевшего разогнать реактивный сверхзвуковой самолет ME-262 до 981 км/час на высоте более 7 км. Однако после этого рекорда показатели максимальной скорости еще долго оставались на прежнем уровне. Гиперзвуковой полет отличается от обычного иной аэродинамической картиной, позволяющей летательному аппарату передвигаться в условиях разреженного воздуха.

Первый пилот, сумевший преодолеть звуковой барьер — Чарльз Йегер, совершивший полет на самолете Bell X-1 осенью 1947 года. В Советском Союзе данный подвиг повторили летчики Федоров и Соколовский, пилотировавшие истребитель ЛА-176 на высоте более 15 тысяч метров. Сверхзвуковая скорость судна составляла 1104 км/час, на которой он мог пройти порядком тысячи километров без дозаправок. Число маха — это отношение скорости звука к скорости, с которой передвигается летательный аппарат. Названо в честь известного австрийского физика Эрнста Маиевского, изучавшего причины возникновения ударных волн и аэродинамические процессы при сверхзвуковом передвижении тел.

С чего все началось?

Первый сверхзвуковой самолет в мире был запущен в серийное производство в 1958 году американской корпорацией «McDonellDouglas». Процесс создания прототипа реактивного судна занял несколько лет, и был инициирован по заказу ВВС США. Проектирование планера Douglas C-8 было нацелено на создание универсального самолета, соответствующего актуальным коммерческим стандартам безопасности и надежности. Особое внимание инженеры уделяли конструктивным особенностям крыльев, обладающих стреловидной формой и заметным сужением.

А Вы знали, что сверхзвуковой самолет должен обладать крылом особой формы?

Первым сверхзвуковым самолетом, поступившим в серийное производство в Советском Союзе, стал МИГ-19, применявшийся для нужд противовоздушной обороны СССР. Истребитель был разработан на базе опытного самолета СМ-1 в 1952 году. На испытаниях в 1954 году МИГ-19 сумел развить скорость свыше 1649 км/час. После применения ракетного ускорителя показатели максимальной скорости увеличились до 1929 км/час.

Что такое звуковой барьер?

Звуковым барьером в аэродинамике называют целый ряд явлений, которыми сопровождается передвижение летательного средства на скорости звука (340 м/с) либо выше. Звуковой удар возникает из-за скачков давления и сопровождается «хлопком», воспринимаемым наблюдателем как звук взрыва. В результате волнового кризиса изменяется характер обтекания самолета, появляются вибрации, снижается подъемная сила и растет лобовое сопротивление.

Самолёт FA-18 Hornet, движущийся с околозвуковой скоростью

Потребность в преодолении звукового барьера возникла в годы Второй мировой войны, когда многие летчики замечали, что при увеличении скорости истребителя ухудшается его управляемость и ряд других важных характеристик, таких как корректировка элеронов и воздушных рулей. Пилоты самолетов поршневого типа, предпринимавшие попытки развить предельные скорости, неизбежно сталкивались с волновым кризисом, выбраться из которого без пикирования не представлялось возможным.

Значимую роль в задаче объяснения и преодоления звукового барьера сыграли научные работы, посвященные исследованиям сверхзвукового движения газа.

Скорость звука в воздухе около 330 м/с. Когда самолёт летит со скоростью 300 м/с, то скорость «дозвуковая», если 350 м/с, то — «сверхзвуковая». И что изменилось, при увеличении скорости самолёта на 50 м/с? Ровным счётом — ничего. И, пролетая мимо нас, этот самолёт ничего не «преодолевает», а свою скорость он набрал может быть уже за сотни километров до встречи с нами, и как летел с этой скоростью, так и продолжает лететь.

Посмотрите на воде когда идёт (про суда не говорят плывёт) какое-нибудь судно. От него в виде луча в обе стороны (наподобие журавлиного клина) расходится некое подобие волны: вначале идёт небольшой спад, а потом подъём уровня воды, т.е. образуется перепад уровней воды.

Точно так же от летящего самолёта остаётся аналогичный, но только не плоский как на воде от судна, а трёхмерный конус звука. Когда и когда самолёт пролетает мимо нас, этот конус достигает наших ушей. Когда скорость самолёта ниже скорости звука в воздухе, то мы слышим этот «конус» как обычный звук. Когда скорость самолёта (или это может быть другой объект, например ракета или метеороид (то, что потом превращается в метеорит) превышает скорость звука, то мы воспринимаем этот конус как хлопок или даже взрыв.

Почему при преодолении звукового барьера слышится хлопок?

Наверняка многим приходилось слышать о таинственном звуковом барьере, который преодолевают истребители и бомбардировщики, а также сверхзвуковые ракеты. Что это за барьер, можно ли его увидеть визуально и что является причиной громкого взрывоподобного звука?

Звуковой барьер в области аэродинамики – это технические трудности, которые возникают в результате явлений, связанных с передвижением летательного аппарата на скорости равной либо превышающей скорость звука. Нужно понимать, что это не реальное препятствие, которое должен преодолеть самолет, будто какую-то невидимую стену, а больше абстрактное понятие. Оно возникло в то время, когда в авиации лишь задумывались о летательных аппаратах, которые могут перемещаться на высокой скорости – сверхзвуковой. Многие даже настаивали на недостижимости подобных результатов. Что такое скорость звука? Скорость звука – это скорость, с которой распространяются упругие волны в определенной среде. Данный показатель меняется в зависимости от среды. Например, скорость звука в воздухе – 331 м/с или 1191,6 км/ч. Преодоление скорости звука Как же происходит преодоление звукового барьера? Самолет взлетает и постепенно разгоняется все сильнее. Его обтекает сверхзвуковой воздушный поток, в результате чего в носовой части образуется ударная волна. Их может быть и несколько – в зависимости от формы летательного аппарата.

В данной области давление и плотность воздушной среды резко повышается. В момент, когда самолет превышает скорость звука, он проходит через эту область и возникает звук громкого хлопка, который похож на выстрел. Пилот в кабине никаких звуков не слышит – о преодолении звукового барьера он узнает только по специальным датчикам. Также ощутимы изменения в плане управления самолетом. Громкий взрывоподобный хлопок – это звуковой удар. Его можно услышать, стоя на поверхности земли, когда самолет летит на сверхзвуковой скорости неподалеку. Ударные волны, которые он образует, визуально можно представить в виде конуса, сопровождающего летательный аппарат. Вершина конуса располагается в носовой части. Волны распространяются от нее на большие расстояния. Слух человека, стоящего на земле, улавливает границы данного воображаемого конуса. Резкий скачок давления воспринимается как взрывообразный хлопок. С момента преодоления барьера звуковой удар постоянно сопровождает самолет. Однако хлопок будет слышно каждый раз, когда он пролетает над фиксированной точкой поверхности. Так как самолет движется быстрее звука, сперва наблюдатель услышит хлопок и только после этого шум двигателя.

Интересный факт: с преодолением звукового барьера часто связывают возникновение белого облака в хвостовой части самолета. Однако к звуковому барьеру оно отношения не имеет. Речь идет об эффекте Прандтля-Глоерта – конденсации влаги сразу за движущимся самолетом.

Проблемы сверхзвукового полета

Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.
Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе. Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году. Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.

Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков: ударная волна; большой расход топлива; сложность эксплуатации; шум над аэродромом. Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.

История первого в мире сверхзвукового полета

В 1947 году молодой пилот, ветеран Второй мировой войны Чак Егер стал первым человеком, которому довелось передвигаться быстрее скорости звука. В ноябре 1987 года, спустя 40 лет, он написал для Popular Mechanics статью, где рассказал обо всем, что тогда произошло.

В статье приводилась схема экспериментального самолета с ракетным двигателем, на котором летал Егер. Самолет назывался X-1, и построила его компания Bell Aircraft. Егер называл самолет «Пленительная Гленис», в честь жены.

В 1940-х ракетные двигатели рассматривались как новая технология, которая могла бы здорово улучшить характеристики самолетов. Испытания в аэродинамической трубе не могли дать всей необходимой информации. А вот опытный пилот мог оценить управляемость, проблемы с винтомоторной группой и, конечно, воздействие сверхзвуковых скоростей на тело человека. Пилоты, которым удавалось приблизиться к Мах-1 (скорости звука), чувствовали жесточайшие ударные волны, возникавшие у носа и хвоста самолета. Эти волны так скручивали воздушный аппарат и создавали настолько сильную вибрацию, что мешали перейти звуковой барьер. Несколько человек погибли, когда их самолеты развалились в таких экспериментах.

И пока никто не перешел звуковой барьер, не было ясности, что же будет с самолетом и человеком, летящими быстрее звука.

Компания Bell Aircraft, работавшая на NACA (прообраз NASA), уже в 1943 году начала исследования с целью создания сверхзвуковых самолетов. К 1947 году и инженеры Bell Aircraft, и Егер со своим вторым пилотом Бобом Гувером были уже готовы. Егер и Гувер, при помощи инженеров компании, изучили все особенности необычного самолета. Отрепетировали аварийные процедуры, проверили высотные компенсирующие костюмы и прошли тест на выносливость. Все это нынче стандартная процедура при подготовке космонавтов, а тогда было в новинку, и не всегда Егер с напарником были на высоте. Инженеры исследовали все вопросы, связанные со стабильностью, воздушными потоками, топливом, запуском и даже с краской, которой предстояло выдержать как трение и жар, так и минусовые температуры. Чтобы сэкономить топливо, да и для повышения безопасности, был выбран воздушный старт. X-1 собирались подвесить к брюху специально для этого переделанного бомбардировщика B-29.

Быстрая пересадка из B-29 в X-1 нравилась Егеру меньше всего. Ему приходилось очень быстро спускаться по убираемой лестнице и втискиваться в узкую кабину, почти как в аттракционе «Человек-змея». На высоте 7 км ему приходилось высвобождать правую руку и перераспределять свой вес с лестницы на самолет.«В этот момент, когда одна моя половина была внутри B-29, а другая в X-1, я больше всего боялся, что самолеты разъединятся», — писал Егер. В статье пилот описал свои ощущения перед взлетом в тот день, когда он победил звук: «В глубинах моего разума был страх. Я знал о нем и контролировал его». В момент, когда из-за неожиданного крена X-1 отделился от корабля-матки, сердце пилота упало. В тот день, 14 октября 1947 года, Егер держал под полным контролем и эмоции, и самолет. Когда началась знакомая тряска, Егер все внимание приковал к махомет-ру, который колебался на величине 0,96 и неожиданно прыгнул на 1,06 (1300 км/ч на высоте 13,1 км). Он решил, что это ошибка, вызванная ударными волнами. И вдруг все стихло. Не стало ни вибрации, ни ударных волн — ничего. А на земле услышали первый искусственный «звуковой удар»и решили, что что-то пошло не так. Но на самом деле все получилось: Егер преодолел звуковой барьер. Подвиги отважного пилота не ограничились тем, что он стал первым, кто преодолел звуковой барьер.

Егер записался в ВВС вскоре после школы, через несколько месяцев после того, как японцы разбомбили Перл Харбор. Удостоверение пилота он получил в марте 1943 года. В 1944 году его сбили над Францией. Избежать плена ему помогли французские партизаны — «маки». В конце концов он вернулся в строй.

К концу войны за его плечами было 64 боевых вылета, он сбил 13 вражеских самолетов, причем пять из них — за один день. Его смелость, целеустремленность и высокий профессионализм стали причиной перехода Егера в летчики-испытатели. После триумфального полета на X-1 он ставил и другие рекорды, выбирался из штопора при падении с высоты 15,5 км за 51 сек, командовал огромным числом разных подразделений ВВС, а также тренировал астронавтов и пилотов бомбардировщиков. Во Вьетнаме он совершил 127 боевых вылетов. А в 1975 году ушел в отставку. За годы службы Егер получил столько наград, что под их весом вряд ли взлетел бы небольшой самолет. Он единственный из награжденных медалью «За отвагу» в мирное время. Егер продолжал служить в качестве консультанта.

В последний раз Чак Егер пилотировал самолет в 1997 году, на пятидесятую годовщину своего знаменитого полета на X-1. Забавы ради, спустя полвека он снова преодолел звуковой барьер на истребителе F-15.

Историю авиации можно разделить на два этапа — период до преодоления звукового барьера и период после него. До середины 1940-х годов самолеты развивали скорость до 950 км/ч, затем начали сталкиваться с так называемым звуковым барьером. Однако и пилоты, и многие инженеры знали, что его можно преодолеть и лететь быстрее. 14 октября 1947 года американский пилот Чак Йегер, пилотирующий экспериментальный Bell X-1, стал первым человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер.

В 1930-х годах развитие промышленности позволило очень быстро развить авиацию. Новые технологии позволили создавать более быстрые и прочные машины. Одной из таких технологий был реактивный двигатель, который позволял достигать очень высоких скоростей (около 800-900 км/ч). Хотя первые реактивные самолеты были не очень удачной конструкцией, всего через несколько лет после Второй мировой войны эти машины стали превосходить самолеты с поршневыми двигателями во всех отношениях.

Однако в конце войны летчики, летавшие на самых быстрых самолетах того времени, достигая скорости 800-950 км/ч, все еще сталкивались с необычным и даже ужасающим явлением. Во время полетов в пикировании на огромных скоростях их самолеты начинали вибрировать, а органы управления переставали реагировать на действия пилотов.

Heinkel He 178 – первый турбореактивный самолет

Многие пилоты погибли, даже не подозревая, что столкнулись с так называемым звуковым барьером. Этот разговорный термин охватывает явления, происходящие во время полетов со скоростью, близкой к скорости звука (предполагается, что скорость звука в воздухе на высоте около 11 км составляет около 1062 км/ч – 1 Мах, хотя на практике это значение зависит от температуры воздуха).

Это явление увлекло авиаконструкторов, поставивших перед собой цель преодолеть преграду. Было известно, что это вполне возможно, поскольку звуковой барьер преодолевали, например, немецкие ракеты Фау-2. Однако проблема заключалась в обеспечении управляемости самолетов.

Messerschmitt Me 262 – первый серийный реактивный истребитель

Исследования новых самолетов, которые должны были преодолеть барьер, проводились параллельно в Германии и Великобритании, тогда как в США до середины 1940-х годов считалось, что преодоление звукового барьера с помощью технологий того времени невозможно. Исследования немцев попали в руки британцев, советов и американцев. Интересно, что, хотя немецкие работы были очень интенсивными (особенно с учетом того, что Германия была первой страной в мире, которая ввела в эксплуатацию реактивный самолет Messerschmitt Me 262), сделанные выводы часто были ошибочными.

Американская программа сверхзвуковых полетов

Американцы отставали в исследованиях сверхзвуковых полетов. Только на рубеже 1943 и 1944 годов Американское агентство National Advisory Committee for Aeronautics (NACA), занимающееся исследованиями в области воздухоплавания, создало группу High Speed ​​Panel, которая совместно с представителями военной авиации (AAF) запустила программу, направленную на изучение возможностей преодоления звукового барьера.

Первоначально она ограничивалась исследованиями в аэродинамических трубах и теоретическими соображениями, но благодаря Джону Стэку, инженеру, работающему в Исследовательском центре Лэнгли, летом 1944 года стала рассматриваться возможность создания экспериментального самолета для преодоления звукового барьера. Уже в конце ноября AAF начала переговоры с представителями авиационных заводов Bell Aircraft и McDonnell Aircraft о конструкции машины.

Наконец, 16 марта 1945 года компания Bell подписала контракт с NACA и AAF на сумму 4,27 миллиона долларов (сейчас около 56,3 миллиона долларов), согласно которому всего за один год она обязалась построить 3 экспериментальных самолета. Программа первоначально получила обозначение MX-524, позже переименована в MX-653, а самолет получил обозначение XS-1 (позже X-1).

Работой над новым самолетом руководил Роберт Дж. Вудс, а в его команду входили Пол Эммонс, Бенсон Хэмлин, Рой Сэндстром и Стэнли Смит. Конструкторы решили, что машина должна быть сконструирована как “крылатая ракета”. В результате фюзеляж длиной 9,5 м получил коническую заостренную носовую часть с невыступающей кабиной и очень тонкие крылья с размахом 8,5 м.

Силовая установка представляла собой ракетный двигатель Reaction Motors XLR-11-RM3, работающий на жидком топливе, в количестве достаточном для полета в течение всего нескольких минут. У X-1 не было дроссельной заслонки, и скорость была увеличена за счет большего количества камер сгорания. Хотя X-1 мог взлетать сам по себе, во время испытаний он всегда запускался в воздух специально модифицированным бомбардировщиком B-29 (JTB-29A), а позже – B-50 (EB-50A).

B-50 Superfortress на испытаниях Bell X-1, первого самолета, преодолевшего звуковой барьер

Первая презентация машины состоялась в декабре 1945 года, а первый полет без двигателя состоялся 25 января 1946 года. С октября испытания продолжались на озере Мюрок Драй, теперь известном как база ВВС Эдвардс. В них участвовали как летчики-испытатели Bell, так и летчики AAF.

Первый полет с запущенным двигателем Х-1 состоялся 9 декабря 1946 года. Тогда за штурвалом был Чалмерс Х. “Слик” Гудлин. Во время этого и нескольких последующих полетов скорость поддерживалась до 0,8 Мах. На основании полученных в ходе них данных был перестроен один из прототипов Х-1 – установлены новые, более тонкие крылья и горизонтальный стабилизатор.

6 августа 1947 года Чак Йегер, молодой ветеран Второй мировой войны, присоединился к группе летчиков-испытателей, летавших на X-1. 29 августа Йегер разогнал X-1 до 0,85 Мах, что не понравилось его начальству, опасающегося потерять машину. Однако полет позволил получить дополнительные, как потом выяснилось, очень полезные знания.

Попасть в X-1 было непросто

Чак Йегер — на самом деле Чарльз Элвуд “Чак” Йегер, американский военный летчик, родился 13 февраля 1923 года. Во время Второй мировой войны он сбил 11,5 машин противника, в том числе один самолет Me 262. После войны он стал летчиком-испытателем и установил несколько рекордов скорости и высоты.
На более высоких скоростях стали появляться вибрации, препятствующие набору высоты и горизонтальному полету. Поэтому конструкторы Bell решили перестроить горизонтальные стабилизаторы — вместо элеронов использовали целые подвижные поверхности. Работы были завершены в начале октября, а первый полет был запланирован на 14 октября 1947 года. По просьбе Йегера на самолете был нарисован “Гламурный Гленнис”.

Йегеру не полагалось преодолевать звуковой барьер, но в полете, достигнув скорости около 0,95 млн лет, машина буквально взлетела в воздух. Наблюдатели на земле услышали хлопок (так называемый звуковой удар), и X-1, преодолев звуковой барьер, разогнался до скорости 1,06 Мах (около 1100 км / ч). Таким образом, 14 октября 1947 года Чак Йегер первым в истории преодолел звуковой барьер и стал самым быстрым человеком на Земле.

Новая эра в авиации

В конце концов, информация о том, что Йегер преодолел звуковой барьер, стала известна 22 декабря 1947 года благодаря Роберту Б. Хотцу, автору статьи “Bell XS-1 совершает сверхзвуковой полет”, опубликованной в журнале Aviation Week. Интересно, что информация об использовании подвижных горизонтальных стабилизаторов так и не поступила.

Преодоление звукового барьера стало поворотным моментом в истории авиации. Всего за несколько лет крупнейшие производители самолетов в мире начали создавать все более быстрые и быстрые самолеты, и сверхзвуковые полеты перестали быть проблемой.

Прямым следствием преодоления звукового барьера стало создание самого быстрого самолета в истории (SR-71 Blackbird) и отправка человека в космос.

Штурм звукового барьера

До 14 октября 1947 года никто не мог сказать, что испытывает человек в кабине самолета, летящего быстрее звука

15 октября 2007

Десять лет назад ветеран Второй мировой и вьетнамской войн отставной бригадный генерал Чак Йегер отметил 50-летие первого сверхзвукового полета новым сверхзвуковым полетом на своем F-15.

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.

Когда самолет движется с дозвуковой скоростью, акустические волны убегают от него, словно круги по воде от упавшего камня: давление вблизи волнового фронта меняется более или менее плавно. Самолет, движущийся со сверхзуковой скоростью, возбуждает ударные волны: давление на волновом фронте такой волны меняется скачком. А стоящий на земле человек слышит сначала звук похожий на взрыв — и только после этого рокот мотора.

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.

В настоящее время самолет X-1, на котором Чак Йегер впервые преодолел звуковой барьер, экспонируется в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики (National Air and Space Museum) в Вашингтоне.

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.

Самолеты МиГ-15 появились несколько позже Х-1 отчасти потому, что разработчики ставили комплексную задачу и стремились не только к преодолению звукового барьера, но и решению других технических задач. В результате машина оказалось настолько удачной, что долгое время различные ее модификации стояли на вооружении в разных странах. Этот экземпляр был доставлен с южнокорейского фронта в США, где его «осваивал» Чак Йегер.

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.

Уже первые полеты самолета YF-12C в 1962 году положили конец спорам о преимуществах стреловидных крыльев. Он послужил прототипом самолета SR-71 со стреловидностью 60°, поставившего несколько рекордов и втрое превысившего скорость звука. После этого преимущества стреловидных крыльев стали казаться очевидными.

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-разведчикуSR-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.

Гиперзвуковой беспилотный «скрамджет» Х-43а более чем втрое превысил рекорд скорости SR-71. Схема полета получилась довольно сложной: сначала бомбардировщик выводил сборку на высоту в 10 000 метров, после чего отстрелившаяся ракета разгонялась до 7М, одновременно поднимаясь на высоту 30 000 м. Дальше до 10М «скрамджет» разгонялся уже сам.

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.

Вот как «Конкорд» переходил звуковой барьер

«Конкорд», он же «Concorde» в оригинальном написании – единственный оставшийся в начале XXI сверхзвуковой пассажирский реактивный самолет. Да, он, как и разнообразные реактивные штурмовики, истребители-перехватчики и бомбардировщики по типу ТУ-22М3, мог развивать скорость превышающую скорость звука.

Именно эта особенность, в итоге и привела к завершению истории сверхпрестижной серии самолетов, а не авария над Парижем в 2000 году, как считают многие. Он был слишком прожорлив, вмещал слишком небольшое количество пассажиров, а маршруты, по которым были проложены полетные трассы были чрезвычайно ограничены. И знаете почему? Из-за очень мощного хлопка при переходе через звуковой барьер.

Используя свои четыре форсажных реактивных двигателя (да, там применялся точно такой же форсаж как на военных истребителе или бомбардировщике), он мог комфортно летать на скоростях более Мах 2 (свыше 2.100 км/ч), на высоте порядка 18 км над уровнем моря.

Да, такой экстремально быстрый метод передвижения был просто великолепен для пассажиров, летящих из Нью-Йорка в Лондон или обратно. 3 часа и Атлантика преодолена! В обычном самолете этот путь занимает в два раза дольше – порядка 6-7 часов. Но помимо всех других вышеназванных неприятных явлений, сверхзвуковой лайнер имел еще один нюанс – чрезвычайно громкое преодоление звукового барьера – многочисленные ударные волны, генерируемые позади него, в момент перехода звукового барьера.

То, как «Конкорд» переходил этот барьер мало кто слышал, учитывая, что международные правила полетов самолетов такого класса обязывали прокладывать маршрут исключительно над водами Атлантики и других океанов, смотря по какому маршруту следовали лайнеры, чтобы момент перехода на сверхзвук не был слышен никому на земле.

Единственный шанс запечатлеть хлопок на видео – оказаться в лодке посреди Атлантического океана. Например, как эти люди (приглушите звук в наушниках или колонках, прежде чем посмотреть видеоролик, самолет был действительно громким):

Очень интересный БА-БАХ!

А вот как барьер преодолевают другие самолеты:

Будущее сверхзвуковых полетов

Генеральный директор корпорации Boeing сказал, что в ближайшее десятилетие гиперзвуковые самолеты выйдут на новый виток своего развития, однако вопрос об экономичности скоростных рейсов на текущий момент до конца не решен. Совсем недавно компания «Боинг» представила проект пассажирского самолета, способного превышать скорость звука в несколько раз. Сотрудники американской «Boom Technology» обещают в ближайшие годы выпустить в серийное производство лайнер, который сократит продолжительность любого трансконтинентального рейса в 2,5 раза.

«Aerion Supersonic» из США анонсирует появление джетов бизнес-класса AS-2, оснащенных тремя двигателями и предназначенных для перевозки состоятельных пассажиров.

Развитие гражданской авиации

На развитие гражданской авиации серьезное влияние оказали технические достижения, полученные в результате военных разработок 60-х годов. Инженеры разных стран сумели искоренить главные проблемы, мешавшие преодолеть звуковой барьер, и спроектировали первые сверхзвуковые самолеты для нужд гражданского населения. Первый пассажирский авиалайнер, предназначенный для транспортировки пассажиров — упомянутый выше Douglas C-8, развивший скорость свыше 1261 км/час на испытаниях, проходивших на высоте 15800 метров.

Первый вылет «Конкорда» состоялся весной 1969 года. В отличие от пассажирского лайнера ТУ-144, до двухтысячного года данная модель ни единого раза не фигурировала в сводках прессы, посвященных авиакатастрофам. Летом 2000 года произошла первая авария с участием «Конкорда», который рухнул на крышу отеля сразу после вылета из главного аэровокзала Франции «Шарль Де Голль». ТУ-144 принадлежат не только лавры пионера в задаче покорения скорости звука, но и печальная слава, закрепившаяся за лайнером после катастрофы на знаменитой выставке «LeBourje», а также возгорания в 1978 году на одном из аэродромов Московской области.

Проверка установила, что возгорание произошло по причине ряда недоработок топливной системы обновленных двигателей. Пилоты ТУ-144 смогли посадить загоревшееся судно, однако дальнейшие рейсы коммерческого плана на нем были окончательно завершены. «Concorde» служил задачам пассажирской авиации намного дольше, но после катастрофы, произошедшей в двухтысячном году, пассажиропоток стал настолько мизерным, что спустя 3 года этот гиперзвуковой лайнер был убран из коммерческой эксплуатации.

Особенности сверхзвукового полета

Переход на сверхзвуковую скорость сопровождается ударной волной, возникающей из-за разницы давления. В случае, если она будет длиться больше секунды, фюзеляж судна может не выдержать подобных нагрузок, что приведет к его крушению. Если посмотреть на преодоление самолетом звукового барьера на видео, то можно заметить, что ударной волной разрушаются практически все стекла жилых домов, расположенных на поверхности земли.

После того как американский летчик Чарльз Йегер сумел впервые преодолеть звуковой барьер, он был поражен воцарившейся в кабине самолета «божественной тишиной». В момент, когда стрелке махметра удается перевалить за отметку 1.0, звуковое давление внутри судна заметно уменьшается. Однако повышается риск деформации фюзеляжа и других частей летательного аппарата.

На показатели энергетики (интенсивности) скачка уплотнения оказывают влияние условия окружающей среды, конструктивные особенности самолета и скорость его передвижения. Пилотам гиперзвуковых пассажирских лайнеров «Concorde» и «ТУ-144» было дозволено преодолевать звуковой барьер исключительно над поверхностью океана в воздушном пространстве, превышающем на несколько тысяч метров высоту передвижения стандартных летательных аппаратов гражданской авиации.

Вы когда-нибудь слышали хлопок от самолета, переходящего сверхзвуковой барьер?

Что происходит с самолетом во время преодоления звукового барьера?

Что происходит с летательным аппаратом при достижении скорости звука? Начинается образование ударных волн, которые появляются в хвостовой части самолета, в задней и фронтальной кромке, а также на острие фюзеляжа. Скачок уплотнения обладает очень малой толщиной, а фронт ударной волны отличается кардинальными изменениями, происходящими со свойствами потока. Его скоростные показатели снижаются по отношению к телу, и скорость приобретает свойства дозвуковой. Кинетическая энергия частично преображается в газовую (внутреннюю).

Хлопок сверхзвукового самолета представляет собой «звуковой удар», который возникает из-за скачков давления воздуха. Хлопок появляется в результате прохождения основной волны и воспринимается слушателем каждый раз, когда самолет пролетает над его головой.

Масштаб подобных изменений прямо пропорционален скорости гиперзвукового потока. Число маха в данном случае превышает 5, а температурные показатели серьезно повышаются, что выступает причиной ряда проблем для летательных аппаратов, передвигающихся на сверхзвуковых скоростях. Повреждение термозащитных оболочек спровоцировало крушение многоразового космического транспортного корабля NASA под названием «Columbia» в 2003 году. Шаттл входил в земную атмосферу для совершения посадки и был поврежден ударной волной высокой силы.

Технические характеристики

Скорость полета гиперзвукового судна превышает отметку в 1192 км/час, а сам лайнер должен обладать хорошими летными данными и малым сопротивлением, позволяющим ему передвигаться в воздушном пространстве. Если средняя скорость современного пассажирского самолета составляет порядка 820 км/час, то аналогичные показатели гиперзвукового летательного аппарата превышают 2110 км/час.

На какой высоте летают гиперзвуковые лайнеры? Самолеты подобного класса способны передвигаться в воздушном пространстве на высоте более 15 тысяч метров. К примеру, пассажирский лайнер «Конкорд» при перелетах поднимался на высоту 18 тысяч метров над землей, максимальная высота полета сверхзвукового самолета превышает 20 тысяч километров. NASA не так давно анонсировала запуск в серийное производство военных истребителей X-59 «Quesst», разработкой которых занимаются инженеры корпорации «Lockheed». На базе данного прототипа будут созданы и пассажирские лайнеры, способные передвигаться на высоте до 17 тысяч метров со скоростью свыше 1500 км/час.

Величина сверхзвуковой скорости полета

Пока самолет передвигается с небольшой скоростью (до 420 км/час) на высоте до 3 тысяч метров, вычислить точные параметры полета довольно просто. Однако в случае преодоления звукового барьера самолетом падает не только температура за бортом, но и плотность воздушной среды. Когда приборы демонстрируют эквивалентные показания скорости на высоте 2 тысячи метров и 10 тысяч метров, в условиях разреженного воздуха реальная скорость будет больше.

Величина сверхзвуковой скорости полета

На скорости звука воздушное пространство перестает быть однородным и сильно затрудняет передвижение низкоскоростных летательных аппаратов. Создается среда, в которой возникают скачки уплотнения и изменение характера обтекания самолета, что создает предпосылки для волнового кризиса. Скачок уплотнения увеличивает энтропию газа, которая уменьшается в процессе прохождения звукового барьера.

Первый сверхзвуковой самолет в СССР

Первый гиперзвуковой советский пассажирский лайнер был выпущен в конструкторском бюро Туполева в 60-х годах и назывался ТУ-144. Перед создателями модели стояла задача разработать самолет, предназначенный для перевозки пассажиров и способный развивать скорость выше звуковой. Первый ТУ-144 сошел с конвейера почти на 3 месяца раньше выхода британско-французского сверхзвукового лайнера «Concorde». Преодолеть звуковой барьер ему удалось на испытаниях летом 1969 года на высоте 11 км. Число маха во время следующего тестирования в 1970 году составило 2, что эквивалентно скорости 2151 км/час.

Достижения зарубежом

Эра сверхзвуковых «Конкордов» завершилась в 2003 году, когда лайнеры французско-британского производства были окончательно выведены из коммерческой эксплуатации. Бурное развитие зарубежной авиации началось в 60-х годах, когда конструкторские бюро разных стран работали над созданием продвинутых бомбардировщиков, истребителей и самолетов, предназначенных для разведывательных задач.

Со скоростью звука и даже выше способен передвигаться легендарный истребитель пятого поколения F-22 «Raptor», использующий продвинутые технологии «stealth» (понижения заметности) и изготовленный из композитных полимерных и радиопоглощающих материалов. F-22 оснащается парой турбореактивных двухконтурных двигателей, обладающих высокой бесфорсажной тягой, которая позволяет истребителю передвигаться на гиперзвуковой скорости без задействования форсажа.

«Raptor» использует интегрированные системы связи, распознающие «своих» и «чужих» посредством радиолокационных датчиков. Самолеты вооружены 20-миллиметровыми пушками, корректируемыми снарядами, а также ракетами класса «воздух-воздух». Недостатком F-22 считается низкий объем топливных баков, делающий его зависимым от дозаправки в условиях воздушного пространства.

Сверхзвуковой высотный бомбардировщик Валькирия

Без затруднений преодолевает звуковой барьер высотный бомбардировщик «Валькирия» XB-70, развивающий скорость свыше трех махов (3673 км/час) и поднимающийся на высоту свыше 20 тысяч метров. Для передвижения на гиперзвуковой скорости конструкторы были вынуждены снизить взлетную массу, а также перевести самолет на пентаборан (бороводородную топливную смесь), обладающую повышенной энергией сгорания. Бомбардировщик представляет собой «бесхвостку», выполненную из высокопрочной инструментальной стали.

Сверхзвуковая авиация на данный момент

На текущий момент авиация не располагает полноценными аналогами «Конкордов» и ТУ-144, поскольку эти самолеты не соответствуют высоким требованиям безопасности и требуют слишком больших материальных затрат на заправку топливной смесью и содержание. Самой перспективной разработкой считается «Baby Boom XB-1», способный развивать скорость до 2,5 маха (2336 км/час). Лайнер отличается скромными габаритами: размах его крыльев составляет 5 метров, длина — 20 метров. XB-1 выполнен из легких композитных материалов и оснащается широкими задними кромками.

Инженеры-конструкторы из России по специальному указу президента разработали гиперзвуковой бомбардировщик ТУ-160, оснащенный цельноповоротным килем и стабилизаторами, флаперонами, интерцепторами, а также стреловидным или треугольным крылом в зависимости от модификации. Самолет экипирован четырьмя двухконтурными трехвальными двигателями и топливной системой из 13 резервуаров, заполняющихся азотированным авиационным топливом. ТУ-160 был задуман в качестве ракетоносца, предназначенного для транспортировки аэробаллистических гиперзвуковых ракет.

Крыло оживальной формы позволяет снизить аэродинамический нагрев центральных элементов космических кораблей и баллистических ракет, а также уменьшить сопротивление воздуха и повысить показатели дальности полета ракет, пуль и снарядов.

Что происходит с самолетом?

Переходя в область сверхзвуковой скорости, самолеты сталкиваются с сильной тряской, волновым сопротивлением, ударными волнами, скачками уплотнения и необходимостью преодолеть гиперзвуковой барьер. Еще одним малоприятным моментом является флаттер — дрожание, проявляющее себя в момент достижения определенных показателей скорости движения. В результате возникающего резонанса повышается риск деформации отдельных частей самолета, который может привести к его крушению.

Полет на сверхзвуковой скорости

Для коренных преобразований в сфере авиации инженерам потребовалось учесть возникающие явления и эффекты, присущие высоким скоростям, а также внести ряд качественных изменений в конструкции существующих лайнеров. Для этого гиперзвуковые самолеты были оснащены треугольными или стреловидными крыльями, оборудованными специальными наплывами для образования спирального искусственного вихря. Изменению подверглись стабилизаторы, получившие цельно-поворотную конструкцию и другие элементы.

Российский пассажирский сверхзвуковой самолет

Первый пассажирский самолет, который преодолел звуковой барьер, — ТУ-144, созданный инженерами из конструкторского бюро Туполева. Для преодоления звукового барьера лайнер был выполнен в форме бесхвостового низкоплана, оснащенного дополнительными силовыми установками. ТУ-144 был лишен привычных для летательных средств предыдущего поколения закрылков и предкрылков, а переход на гиперзвуковой режим осуществлялся благодаря сложной процедуре перераспределения топлива в задние центровочные баки.