Сверхзвук что это

Огромные скорости и мгновенные превращения, загадочная стройность форм и ошибки в расчетах — все смешалось в этой картине. Вокруг стремительно мчащегося самолета вдруг возникает туманный конус, но это не «звуковой барьер». С конусом связано много неверных штампов и распространенных мифов. Аэродинамика туманного конуса интересна, и любопытно разобраться, как он возникает и почему имеет такой вид. Никто и никогда не разбирал это так, как мы.

Перед вами — палубный истребитель-бомбардировщик и штурмовик F/A-18F Super Hornet, летящий со скоростью, близкой к скорости звука. Задняя часть самолета скрыта за туманным конусом с ровными очертаниями: он, словно широкая юбка, окутал хвостовое оперение. Что это и откуда он взялся?

Скорость полета и число Маха

Полеты самолетов бывают дозвуковые и сверхзвуковые. Разница между ними принципиальная: физика обтекания самолета набегающим потоком воздуха на этих режимах радикально различается. Между этими разными формами полета находится область околозвуковых скоростей с переходными явлениями. Здесь и лежат места обитания туманного конуса.

Скорость в аэродинамике рассматривается относительно окружающего воздуха, а не относительно земли или, скажем, палубы авианосца. Воздух при этом становится для самолета обтекающим его потоком. В любом полете важно не только то, медленнее он или быстрее звука, но и насколько медленнее или быстрее: это определяет картину обтекания.

Скорость звука всегда рассматривается местная, в данных условиях полета, поскольку она зависит от температуры воздуха и поэтому может меняться с изменением высоты, погоды и времени года. В летнюю жару скорость звука растет, в зимние морозы — снижается. На уровне моря при стандартных условиях атмосферы скорость звука составляет 340,29 метра в секунду. С ростом высоты она меняется только из-за температуры: изменение атмосферного давления и плотности никак не влияет на скорость звука. При подъеме до стратосферы скорость звука падает с усилением тамошнего верхнего мороза, снижаясь до 295 метров в секунду. С середины стратосферы и до ее верха скорость звука растет с прогревом воздуха, за стратосферой снова убывает, а потом опять растет.

Число Маха, обозначаемое буквой M, — скорость полета или течения воздуха (в общем случае газа) в сравнении со скоростью звука. Можно сказать, число Маха — это весы, взвешивающие скорость в «звуках». В мультфильме «38 попугаев» такой получилась длина удава, измеренная в длинах попугая. Точно так же скорость полета можно измерить в скоростях звука — и получится число Маха, вернее, его численное значение.

Число Маха не имеет единицы измерения, лишь значение. Одни метры в секунду (рассматриваемую скорость) число Маха делит на такие же метры в секунду (скорость звука) — эти одинаковые единицы измерения взаимно сокращаются, и остается просто дробь, только число. Таковы все критерии подобия — принятые в аэродинамике безразмерные числа, к которым относится и число Маха. Поэтому единицы «Мах» или «мах» нет в принципе, и говорить о «скорости в три Маха» или «пять Махов» неправильно — это лишь небрежный жаргон.

Вблизи скорости звука, или Рождение скачка уплотнения

Возьмем М=0,8 на небольшой высоте. Стандартная скорость звука у земли — 340 метров в секунду. Умножение ее на М даст 272 метра в секунду — это скорость самолета относительно воздуха. А с какой скоростью воздух обтекает самолет? Кажется, конечно, с такой же — 272 метра в секунду. Но, как ни парадоксально, это не так.

На выпуклых местах — поверхностях крыла и киля, кабины, воздухозаборников — обтекающий воздух локально ускоряется. В результате скорость обтекания в разных точках самолета оказывается разной. Больше всего эта разница проявляется на крыле.

Верхняя поверхность крыла самолета более выпуклая, чем нижняя. На ней течение воздуха ускоряется сильнее.

Давление при ускорении дозвукового течения снижается, что описывается законом Бернулли для дозвукового потока. Это проявляется великий принцип неразрывности потока, или среды. Пониженное давление над крылом «подсасывает» его вверх, создавая подъемную силу. Рост местной скорости воздуха над крылом зависит от скорости самолета и кривизны обтекаемой поверхности и может достигать + 0,2 М.

При скорости самолета около М=0,8 местное ускорение обтекающего потока приводит к возникновению на верхней поверхности крыла точки со звуковой скоростью (здесь скорость течения M=1). При скорости около М=0,85 эта точка разрастается в маленькую сверхзвуковую область над крылом, которая заканчивается сзади плоской поверхностью, перпендикулярно стоящей в потоке. Воздух на ней мгновенно уплотняется, а его скорость резко падает до дозвуковой.

Это сверхзвуковой скачок уплотнения — поверхность ударного газодинамического сжатия воздуха.

Сжатие происходит здесь мгновенно, скачкообразно, на расстоянии всего пары пробегов молекул, за одну десятимиллиардную долю секунды. Скачок уплотнения существует только в сверхзвуковом потоке, поэтому возникает не перед крылом, где обтекание еще дозвуковое, а в сверхзвуковом течении на средней части крыла.

С дальнейшим ростом скорости самолета область сверхзвукового течения и скачок уплотнения растут и протягиваются перпендикулярно от крыла в окружающее самолет пространство. При М=0,9 сверхзвуковую область начинает создавать и слегка выпуклый низ крыла. При М=0,95 сверху и снизу крыла образуются большие сверхзвуковые области, а скачки уплотнения сдвигаются к задней кромке крыла и удлиняются на десяток метров вверх и вниз от него.

С переходом на сверхзвуковой полет скачки уплотнения отклоняются назад и объединяются за самолетом с появившейся ударной волной от передней кромки крыла, образуя на расстоянии от самолета расходящийся в пространстве конус Маха.

Сверхзвуковой скачок уплотнения может оставлять поток за собой и сверхзвуковым, и дозвуковым — смотря по тому, насколько он сильный. В любом скачке течение всегда замедляется и за счет этого уплотняется (отсюда и название скачка) — утрамбовывается налетающим сверхзвуковым потоком. С размаху бьет он по скачку огромной энергией своего движения, как молотом; этот удар производит ударное газодинамическое сжатие в сверхзвуковом скачке, образуя его. В полученном утрамбованном и уплотненном состоянии сжавшийся воздух выдавливается за скачок новыми порциями сжимаемого прибывающего потока.

За скачком уплотнения воздух может оставаться сжатым и текущим без расширения — например, на жестких наклонных поверхностях, ставших причиной возникновения скачка. В сжатом потоке плотность, давление и температура такими и остаются, не возвращаясь к доскачковым значениям. Значит, нет и волнового процесса с его возвращением к начальным параметрам.

Нас интересует другой вариант — дальняя часть сверхзвукового скачка, протянувшаяся в окружающее пространство. Здесь уплотненный скачком воздух не подпирается никакой жесткой поверхностью. Будучи сжатым, он сразу беспрепятственно расширяется, возвращаясь к атмосферному давлению и плотности. Этот возврат к начальному состоянию демонстрирует наличие волнового процесса, и сверхзвуковой скачок уплотнения вместе с измененным за ним воздухом образует ударную волну.

Ударная волна – кисть, рисующая туманом

Ударная волна — распространяющееся в воздухе со сверхзвуковой скоростью сильное упругое сжатие с последующим восстановлением параметров воздуха до атмосферных. Сжатие в лице скачка уплотнения — начало ударной волны, ее передняя поверхность и самая характерная часть. Здесь происходит кратный рост плотности, давления и температуры. Сжатие порождает большую упругую силу, которая, получив свободу действовать, становится большой силой расширения. Она стремительно нивелирует возникшее сжатие до атмосферного давления.

Расширение газа — форма движения материальных точек.

Чем быстрее это движение, тем больше его инерция. Неважно, в какой форме оно будет реализовано: масса инертна, а инерция хранит движение. Быстро достигая атмосферных параметров, разогнавшееся расширение воздуха проскакивает их без остановки и инерционно продолжается дальше, «выгибая» давление в обратную сторону и создавая разрежение.

Давление, плотность и температура в нем опускаются значительно ниже атмосферных. Возникшее разрежение запускает обратный процесс — сжатие его окружающей атмосферой. Там, где давление окончательно выравнивается с атмосферным, ударная волна заканчивается. По своей природе это обычные для волны горб и впадина на графиках параметров воздуха.

При очень сильных ударных волнах с огромным сжатием во фронте (намного большим, чем в конусе Маха) инерционная сила расширения способна создать более глубокое разрежение. Тогда восстановление до атмосферного давления тоже может обладать инерцией, достаточной для второго небольшого сжатия, после которого последует второе расширение. Такой колебательный цикл сжатия-расширения возникает в мощных ударных волнах от больших фугасных зарядов, ядерных взрывов, при падении из космоса крупных болидов. Но туманный конус вокруг самолета формируется только однократным сжатием-расширением.

Волновой портрет ударной волны имеет характерные особенности на графиках плотности, давления и температуры: островерхий пик, высокий, поэтому и короткий, а также неглубокую, но протяженную впадину. Хотя разрежение в задней части ударной волны довольно сильное (больше, чем в области дозвукового понижения давления над крылом), разность с атмосферой в нем в разы меньше, чем в передней области сжатия. А значит, меньше и сила, выравнивающая разрежение до атмосферного давления. Поэтому разрежение воздуха «затягивается» потревоженной атмосферой медленнее, существуя значительно дольше сжатия.

Если воздух вокруг самолета влажный, его температура может оказаться близкой к точке росы: температуре выпадения тумана при данной влажности. Когда температура, падающая в ударной волне вместе с давлением, опускается ниже этой точки, прозрачный водяной пар мгновенно конденсируется в туман из капелек воды. Туманный конус делает видимой область с температурой ниже точки росы. Как только температура снова поднимается выше точки росы, туман так же мгновенно превращается обратно в невидимый пар.

На этой фотографии самолета, летящего низко над океаном, видны небольшие туманные зоны за локальными скачками уплотнения, порожденными выступающими формами: над кабиной пилотов, под воздухозаборниками (небольшой клок тумана снизу примерно посередине самолета). За крыльями и стабилизаторами сформировались отдельные конусы. Фото с сайта nationalinterest.org

Теперь физическая картина происходящего становится понятна. Самолет не «преодолевает звуковой барьер», как часто неправильно говорят в такой ситуации. Это выражение фигурально и не несет никакого физического смысла, поскольку реально — физически, аэродинамически — никакого «звукового барьера» не существует. Это лишь метафора достижения людьми технологического уровня, позволяющего сверхзвуковые полеты.

В форме тумана видна холодная область — зона краткосрочного охлаждения воздуха в задней части ударной волны, возникшей вокруг самолета.

На самом деле, самолет летит здесь с постоянной, установившейся дозвуковой скоростью порядка М=0,9. На нем и вокруг него образовались зоны сверхзвукового течения. Они породили скачки уплотнения, за которыми сложилась структура ударной волны, как и должно быть в открытом окружающем воздухе. Поверхность скачка подпирается позади тонким сжатым слоем, за которым идет в разы более толстый и долгий слой инерционного разрежения и охлаждения. В «сильной» части этой разреженной зоны воздушная влага сконденсировалась в туман. Атмосфера «схлопывает» вмещающее туман разрежение, поднимая температуру выше точки росы, и туман возвращается в пар.

Почему четкий конус, а не бесформенное облако?

Кто дал туману эту форму — впереди как конус, сзади ровный? Вблизи поверхности крыла сильнее скорость возросла; сверхзвуковой скачок мощнее, чем вдалеке, где все слабеет к исчезновению скачка. Мощнее сжатие в скачке на поверхности крыла — быстрее расширение и ближе за скачком проход точки росы падающей температурой. С удалением вверх и вниз от крыла уплотнение в слабеющем сверхзвуковом скачке снижается, и на самом дальнем краю сверхзвуковой области, возникшей вокруг крыла, скачок уплотнения исчезает. Продолжаясь еще немного в пространстве слабеющими волновыми эффектами. Это пока большой местный скачок, заканчивающийся неподалеку, в десятке метров от самолета.

По мере приближения к его краю расширение в слабеющей ударной волне идет медленнее, растягиваясь во времени, и точка росы достигается позже и поэтому дальше за скачком. Чем выше от крыла, тем позже и на более короткий срок возникает туман, проходя в потоке более короткую линию своей жизни. Эти линии существования тумана сокращаются по мере удаления от поверхности крыла, начинаясь позже и складываясь в конус.

Атмосфера окончательно восстанавливает давление за скачками на крыльях примерно на одном расстоянии, обрезая конус сзади перпендикулярно потоку и параллельно скачку впереди.

Поэтому чем дальше от крыла, тем позже и на более короткий срок возникает туман, образуя своим выпадением наклонную поверхность конуса и его истончение к краям. А задняя поверхность тумана, соответствующая обратному прохождению точки росы, ровная.

Можно сказать, туманный конус — это «развертка» волнового процесса, происходящего во времени, на пространство вокруг самолета.

Встречаются рассказы о том, что туманное разрежение в конусе вызывает перетекания в него воздуха из близлежащих областей. На самом деле, движения воздуха из прилегающих областей в конус нет. Течение газа и волновое колебание — две принципиально разные формы движения. В потоке здесь идет вперед ударно-волновой процесс. Он слишком быстр: не создает перетеканий с разных мест. Только сжатие-расширение, без возникновения упорядоченного течения. Заполнение туманного конуса окружающим воздухом — один из его мифов.

Он на сверхзвуке или нет? По фото можно дать ответ?

Из-за сверхзвуковых скачков уплотнения вокруг самолета аэродинамическое сопротивление сильно увеличивается. Сверхзвуковой скачок всегда создает газодинамические потери, расходуя на них часть энергии потока, или, что то же самое, отнимая часть кинетической энергии самолета, снижая его скорость. Чтобы не замедлиться, самолету нужно увеличить реактивную тягу — и тоже сильно.

Если приглядеться, за соплами самолета на главной фотографии видна полоса с тусклыми светлыми пятнами. Это реактивная сверхзвуковая форсажная струя с типичными дисками Маха — тоже скачками уплотнения, в форме которых происходит торможение сверхзвуковой струи в атмосфере. В тот момент, когда было сделано фото, двигатели «Супершершня» работали в форсажном режиме. Увеличенная форсажная тяга позволяет самолету лететь на околозвуковой скорости, компенсируя возросшее сопротивление. Форсаж при этом неполный: в режиме полного форсажа F/A-18 идет на малой высоте с «полноценным» сверхзвуком (М=1,2).

Фотография была сделана во время показательных полетов на авиасалоне. Если бы самолет летел на сверхзвуковой скорости, ударная волна конуса Маха могла оглушить вплоть до повреждения барабанных перепонок и легкой контузии или даже повалить зрителей и выбить стекла в зданиях. Сверхзвуковые полеты на малой высоте запрещены. Их использовали на армейских учениях для имитации ударной волны ядерного взрыва, и волна била жестко.

Однажды двух летчиков-истребителей ПВО командировали участвовать в общевойсковых учениях на большом полигоне. Их задачей было пройти парой на сверхзвуковых Су-9 на небольшой высоте над войсками. И сделать этот проход на сверхзвуковом режиме, имитируя ударную волну ядерного взрыва. Одновременно в «эпицентре взрыва» должны были взорвать несколько бочек с бензином для имитации атомного грибовидного облака.

Для более реальной имитации волны от взрыва летчики выбрали самый сильный, почти прямой скачок при скорости 1300 километров в час, рассчитали и согласовали место и время перехода на сверхзвук, длительность прохода на нем и маршрут полета, запас топлива для форсажного расхода. Взлетели, подошли к войскам, снизились до трехсот метров, ниже брать не стали для спокойствия на сверхзвуке в условиях возможного проявления казахского мелкосопочника. Пройдя ориентиры рубежа, разожгли форсаж, вышли на сверхзвук и пошли низко над рельефом на скорости 1300 километров в час — примерно с М=1,15, с учетом холодной погоды.

Действие получилось отличным. За черным грибом дыма от взорванных бочек по войсковым подразделениям прокатилась ударная волна. Высокопоставленные наблюдатели, стоявшие с биноклями и смотревшие на действия войск, тоже непонятно каким образом оказались в зоне согласованного маршрута пролета пары. Ударная волна оглушила и сбила наблюдателей с ног, повалив на землю. Фуражки дружной стайкой улетели в казахстанскую степь. После чего раздавалось много начальственных возмущений в адрес летчиков и организаторов «ядерного удара». Но летчики лишь четко выполнили поставленную им задачу. Автор хорошо знал одного из них, рассказавшего, как все происходило.

На фотографиях с туманным конусом обычно «позируют» самолеты палубной авиации — чаще всего варианты «Шершня» F/А-18 Hornet. У летающих на них пилотов большой опыт полетов низко над водой, накопленный во время заходов на посадку на палубу авианосца и пролетов возле него, который летчики демонстрируют на авиашоу. Близкая поверхность океана насыщает нижние слои воздуха влагой, облегчая рождение тумана.

Туман волновой и неволновой.

Ударно-волновой туман возникает не только вокруг самолетов. Он случается вокруг ракет-носителей во время движения на околозвуковых режимах при соответствующих условиях атмосферы. В силу геометрии обтекателя головной части ракеты форма тумана может отличаться от конуса, принимая иногда цилиндрический вид. И тогда кажется, что спереди на ракету-носитель надета муфта из тумана. В силу быстрого разгона ракеты такой туман возникает на несколько секунд и долго не держится, исчезая с ростом числа Маха.

Также выпадение тумана в ударной волне иногда видно визуально во время сильных взрывов во влажном воздухе. Например, при взрыве мощных фугасных авиабомб заметны быстро разбегающиеся белесые поверхности, пузырем окружающие взрыв и разлетающиеся в стороны. Это визуализируются зоны разрежения в ударных волнах. Быстро проходящие туманные поверхности видны и на съемках ядерных и термоядерных взрывов — то же самое мгновенное выпадение тумана ударно-волновой природы.

Нужно отметить, что далеко не всякое разрежение создается волновым процессом. А охлаждение до тумана создается не только разрежением.

Туман может возникать в разрежениях любой природы — вплоть до «дымка» от выстрела пробки из бутылки шампанского. Часто видимые туманные вихревые шнуры, тянущиеся за концами крыльев самолетов, не имеют никакого отношения к ударно-волновым делам: разрежение в виде нитевидной внутренности вихревого шнура создается быстрым вращением воздуха с инерционно-центробежным механизмом снижения давления внутри вихря. Зона пониженного давления с охлаждением и конденсацией облаков возникает в циклонах – огромных вращающихся массах воздуха.

Наконец, туман образуется и без понижения давления, при любом охлаждении влажного воздуха ниже точки росы. Зимой туман течет из открытого окна – это влажный воздух комнаты охлаждается, смешиваясь с наружным морозным воздухом. Так же “дымит” на старте ракета-носитель, заправленная жидким кислородом – в области сброса из бака очень холодного испаряющегося кислорода возникает плотный туман в охлаждаемом воздухе. Утренние туманы, покрывающие низменности лугов и текущие во оврагам, возникают благодаря ночному охлаждению земли и приземного слоя воздуха из-за теплового излучения.

Но именно коническая форма тумана вокруг самолета и ровная, без струй и завихрений, задняя граница конуса показывают ударно-волновую природу тумана на этих фотографиях. Поэтому туманный конус — верный признак околозвуковой скорости.

Что будет дальше? С переходом к сверхзвуковому полету (например, с М=1,3) развернувшаяся вокруг задней части самолета волновая картина сильно изменится. Скачок уплотнения над крылом сместится на его заднюю кромку и отклонится назад. Сжатие в скачке уплотнения вырастет, восстановление атмосферного давления за ним станет очень быстрым, коротким. Зона разрежения тоже превратится в тонкий слой. Туман станет «воплощением» внутренней поверхности конуса Маха, протягиваясь от самолета далеко в пространство полупрозрачным коническим покрывалом. А если самолет попадет в более сухой воздух, то исчезнет и он, не оставляя никаких визуальных следов обтекания.

Миф о Прандтле и Глоерте

С туманным конусом связана еще одна распространенная ошибка. Его часто называют «эффектом Прандтля — Глоерта» (например, есть такая статья в Википедии). Это название широко растиражировано, однако ни в одном учебнике аэродинамики и ни в одном научном труде вы не найдете упоминания о таком эффекте. Его попросту не существует.

Есть понятие сингулярности Прандтля — Глоерта (Prandtl–Glauert singularity). Немецкий физик Людвиг Прандтль (Ludwig Prandtl) в начале ХХ века искал математическое описание сверхзвукового движения. Из-за неправильных допущений он пришел к неверному результату: из его уравнений выходило, что давление воздуха и его сила сопротивления полету при скорости М=1 стремятся к бесконечности. Что странно: в то время уже отлично летали сверхзвуковые винтовочные пули и снаряды, которые при бесконечной силе сопротивления воздуха не только сразу упали бы, но и, вероятно, разогнались бы этой бесконечной силой в обратном направлении.

Прандтль тем не менее включил свои результаты в курс, который преподавал студентам. Но первым их опубликовал английский аэродинамик немецкого происхождения Герман Глоерт (или Глауэрт, англ. Hermann Glauert — не совсем ясно, как этот английский немец или немецкий англичанин сам произносил свою фамилию, по-немецки или по-английски). Поэтому и сам метод, и следующую из него сингулярность (бесконечность давления) стали называть именами обоих ученых.

На самом деле, преобразования, предложенные Прандтлем, при приближении к М=1 не работают, но разобраться в этом в то время было непросто, поскольку в экспериментальных исследованиях сверхзвуковых течений тогда делали самые первые шаги (при активном участии самого Прандтля, который эти шаги и делал).

Людвиг Прандтль, несмотря на ошибку с сингулярностью, был выдающимся аэродинамиком, основоположником, очень много и плодотворно работавшим со сверхзвуком. Это он впервые предложил теорию сверхзвуковой ударной волны, которой мы коснулись выше. Он рассчитал и построил первую в мире сверхзвуковую аэродинамическую трубу. А позже придумал метод расчета сверхзвукового сопла, по которому сегодня рассчитывают все сопла ракет. Он создал мощную школу аэрогазодинамики, превратившуюся в сегодняшнее Общество Макса Планка. Его по праву называют отцом аэродинамики, а его имя носит один из аэродинамических критериев подобия (к которым относится и число Маха) — число Прандтля. Он дожил до полетов сверхзвуковой авиации, возникшей на базе его работ, оставив этот мир в 1953 году.

Приписываемый же Прандтлю и Глоерту «эффект» возник из вольного народного творчества и занял место в ряду других аналогичных мифов, которые в наше время так легко распространяются. Ни Прандтль, ни Глоерт его не формулировали, не описывали туманных конусов, не предсказывали их — да и вообще не имеют к ним никакого отношения. Остается лишь удивляться, сколь причудливо иногда преломляются в аэродинамике ошибочные представления, порождая мифы.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Грохот уходящих в космос ракет, гигантские столбы огня, колоссальная сила, превосходящая силу тяжести. Форсажный рев боевых самолетов. Самое громкое и мощное силовое устройство человека. Все это — канал особой формы и особых свойств, радикально изменивший человечество. В чем его суть и как происходит трудное рождение сверхзвука — читайте в нашем материале.

Эволюционная история сопла

Когда человек впервые использовал сопло? Уже в I веке Герон Александрийский предложил реактивное сопло для своего «эолипила». В нем два разнонаправленных паровых сопла вращали полый металлический шар реактивной силой. Спустя 1200 лет в Китае делали пороховые ракеты — для фейерверков и боевые, — освоив реактивное движение на практике. В Средние века боевые ракеты стали летать в Европе. В российской армии ХIX века ракетное оружие выросло до регулярных пеших и конных ракетных команд, запускавших ракеты со специальных пусковых станков; массовых ракет на флоте, больших ракетных заводов типа крупнейшего в Европе завода в Николаеве. Первый пуск боевых ракет из подводного положения ракетной подлодки произошел еще при жизни Пушкина, 29 августа 1834 года, на Неве, в 40 верстах выше Санкт-Петербурга.

Сопло — устройство для разгона потока жидкости или газа. Зачем его разгонять? В одних случаях нужен сам быстрый поток, используемый дальше. В других нужен не поток, а сила, возникающая при его выбросе, — реактивная. Такое силовое сопло называют реактивным. Именно реактивные сопла были практически освоены первыми с возникновением первых ракет.

Одновременно с широкой эксплуатацией ракет паровая техника конца ХIX века дошла до паровых турбин, которыми вращались винты судов. Для обтекания лопаток турбин требовалась высокоскоростная струя, и чем быстрее была скорость паровой струи, тем большую силу она создавала на лопатках турбины, повышая ее мощность. Сопло здесь требовалось не для реактивной силы (которая, конечно, тоже возникала, но как побочный, неиспользуемый эффект), а для создания потока большой скорости. Через него энергия, брошенная соплом в виде массы пара, попадет на лопатки и совершит на них работу, прокрутив с силой. Общее усилие лопаток передается на гребной винт.

Работая над высокоскоростным паровым соплом турбины, шведский инженер Карл Густав Патрик де Лаваль в 1890 году предложил принципиально новый тип сопла. Оно смогло разгонять поток до сверхзвуковых скоростей, чего раньше никогда не удавалось сделать. Так был перейден сверхзвуковой Рубикон, сразу удвоивший скорости истечения.

Сверхзвуковой Рубикон

И у сопел эолипила Герона, и у наконечника пожарного брандспойта (а это сопло для разгона струи воды) канал течения сужается. В таком канале поток рабочего тела – пара, газа или жидкости разгоняется. Почему? Расход (количество рабочего тела, проходящее через сечение за секунду) в любом месте канала одинаковый – сколько втекает через начальное сечение, столько должно и выйти через конечное. Ведь текущее по каналу вещество не уменьшается и не прибавляется, в стенках нет отверстий, подводящих или отводящих его. И закон сохранения массы делает одинаковым расход вещества через любое место сопла.

И жидкость, и дозвуковой поток газа практически не меняют своего объема, поэтому приближённо рассматриваются как несжимаемые, когда до скорости звука ещё далеко. Неизменный расход их массы означает неизменный расход их объема. Потоку приходится поторопиться, чтобы прогнать тот же объем через сузившееся место. Газ вынужден ускоряться.

Течь его заставляет перепад давлений – поток течет в сторону низкого давления, толкаемый сзади высоким. В сужающемся канале непрерывно падают давление и температура потока, зато растет его скорость. Происходит перекачка потенциальной энергии давления и температуры газа в энергию движения, в его разгон. Чем выше перепад давлений между началом и срезом сопла, тем больше разгон и скорость истечения. Для ее роста поднимают давление перед соплом. Это же верно и для перепада температур, и газ стараются сильнее нагреть сжиганием топливных компонентов.

Но у скорости истечения оказался свой принципиальный предел. Это истечение со скоростью звука. Он не преодолевается никаким повышением давления на входе с сопло. Сколько бы его ни поднимали, в два, четыре или десять раз, в пределах сужающегося сопла поток не превысит скорость звука.

Преодолеть звуковой рубеж можно, лишь используя особый принцип. Он называется принципом обращения воздействия.

В газодинамике есть понятие воздействия. Это влияние на течение газа, меняющее его параметры, в том числе скорость. Сужение канала – это геометрические воздействие, изменение геометрии течения. И есть принцип обращения воздействия. Согласно ему, одним и тем же воздействием можно изменять скорость течения только до скорости звука. Причем это верно как для разгона, так и для торможения (если поток сверхзвуковой). Максимум, достигаемый одним и тем же воздействием, всегда будет скоростью звука, М=1. Становясь непреодолимым для этого воздействия звуковым барьером. Больше этой границы воздействие любой мощности не сможет сделать ничего.

Чтобы перешагнуть за М=1 и продолжить разгон или торможение потока, нужно сменить воздействие на противоположное. При геометрическом воздействии (сужение канала) нужно сменить его знак. Для разгона это смена сужения на расширение. Где сменить, когда? После достижения потоком скорости звука. В расширяющейся части поток станет сверхзвуковым и будет разгоняться дальше. Почему?

Став сверхзвуковым, поток получает критически другие свойства. Дозвуковая несжимаемость сменяется на большую сжимаемость и расширяемость. Расширение газа столь велико, что обгоняет геометрическое расширение канала. Распухающий газ вынужден все быстрее протекать даже через растущие сечения канала. Поэтому скорость потока в сверхзвуковом расширении сопла возрастает, а плотность газа снижается. Лаваль предложил эту форму сопла и получил на выходе сверхзвуковой поток. А сопло с геометрией сужения-расширения назвали соплом Лаваля.

Пути достижения сверхзвука

Отметим, что разогнать поток до сверхзвука может не только меняющаяся геометрия сопла Лаваля. Возможны сверхзвуковые сопла с неизменной геометрией канала, просто с ровной трубой. Их три типа: массовое, тепловое и механическое. И все они работают по принципу обращения воздействия. Массовое сопло имеет продырявленные стенки. В дозвуковой части трубы через перфорацию стенок внутрь закачивается газ. Для прохода через трубу прирастающего количества газ ускоряется, достигая скорости звука. А после скорости звука воздействие меняется на противоположное – газ через отверстия в стенках откачивается из трубы. Что вызывает расширение (есть куда после откачки) и разгон остающегося в трубе газа. Для разгона потока меняется расход массы газа – поэтому сопло называется массовым.

Два других типа чисто теоретические. Тепловое сопло – при движении по неизменной трубе газ нагревается, достигая скорости звука. А после нее газ охлаждается со сверхзвуковым разгоном. Механическое сопло подводит энергию в газ силовым механическим воздействием, а за скоростью звука так же механически отводит энергию для разгона сверхзвукового потока.

Сопло Лаваля – частный случай принципа обращения воздействия, его геометрический аватар. Две противоположные воронки с общим узким местом. Именно такое сопло широко используют в практических делах. Поскольку достижение скорости звука радикально меняет поведение потока, скорость звука назвали критической скоростью. А сечение сопла (всегда наименьшее), в котором достигается скорость звука, назвали критическим сечением сопла.

В сужающейся дозвуковой части сопла плотность газа меняется незначительно, он расширяется мало. Зато существенно снижаются его давление и температура – скорость растет в основном за счет них. Круче всего эти параметры падают в критической части сопла, в зоне скорости звука. Смена воздействия сохраняет эти изменения потока и дальше, в сверхзвуковой части, добавляя расширение газа. Поэтому скорость потока непрерывно растет в обеих частях сопла – и дозвуковой, и сверхзвуковой.

Дозвуковой поток газа ведет себя течением реки, несжимаемой жидкостью, сохраняющей объëм. Абсолютно? Нет, по мере роста скорости воздух при обтекании тела понемногу сжимается, но незначительно; степень сжатия не превышает первых десятков процентов. Это принципиально не меняет картину обтекания, оставляя ее в рамках гидродинамики, или «гидродинамики для воздуха» – аэродинамики. Картина остается такой до звукового рубикона.

За скоростью звука лежит газодинамика. Здесь в полной мере проявляется сжимаемость газа: он сжимается и расширяется многократно, в разы и десятки раз. Это радикально меняет протекающие объемы и создает критические изменения в картине.

Сверхзвуковой поток ведет себя противоположно дозвуковому – в сужении он тормозится, а в расширении разгоняется. Если он тормозится, то делает это скачкообразно и мгновенно, всегда со сжатием объема и разогревом, образуя внутри себя резкие границы уплотнения. И, наконец, сверхзвуковой поток может течь в сторону высокого давления – например, в это самое уплотнение.

Течь навстречу перепаду давления сверхзвуковому потоку разрешает другая природа движущей силы. Преобладающим становится не давление газа, как в дозвуковом потоке, а сила инерции движения. Поведением дозвукового потока управляет тепловая сущность – потенциальная энергия давления газа, а сверхзвуковые свойства потока создает другая форма энергии – кинетическая энергия движения.

Осиная талия и перерасширение

Классические сопла ракетных двигателей – это воронкообразные сужения и расширения с узкой осиной талией между ними. Узкая она благодаря большой плотности в камере сгорания. Сжатый газ может расширяться во много раз, все еще сохраняя ощутимое воздействие на стенки сопла и создавая тягу. Основное расширение начинается при подходе к скорости звука и продолжается во всей сверхзвуковой части сопла. В которой отношение конечной площади к начальной, то есть площади среза сопла и критического сечения, назвали степенью расширения сопла. Насколько можно расширять (и значит разгонять) газ внутри сопла? В космосе разреженность потока на срезе сопла доводят до практически извлекаемой пользы – пока добавка тяги на продлении сопла оправдывает прирост его массы. Неиспользованные остатки давления сбрасываются в пустоту космоса.

При старте с поверхности Земли в сопло давит атмосфера, препятствуя истечению. Струя вылетает из сопла расширенной сильнее атмосферы – плотность и давление струи ниже атмосферных. Такая струя называется перерасширенной, а сопло работает в режиме перерасширения. Чем разреженнее поток на срезе сопла, тем больше перепад давления с атмосферой и ее противодействие струе. Перерасширенная сверхзвуковая струя за счет высокой скорости выходит из сопла против перепада в половину атмосферы, а то и больше. И тормозится атмосферой уже за соплом.

Вот оно, работающее свойство сверхзвукового потока двигаться в сторону большего давления. Если этот перепад вырастет еще больше, атмосферное давление втиснется в сопло и начнет отжимать струю от стенок, “выключая” этот участок сопла. Тем самым тормозить струю еще в расширении сопла, не давая вырастать тяге – начнется режим запирания сопла наружным давлением. Зачем же расширять поток на срезе сопла ниже давления атмосферы? Потому что ее давление быстро падает с ростом высоты, в которую все стремительное будет уходить ракета.

Первые полсотни километров вертикали плавно обнулят противодавление атмосферы.

Поток на срезе сопла станет плотнее убывающей атмосферы, выбрасывая избыток давления без пользы. Сжатый плотней атмосферы поток недорасширен до равенства с ней. Он бы сильнее расширится смог, сделав и тягу немного сильней. Это режим недорасширения. Чтобы уменьшить напрасный сброс неиспользованного давления из сопла, степень расширения оптимизируют. То есть рассчитывают так, чтобы интегральные за время работы поднимающегося сопла потери были минимальны, а сделанная работа реактивной силы наибольшей для всего участка полета.

Для этого давление на срезе сопла рассчитывают равным атмосферному на высотах 8-12 км. Здесь работа сопла оптимальная – нет перепадов давления с атмосферой, нет и их потерь. Стартовое перерасширение плавно уменьшается с высотой, обнуляясь в оптимальном режиме истечения на 10-12 км, за которыми будет плавно нарастать недорасширение. Так сопло по мере подъема ракеты проходит три режима своей работы. А выбор давления на срезе сопла дает наименьшие интегральные потери на всем пути до точки выключения.

На вторых и третьих ступенях межконтинентальных и космических ракет двигатели запускаются в отсутствии ощутимого атмосферного давления. Поэтому расширение их сопел делают заметно большим, чем у первой ступени. Большие степени расширения и у космических ракетных двигателей – орбитального маневрирования, ориентации. Их сверхзвуковые части напоминают большие кубки с маленьким глазком критического сечения.

Большая семья, или Разнообразие сопловой газодинамики

Принцип наличия критического сечения реализуется в огромном множестве форм. Классические две воронки, передающие поток одна другой через слияние вершин, могут меняться до неузнаваемости. Щелевое сопло – плоский канал с сужением и расширением. Сопла с центральным телом могут почти не менять внешний диаметр; геометрию канала задает внутреннее центральное тело. Оно бывает конической или пулевидной формы, и к срезу сопла заканчивается, а критическая часть получается кольцевой. Центральное тело может меняться в широких пределах, полностью меняя облик сопла.

Сопло может состоять из одного центрального тела, охватываемого вдоль основания кольцевой щелью. Сжатый поток из щели течет по центральному телу, расширяясь на нем. Такое сопло имеет вид направленного назад вогнутого конуса. Вогнутость работает так же, как чашевидная выпуклость стенки обычного сопла. Только сопло своей стенкой обжимает края расходящегося потока в ровное течение, а центральное тело формирует спрямленную сердцевину потока.

Клиновоздушный двигатель работает именно так. Его сопло линейное – центральное тело вытянуто горизонтально и образует перевернутый вниз клин, подобный клинку сабли c двумя сторонами, сходящимися к лезвию. На этих рабочих вогнутых сторонах происходит расширение сверхзвукового потока, создающее тягу. Функционально стороны – это развернутая в линию стенка обычного сопла, точно так же создающая тягу.

Это клин обтекается сверху вниз сверхзвуковым потоком из небольших камер сгорания, тесным рядом установленных вверху. Каждая сторона клина становится для потока из камер одной стенкой сопла. Другой стенкой является атмосфера, обжимающая поток сбоку и своим давлением регулирующая его расширение. Поэтому поток на поверхностях клиновоздушно-клиновидного сопла расширяется оптимально, адаптируясь к изменению давления атмосферы.

Центральное тело может стать плоским, как тарелка, и расположиться в глубине сопла, в начале его расширения. Словно шляпка гвоздя, не до конца забитого в середину критического сечения. Пространство под шляпкой будет дозвуковой частью сопла. А края тарельчатого тела станут внутренней частью критического сечения. Поток растекается радиально из-под тарелки и разворачивается вокруг ее краев в сторону среза сопла, обжимаясь стенками и разгоняясь в сверхзвуковую струю. Тарельчатое сопло намного короче обычного, и поэтому легче. Его своеобразная газодинамика полностью соответствует соплу Лаваля.

Меньше давление, больше мощность рекордных гигантов

Высокое давление требует прочных и толстых стенок камеры сгорания, его проще запереть в камере небольшого размера. Масса большой конструкции с большим давлением будет тоже большой. У твердотопливных двигателей весь корпус является камерой сгорания. Поэтому давление в них ниже, чем в жидкостных ракетных двигателях, достигая лишь первых десятков атмосфер. Раз давление перед соплом пониже – значит, меньше степень расширения сопла и сужение в критическом сечении. Например, через критические сечение сопла твердотопливного ускорителя SLS может свободно пройти подросток. При диаметрах среза сопла в 3,8 м и критического сечения 1,37 м степень расширения составляет около 7,7. Средний уровень давления в 39 атмосфер не позволяет задать большую степень расширения.

Тяга создается не самой по себе скоростью истечения, а расходом при этой скорости. Твердотопливные двигатели могут создавать огромный расход рабочего тела через сопло. У них нет подачи топлива – все оно подано еще на заводе во всю длину двигателя, достигающую иногда десятков метров. У такого топливного массива огромная площадь горения и соответствующий расход, создающий очень большую реактивную тягу.

Самые мощные двигатели, когда-либо созданные человеком за всю историю – ракетные твердотопливные. Из серийно производимых это ускорители для ракеты-носителя SLS, бывшие ускорители Space Shuttle с добавленной пятой топливной секцией. При общей длине 54 м (это высота 18-этажного дома), диаметре 3,7 м и массе 726 тонн их тяга составляет 1620 тонн, а расход 6 тонн в секунду. Сопло такого ускорителя является сегодня самым мощным серийным соплом в мире.

Испытания твердотопливного двигателя QM-2 ускорителя ракеты SLS, 2016 год. Испытательный стенд Orbital ATK Propulsion Systems в Промонтори, штат Юта. (В 2018 году Orbital ATK была куплена Northrop Grumman Corporation и вошла в её состав, как специализированное подразделение по двигателям)

Экспериментальные твердотопливные двигатели были еще мощнее. Испытанный в 1965 году Aerojet AJ-260 SL-1 показал тягу 1800 тонн, а двигатель Aerojet AJ-260 SL-3 должен был вырабатывать 2670 тонн тяги. Их одиночные сопла остаются самыми мощными соплами Лаваля, когда-либо созданными людьми.

Изменяемая геометрия в громе форсажной тяги

Сопла с еще меньшим давлением, с перепадом всего пару атмосфер и очень небольшим сужением, получили огромное распространение в авиации, став незаменимым решением для целого класса двигателей. Поскольку в небольшом давлении много энергии не запасти, здесь идут тепловым путем – накачивают газ жаром мощного керосинового огня.

Форсажные двигатели работают в основном в боевых самолетах. Они используют форсаж при полете на сверхзвуке, для сокращения разбега при взлете, быстрого набора высоты, интенсивного маневрирования. Форсаж – это почти двукратное увеличение тяги, с многократным ростом расхода топлива. Оно сжигается в общем потоке за турбиной, в куске проточной части перед входом в сопло, называемом форсажной камерой сгорания. Ее форсунки образуют огромную керосиновую горелку, нагревающую поток перед соплом на тысячу градусов.

Сопло, будучи тепловой машиной, превращает прибавку тепла в прирост скорости.

Столь сильный добавочный нагрев газа увеличит давление перед соплом. Это снизит обороты турбины и компрессора, что сразу уменьшит подачу воздуха к соплу. Чтобы избежать обвала работы двигателя, критическое сечение сопла расширяют, «сбрасывая» в него растущее давление. Это делают полсотни подвижных элементов – створок. Трапециевидной формы литые пластины из жаростойкой и жаропрочной (это разные свойства) стали лежат внахлест, подобно чешуе или черепице, образуя рабочую поверхность сопла. Согласованно сдвигаясь гидроцилиндрами, они меняют внутреннее сужение, одновременно изменяя срез сопла. Благодаря такой подвижной конструкции сопло сохраняет расширение газа близким к оптимальному и подстраивается под режим работы двигателя, позволяя сильно увеличивать тягу при форсаже. А после выключения форсажа сворки сопла смещаются обратно, уменьшая критическое сечение и размер среза сопла.

Сопло Лаваля используется в необъятном множестве реактивных устройств. Во всех видах ракет, летающих в воздухе – от космических и межконтинентальных до зенитных и противотанковых, снарядов залповых систем, реактивных гранат, и бесконечного множества других реактивных летающих тел. Известны и реактивные пули, причем разных типов – например, экспериментальные подводные пули для подводного автомата АПС, похожие на толстые зеленые спицы с реактивным двигателем диаметром 5,45 мм. Или полудюймового диаметра (12,7 мм) вращающиеся пули-ракеты «Gyrojet» с четырьмя крошечными косыми соплами, проходившие испытания во Вьетнаме в начале 1970-х вместе со специальным пистолетом для них. Это были самые маленькие боевые ракеты в истории.

Сопловой блок может состоять из одного канала, или нескольких, или из десятков сопел. Размеры, форма, количество, расположение, наклон, тяга, назначение этих сопел меняются в самых широких пределах. Реактивные сопла отводят катапультируемое кресло летчика от самолета, мягко приземляют десантируемую технику и спускаемые аппараты, разгоняют осветительные ракеты и сигналы, уменьшают отдачу безоткатных орудий, забрасывают детонационные шнуры разминирования, отводят в сторону стартовые бугели при шахтном пуске МБР, и выполняют массу других задач, решаемых реактивной силой.

Нереактивные сопла

Сверхзвуковой поток человек добывает соплом Лаваля практически везде, где его использует. В турбинах щелевые сопла Лаваля разгоняют поток для подачи к лопаткам ротора. В сверхзвуковых реактивных турбинах каналы между лопатками подвижного диска тоже щелевые сопла Лаваля, разгоняющие газ до сверхзвуковой скорости. Каждые две соседние лопатки образуют своими поверхностями канал плоского сопла Лаваля, загнутый под углом назад. Поток в нем ускоряется и истекает назад движению, создавая лопаткам реактивную силу. Сверхзвуковые турбины работают в авиации и космонавтике, наземной технике и мореходстве, энергетике и добыче энергоресурсов.

Можно измельчать материал сверхзвуковым потоком, получив тонкую мельницу. В сверхзвуковую струю поступает сыпучий материал. Он захватывается и разгоняется струей, бьющей в твердую преграду, и разбивается об нее со скоростью многих сотен метров в секунду. Высокая чистота измельчения – материал сам колется о преграду – позволяет молоть медикаменты или химикаты высокой степени очистки.

Сверхзвуковые аэродинамические трубы тоже используют сопло Лаваля. Самый распространенный тип сверхзвуковой трубы баллонный. В большом помещении стоят два-три ряда из толстых стальных баллонов двухэтажной высоты, охваченных стеллажным вторым этажом (чтобы добираться к верхушке баллонов, когда нужно). За пару суток до продувки баллоны весь день накачивают воздухом под гул и вибрацию компрессора. Их тела сильно греются от сжатия далеко за сотню атмосфер, потом за ночь остывают.

Продувка проводится в отдельном боксе со стальными дверями. Весь набитый в баллоны воздух сбрасывается за тридцать секунд. Сопло превращает сжатый воздух баллонов в сверхзвуковой поток, текущий в рабочей части трубы. Небольшого сечения, она собрана из прочных стальных элементов, заключающих в себе поток с обдуваемой моделью. Бонусом выступает симуляция сверхзвукового полета на большой высоте с ее морозом – от расширения потока температура в рабочей части минус 80 градусов. Значения числа Маха потока в трубе могут превышать 5, тогда труба становится гиперзвуковой.

В одном из московских вузов с обширным, но запутанным двором в одном из его закоулков стояла решетчатая будка, похожая на киоск. В эту часть двора выходили аудитории кафедры английского языка. Раз в неделю занятия прерывались на полминуты стеной сплошного грохота, напрочь заглушавшего любые попытки речи преподавателей и студентов. Решетчатая будка скрывала выходной канал сверхзвуковой трубы этого вуза, затопляя грохотом двор во время продувки. Так сверхзвуковая аэродинамика вторгалась во все области наук, выходившие аудиториями к этой будке.

Рассчитать сопло, дающее нужное число Маха при располагаемом расходе, смог первопроходец сверхзвуковых расчетов и основоположник сверхзвуковой аэрогазодинамики Людвиг Прандтль. В 1909 году он построил в Германии, в Геттингене, где работал, первую в мире сверхзвуковую трубу. Сегодня все сопла считают по его методу расчета сверхзвукового сопла.

Расчеты позволяют профилировать сопло. Профиль – это кривизна формы сопла, отличающая его от простого конуса, точная геометрия сопла. В критическом сечении расширение газа самое интенсивное, и сразу за ним надо быстро дать газу объем для расширения. Стенки сопла здесь расходятся в стороны круто расширяющимся раструбом. В конце сопла, когда работа расширения сделана, поток направляется цилиндрическим краем сопла в почти параллельную струю.

Плавный переход от резко расширяющейся части к почти цилиндрическому краю делает сопло выпуклым, похожим на бокал или колокол. Это и будет профилированное сопло. Верно выбранная кривизна стенок расширит газ оптимально, с наибольшим разгоном потока при наименьшей длине сопла. Это минимальная масса, поверхность охлаждения, объем материала и обработки, и стоимость. Поэтому почти все сопла сегодня профилированные. Их профиль рассчитывается по заданным параметрам исходного газа и нужного течения, позволяя вылепить наилучшую кривизну сосуда для сверхзвука.