Сверхзвуковая скорость сколько махов

Гиперзвуковая скорость, «гиперзвук» — сегодня в ракетной и авиационной сфере это самое модное слово. Как «нанотехнологии» повсеместно лет десять назад. Но что же это такое «гиперзвук», и в чем он измеряется?

Есть правильный ответ — больше 1 М. Или Число Маха равное единице, это скорость звука, а выше единицы, это уже сверхзвук.

Совсем не привычное нам число, выраженное в километрах в час. Если упростить, то объяснить можно так: скорость звука зависит о свойств среды в которой он распространяется, чем плотнее среда, тем быстрее распространяются колебания (звук это ведь волна). Таким образом на разной высоте скорость звука разная. Чем выше, тем меньше плотность воздуха и тем ниже будет местная скорость звука.

Сначала стоит конечно определиться, гиперзвук – это сколько? Принято считать, что гиперзвуковая скорость, это скорость выше 5 М, то есть больше пяти чисел Маха, а если совсем просто, то это скорость в пять раз превышающая скорость звука.

Вам интересно сколько это в километрах в час? От 5380 км/ч до 6120 км/ч, в зависимости от параметров среды (для самолета — воздуха), то есть от плотности воздуха, которая разная на разных высотах полета. Так что, для простоты восприятия, все таки лучше пользоваться числами Маха. Если скорость воздушного судна превысила значение 5 М — это гиперзвуковая скорость.

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?

Что такое скорость звука

Скорость звука в километрах в час не выражается, просто потому, что в таком случае она всегда будет разной.

Зависимость скорости звука от высоты полета

Например, скорость звука у земли (на высоте 0 км) составит 340 метров в секунду (м/с), это 1224 км/ч. И тут важно сказать что такое значение будет: при температуре +15 и давлении 750 мм. рт. ст. и относительной влажности 0%. То есть, при «стандартных» условиях.

А вот на высоте 10 000 метров, на которой летают современные пассажирские лайнеры, это уже около 299 м/с (это 1076 км/ч), то есть разница довольно значительная — 12%.

Также от высоты полета и других параметров атмосферы зависит и скорость звука, и сопротивление воздуха и, соответственно, скорость самолета, которую он может развить.

Скорость звука на высоте 11 километров и выше почти не будет меняться, эта часть атмосферы называется «тропопауза».

То же самое в виде таблицы

Зависимость скорости звука от высоты*

*Минутка занудства. Нужно напомнить, что на самом деле скорости звука от высоты зависит условно, это упрощение. Скорость звука зависит от плотности атмосферы, а плотность воздуха, в свою очередь, зависит от температуры, влажности и давления, которые меняются с высотой.

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.

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.

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.

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.

Какие самолеты считаются сверхзвуковыми

Сверхзвуковыми являются самолеты, способные совершать полет со скоростью, превышающей скорость звука в воздухе.

Согласно данным открытых источников, минимальная скорость – 1250 км/ч, максимальная– 6125 км/ч.

История гиперзвуковой скорости

В 50-е годы шла борьба за достижения скорости звука. Когда инженеры и ученые поняли, как ведет себя самолет при скорости выше скорости звука и научились создавать летательные аппараты предназначенные для таких полетов, пришло время идти дальше. Заставить самолеты летать еще быстрее.

В 1967 году американский экспериментальный летательный аппарат X-15 достиг скорости 6,72 М (7274 км/ч). Он был оснащен ракетным двигателем и летал на высотах от 81 до 107 км (100 км, это линия Кармана, условная граница атмосферы и космоса). Поэтому, правильнее называть X-15 не самолетом, а ракетопланом. Взлететь самостоятельно он не мог, ему требовался самолет-разгонщик. Но все таки, это был гиперзвуковой полет. Причем, летали X-15 с 1962 по 1968 годы, а 7 полетов на X-15 совершил тот самый Нил Армстронг.

Стоит понимать, что полеты вне атмосферы, какими бы быстрыми они не были не корректно считать гиперзвуковыми, ведь плотность среды в которой движется летательный аппарат очень мала. Эффектов присущих сверхзвуковому или гиперзвуковому полету просто не будет.

В 1965 году YF-12 (прототип знаменитого SR-71) достиг скорости 3,331,5 км/ч, а в 1976 уже сам серийный SR-71 — 3,529,6 км/ч. Это «всего лишь» 3,2–3,3 М. Далеко не гиперзвук, но уже для полетов на этой скорости в атмосфере пришлось разрабатывать специальные двигатели, которые на малых скоростях работали в обычном режиме, а на высоких в режиме прямоточного двигателя, а для пилотов — специальные системы жизнеобеспечения (скафандры и системы охлаждения), так как самолет нагревался слишком сильно. Позднее, эти скафандры использовались для проекта Шаттл. Очень долгое время SR-71 являлся самым скоростным самолетом в мире (летать он перестал в 1999 году).

SR-71 и его пилоты

Советский Миг-25Р теоретически мог достичь скорости в 3,2 М, но эксплуатационная скорость ограничивалась значением 2,83 М.

В те же 60-е в США и СССР существовали проекты космических проектов X-20 «Dyna Soar» и «Спираль» соответственно. Для Спирали изначально предполагалось использование гиперзвукового самолета-разгонщика, потом сверхзвукового, а потом проект вообще закрыли. Та же судьба постигла и американский проект.

Космический самолет Спираль

Вообще проекты именно гиперзвуковых летательных аппаратов того времени были связны с полетами вне атмосферы. Иначе и быть не может, на «малых» высотах слишком высока плотность и соответственно сопротивление, что приводит ко многим негативным факторам, которые в то время преодолеть не смогли.

Американский космический самолет X-20

Гиперзвук в настоящее время

За всеми перспективными исследованиями, как обычно стоят военные. В случае с гиперзвуковыми скоростями, это тоже имеет место.

Сейчас исследования ведутся в основном в направлении космических аппаратов, гиперзвуковых крылатых ракет и так называемых гиперзвуковых боевых блоков. Теперь уже речь идет о «настоящем» гиперзвуке, полетах в атмосфере. Обратите внимание, работы по гиперзвуковым скоростям были в активной фазе в 60-70 годах, потом все проекты были закрыты.

Вернулись к скоростям выше 5 М только на рубеже 2000-х годов. Когда технологии позволили создавать эффективные прямоточные двигатели для гиперзвуковых полетов.

В 2001 первый полет совершил беспилотный летательный аппарат с прямоточным двигателем

Boeing X-43. Уже в 2014 он разогнался до скорости в 9,6 М (11 200 км/ч). Хотя проектировался X-43 для скоростей в 7 раз выше скорости звука. При этом рекорд был поставлен не в космосе, а на высоте всего 33 500 метров.

X-43 на фото выглядит маленьким черным треугольником прикрепленным к разгонной ракете

В 2009 году начались испытания прямоточного двигателя для крылатой ракеты компании Boeing X-51A Waverider. В 2013 году аппарат X-51A разогнался до гиперзвуковой скорости — 5,1 М на высоте 21 000 метров. Полет продлился 6 минут.

X-51A Waverider гиперзвуковая крылатая ракета

Аналогичные проекты на разных стадиях осуществляют и другие страны: Германия (SHEFEX), Великобритания (Skylon), Россия («Холод» и «Игла»), Китай (WU-14) и даже Индия (Брамос), Австралия (ScramSpace) и Бразилия (14-X).

ГЛЛ-31 проекта «Холод»

Интересный проект летательного аппарата для полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере, американский Falcon HTV-2, считается провальным. Предположительно, Falcon смог разогнаться до огромной для атмосферы скорости — 23 М. Но только предположительно, так как все экспериментальные аппараты просто сгорели.

Рекордный Falcon HTV-2 выглядит очень просто

Все перечисленные летательные аппараты (кроме Skylon) не могут самостоятельно набрать необходимую для работы прямоточного двигателя скорость и используют разные ускорители. Но Skylon пока только проект не сделавший пока ни единого испытательного полета.

Правильная гиперзвуковая ракета

В 2021 году в DARPA стартовал проект  Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC). Это именно то что действительно можно называть гиперзвуковой ракетой. В 2022 году тестовый поет завершился успешно.

Ракета HAWC разогналась до скорости 6100 км/час на высоте 18 километров и пролетела 560 километров в горизонтальном полете. Это и есть настоящая гиперзвуковая скорость. Честный результат достигнутый в горизонтальном полете с использованием гиперзвукового двигателя.

На высоте 18 км 6100 километров в чес соответствует числу Маха 5,7 — то есть более чем в 5 раз быстрее звука.

Планируется, что полученные результаты будут использованы в проекте Hypersonic Attack Cruise Missile (HACM), то есть для создания серийной гиперзвуковой ракеты. Платформой для ее запуска будет истребитель F-15EX. Саму ракету будет выпускать компания в Raytheon а двигатель для нее в Northrop Grumman.

Далекое будущее гиперзвука

Существуют и гражданские проекты гиперзвуковых самолетов для перевозки пассажиров. Это европейские SpaceLiner с одним типом двигателя и ZEHST который должен использовать целых 3 типа двигателя на разных режимах полета. Также над своими проектами работают и другие страны.

Такие лайнеры предположительно смогут доставить пассажиров из Лондона в Нью-Йорк всего лишь за час. Полетать на таких самолетах мы сможем не раньше 40-х, 50-х годов 21 века. А пока гиперзвуковые скорости остаются уделом военных, либо космических аппаратов.

Еще истории:

Скорость звука и число Маха

Когда заходит речь о сверхзвуковых или гиперзвуковых скоростях, вместо привычных большинству людей километров (или миль) в час начинают фигурировать какие-то странные «Махи». Например — «скорость самолета превысила 5,2 Маха». Что же это за единица измерения и как ее воспринимать?

Так называемое «число Маха» названо в честь Эрнста Маха, австрийского физика. Будучи одним из основоположников газовой механики и окончив жизнь в эпоху первых летающих «этажерок», «небесных тихоходов», он и подумать не мог, что уже в конце 1940-х гг. реактивные истребители вплотную приблизятся к звуковому барьеру, и единица скорости, названная его именем, войдет в повседневный обиход авиаторов.

Запредельно упрощенно (и весьма некорректно!) можно сказать, что единица числа Маха — это скорость звука. Иными словами, 1 Мах условно равен 340 метрам в секунду или 1224 км/ч. Соответственно, 2 Маха — условно 680 метров в секунду или 2448 км/ч, и далее соответственно. Однако любой преподаватель газодинамики за такое объяснение отвесит вам полновесного «леща» учебником Абрамовича. Ибо число Маха — это не скорость в классическом понимании — в виде расстояния, пройденного за отрезок времени. Эта безразмерная единица, хотя и плотно привязана к скорости звука в воздухе, учитывает тот факт, что скорость звука — вовсе не постоянная величина!

Большинство считает, что скорость звука в воздухе равна 340 метрам в секунду. Но свойства-то воздуха могут быть разными. А значит, различна и скорость распространения звука в нем! В приземном слое она действительно равна тем самым 340 метрам в секунду, но, к примеру, на высотах около десяти километров, скорость из-за разреженности воздуха и низких температур — иная, и составляет уже около 300 метров в секунду.

Чтобы преодолеть звуковой барьер непосредственно над землей, самолету нужно достичь скорости 1224 км/ч, а на высоте десяти тысяч метров для этого достаточно скорости 1076 км/ч — на 148 км/ч меньше. Разница около 13–14 процентов — это весьма немало и имеет существенное значение как для инженеров, проектирующих самолет, так и для пилотов, им управляющих. Иными словами, 1 Мах — это скорость звука при конкретных параметрах высоты и температуры, в которых летит самолет, «здесь и сейчас».

Гиперзвуковая скорость

Собственно почему именно 5 М? Значение 5 было выбрано потому, что при такой скорости начинают наблюдаться ионизация потока газа и другие физические изменения, что конечно влияет на его свойства.

Эти изменения особенно заметны для двигателя, обычные ТРД (турбореактивные двигатели) просто не могут работать на такой скорости, нужен принципиально иной двигатель, ракетный или прямоточный (хотя на самом деле он и не такой уж другой, просто в нем отсутствует компрессор и турбина, а свою функцию он выполняет так же: сжимает воздух на входе, смешивает его с топливом, сжигает в камере сгорания, и получает реактивную струю на выходе).

Фактически, прямоточный двигатель, это труба с камерой сгорания, очень просто и эффективно на большой скорости. Вот только у такого двигателя есть огромный недостаток, ему для работы нужна определенная начальная скорость (своего компрессора то нет, нечем сжимать воздух на малой скорости).

Важно замечание. Говорить о гиперзвуковой скорости можно только в случае достижения его в атмосфере. Если же аппарат (боевой блок межконтинентальной ракеты, сама ракета или спутник) двигаются вне атмосферы (в космосе, где сопротивление ничтожно мало), ни о какой гипер-скорости речи нет.

Например, межконтинентальная ракета, развивает скорость около 7 км/сек вне атмосферы, это примерно 25 200 километров в час! Но это не гиперзвук, это не в атмосфере.

Вот почему «гиперзвуковая» ракета «Кинжал» не может считаться гиперзвуковой. Она конечно разгоняется до гиперзвуковой скорости, но делает это не в атмосфере, а за ее пределами. У «Кинджала» нет гиперзвукового двигателя, который может работать при скорости больше 5 М, ведь это баллистическая ракета, которая просто падает на землю из космоса. Как и любая другая баллистическая ракета в мире.

Правильно называть «Кинджал»— аэробаллистической ракетой. «Аэро» потому, что на запускается с самолета.

Например, немецкая Фау-2 поднималась на высоту более 100 км (все то выше 100 километров считается космосом) и оттуда падала разгоняясь до максимальной скорости 5900 км/час*. Но никто никогда не называл баллистическую ракеты гиперзвуковой. Просто потому, что при входе в атмосферу начинается ее торможение, а двигатель ракеты уже не работает.

*На высоте 5 км, это как раз бы и была гиперзвуковая скорость. Но дело в том, что такая скорость достигалась на высоте около 50-7 километров, а дальше начинала падать из-за торможения об атмосферу.

Главная проблема с которой баряться инженеры для преодоления порога гиперзвука, это нагрев. Ведь двигаясь в атмосфере со скоростью больше 5 махов, любой аппарат будет сильно нагреваться.

Для баллистических ракет и космических кораблей эта проблема решается нанесением специального покрытия. Но такие аппараты находяться в атмосфере недолго и не успевают разогреться настолько сильно, чтобы это стало проблемой.

В случае с атмосферным полетом, который будет занимать отнюдь не секунды нужны новые жаропрочные и жаростойкие материалы.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ссылки по теме:

Бывший проводник и «нахальная стюардесса» делится фотографиями бесящих пассажиров

Как самолеты могут измениться в ближайшие годы: топ-13 инноваций на борту

Американцы показали «уничтожение» российских ракетных комплексов «Тополь-М» и С-400

Авиакомпания Emirates — роскошь в полете

16 отвратительных попутчиков, с которыми точно не хочется оказаться в одном самолете

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.

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.

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.

Зачем нужно число Маха

Так вот, число Маха в авиации представляет собой отношение скорости летательного аппарата к скорости звука на той высоте на которой он сейчас летит. Так удобнее, ведь на разной высоте скорость звука будет разной и чтобы понимать достигает ли самолет скорости звука, его скорость измеряют в числах М.

Один мах, это просто — 1 мах, а не «км/ч». Нельзя просто ответить на вопрос  «сколько 1 мах в километрах в час», нужно всегда уточнять, о какой высоте идет речь.

Если еще проще, число М показывает сколько скоростей звука в скорости самолета сейчас на конкретной высоте (при определенных условиях среды). Если число Маха больше единицы, очевидно, мы имеем дело со сверхзвуковой скоростью. Поэтому чаще всего вы будете встречать пояснение для какой высоты указано конкретное число Маха.

Например, для Боинга 777 крейсерской скоростью считается 0,84 М (это дозвуковой летательный аппарат). То есть на высоте 10 000 метров при стандартных условиях, принимая скорость звука за 1076 км/ч умножаем ее на 0,84 и получаем — 904 км/ч. По документации крейсерская скорость Boeing 777 составляет как раз 905 км/ч.

Что касается сверхзвуковых летательных аппаратов, то, по определению, их скорости должны быть больше скорости звука, то есть больше 1 М. Например у Су-27 это 2,35 М, что примерно 2 528 км/ч на высоте 10 км (скорость звука 295 м/с, а это 1062 км/ч).

Число М некоторых сверхзвуковых самолетов:

• Су-27 — 2,35 М
• Су-30 — 2,0 М
• Миг-31 — 2,82 М
• Eurofighter — 2,0 М
• F-15 — 2,5 М
• F-16 — 2,0 М
• F-22 — 2,25 М
• SR-71 — 3,3 М (3 529 км/ч)

А вот гиперзвуковые летательные аппараты:

• Эксперементальный гиперзвуковой X-43A — 7,5 М (12 144 км/ч)
• Эксперементальная ракета X-51 — 9,8М  (12 144 км/ч)

SR-71 — самый быстрый серийный самолет

Еще одно замечание, число Маха в авиации, это качественная величина, а не количественная. То есть это не скорость в чистом виде, а критерий который показывает насколько скорость объекта выше скорости звука. Зачем? Затем, что дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые или гиперзвуковые скорости очень сильно отличаются по сути.

Пилоту (и инженеру тоже) важно знать какой у него сейчас режим обтекания самолета (дозвуковой, трансзвуковой или сверхзвуковой). Например, во многих указателях скорости есть отдельный циферблат, показывающий значение числа Маха в дополнению к приборной скорости.

На картинке в начале этого повествования изображен трансзвуковой режим. Это значит, что сам самолет еще не превысил скорость звука, а на некоторых его участках (на фото это очень хорошо видно по белым «клиньям») скорость обтекания уже достигла скорости звука.

Поэтому и образовались скачки уплотнения которые хорошо видны благодаря образованию конденсата позади них. Вот почему, число Маха так важно.

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.

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?

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.

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.

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.

Так же неверно говорить о «скорости в три числа Маха» или «с тремя числами Маха», ведь число Маха не является константой с постоянным значением. Это переменная величина, принимающая любое конкретное значение. Каждой скорости соответствует свое значение числа Маха. Если М=1, то это ровно местная звуковая скорость. При М<1 (например, М=0,7) полет дозвуковой, при М>1 (например, М=2,3) — сверхзвуковой.

Для чего нужно измерение скорости в Махах?

Слово «MACH» или буква «М» значатся на особых индикаторах скорости в пилотских кабинах — этими приборами часто дополняют измерители приборной скорости и на летном жаргоне их именуют «махометрами». Лимб «махометра» размечен в условных единицах — условно говоря, если его стрелка встанет на цифру 1, то самолет летит со скоростью звука в данный момент времени и на данной высоте. Если полет, предположим, проходит низко над землей, то фактическая скорость при 1 Махе будет равняться 1224 км/ч, если на высоте десяти тысяч метров — 1076 км/ч.

Но возникает естественный вопрос — для чего пилоту необходимы данные скорости с «махометра»? Дело в том, что момент перехода через звуковой барьер связан с резкими изменениями аэродинамического баланса самолета и требует повышенного внимания в управлении. И этот момент как раз точно индицирует «махометр».

В дальнейшем, после «перехода через единицу» этот прибор также необходим для оценки реальной ситуации, что называется, «онлайн», ибо за звуковым пределом машина ведет себя совсем не так, как до него. Ну, и наконец, индикация реальной скорости в Махах нужна для отслеживания числа М, обозначенного создателями самолета, как конструктивный предел его прочности.

Впрочем, «махометр» имеется не в каждом самолете. Собственно, принято считать, что для летающих машин, не превышающих скоростей около 400 км/ч и высот около 2–3 тысяч километров конвертация скорости в число М неактуальна — самолет в своем штатном дозвуковом диапазоне рабочих скоростей ведет себя достаточно линейно и предсказуемо.

Что происходит во время преодоления звукового барьера самолетом

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.

От дозвука до гиперзвука

Скорость звука в воздухе давно принята за некую эталонную точку отсчета для самых разных научных и практических измерений. Впервые об этой величине как о достаточно стабильной упоминал еще Аристотель. Он использовал ее для сравнения и характеристики движения тел. Первым же человеком в истории, преодолевшим звуковой барьер, стал в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йегер на экспериментальном самолете Bell Х-1. Первый советский пилот, капитан Олег Соколовский, разогнался до скорости звука годом позже — на Ла-176, также экспериментальном.

Правда, сверхзвуковые полеты середины ХХ века были весьма условными по нынешним понятиям. Ла-176 достигал скорости звука лишь в пологом пикировании, а Bell Х-1 для этого и вовсе поднимался в небо не собственными силами, а с помощью самолета-носителя, дабы не потратить все топливо на взлете.

Сверхзвуковым принято называть диапазон от 1 до 5 скоростей звука, ну а 5 «звуковых» скоростей и далее — это тот самый «гиперзвук», о котором сегодня так много говорят. Правда, пока он упоминается чаще всего применительно к ракетному оружию, ибо пилотируемые и беспилотные самолеты, перемещающиеся на таких скоростях, в массе своей представляет штучные тестовые модели.

Можно ли с земли услышать взрывной хлопок от преодоления самолетом звукового барьера

Вопросом, можно ли услышать звуковой барьер, преодолеваемый самолетом, еще в 2007 году задался Александр Пушной – ведущий популярной научно-просветительской программы «Галилео». На него ответили летчики пилотажной группы «Стрижи».

Так, скорость звука в воздухе составляет около 1230 км/ч. Она может быть больше или меньше – зависит от плотности воздуха. Однако некоторые воздушные судна способны развивать скорость свыше 4 тысяч км/ч, что в три раза быстрее скорости звука.

Пока самолет движется на дозвуковой скорости, звук от него распространяется равномерно, но при разгоне звуковые волны уплотняются, создавая ударную волну. С увеличением скорости, волна принимает форму конуса, и чем больше скорость, тем этот «конус» острее.

Ударная волна постоянно сопровождает сверхзвуковой самолет. При определенных обстоятельствах, но это происходит крайне редко, этот «конус» можно даже увидеть.

Рев турбин воздушного суда можно услышать уже после взрывного хлопка от преодоления звукового барьера.

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.

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.

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.

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.