Звуковой барьер

Откуда взялся «барьер»

Выражение возникло в 1930–40-х годах, когда лётчики поршневых истребителей, пикируя на скоростях, близких к звуковым, сталкивались с тряской, потерей управляемости и необъяснимо «каменеющими» рулями. На самом деле жёсткой стены нет. Есть область скоростей, в которой на частях самолёта появляются местные сверхзвуковые зоны, замыкаемые скачками уплотнения. Скачки отнимают энергию, нарушают обтекание и резко повышают лобовое сопротивление — этот эффект называют волновым кризисом.

Для самолёта с обычным профилем критическое число Маха лежит около 0,7–0,8: выше этой границы на верхней поверхности крыла появляются первые скачки. Разгон до М = 1 требует преодоления пика сопротивления, который в несколько раз превышает сопротивление на дозвуке.

Как конструкторы преодолели барьер

Ответом стали тонкие крылья малой толщины, стреловидность крыла, площадь, распределённая вдоль фюзеляжа по правилу площадей, цельноповоротное оперение и мощные двигатели с форсажем. Сбалансированная система управления без сервоусилителей на высокой скорости была невозможна: рули «прессовало» потоком, поэтому в 1940-х годах пришли необратимые бустеры и управляемый стабилизатор.

• Тонкие профили с острыми кромками уменьшают интенсивность скачков.
• Стреловидность 30–60 градусов оттягивает волновой кризис.
• Правило площадей выравнивает изменение сечения по длине самолёта.
• Управляемый стабилизатор сохраняет управляемость при смещении фокуса.

Первые полёты за барьером

Первым официально зарегистрированным сверхзвуковым полётом считается полёт Чака Йегера на ракетоплане Bell X-1 14 октября 1947 года на высоте около 13 000 метров. Самолёт достиг числа Маха 1,06. В СССР первые сверхзвуковые полёты выполнили в конце 1940-х на опытных самолётах, а серийным сверхзвуковым истребителем стал МиГ-19. В пассажирскую авиацию сверхзвук пришёл в конце 1960-х: Ту-144 поднялся в воздух 31 декабря 1968 года, а Concorde — 2 марта 1969 года.

Звуковой удар

Сверхзвуковой самолёт тянет за собой конус скачков уплотнения. Наблюдатель на земле слышит резкий двойной хлопок — звуковой удар, чья интенсивность зависит от массы самолёта, высоты и формы. Из-за этого сверхзвуковые полёты над сушей ограничены в большинстве стран, и именно это стало серьёзным препятствием для сверхзвуковых лайнеров. Современные проекты вроде NASA X-59 нацелены на «тихий» удар, похожий на хлопок закрываемой автомобильной двери.