Сверхзвуковая скорость: определение и особенности¶

Сверхзвуковая скорость — это скорость движения объекта, превышающая скорость звука в данной среде. В авиации и физике под сверхзвуковой скоростью обычно понимают скорость летательного аппарата, превышающую местную скорость звука, которая на уровне моря в стандартной атмосфере составляет примерно 1225 км/ч (или 340 м/с). Величина скорости звука зависит от температуры и состава среды, поэтому абсолютное значение сверхзвуковой скорости непостоянно.

¶Физические основы

Скорость звука — это скорость распространения упругих волн в среде. В воздухе она пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры. На высоте 11 км, где температура падает до −56,5 °C, скорость звука снижается примерно до 1062 км/ч. Поэтому самолёт, летящий со скоростью 1100 км/ч на большой высоте, может уже двигаться сверхзвуково, тогда как у земли такая скорость была бы дозвуковой.

Для характеристики скорости летательного аппарата используется число Маха (M) — отношение скорости объекта к местной скорости звука. Режимы полёта классифицируются следующим образом:

• дозвуковой — M < 0,8;
• трансзвуковой — 0,8 < M < 1,2;
• сверхзвуковой — 1,2 < M < 5;
• гиперзвуковой — M > 5.

¶Волновой кризис и звуковой барьер

При приближении к скорости звука (M ≈ 0,8–1,0) наступает волновой кризис — резкое возрастание лобового сопротивления, вызванное образованием ударных волн на поверхности летательного аппарата. Это явление исторически получило название «звуковой барьер». Первые попытки преодолеть его на самолётах с поршневыми двигателями и винтами приводили к потере управляемости и разрушению конструкций.

Преодоление звукового барьера сопровождается характерным хлопком — результатом резкого перепада давления при прохождении ударной волны. На земле этот эффект воспринимается как звук взрыва и называется сверхзвуковым ударом (сонным бумом). Интенсивность удара зависит от массы, размеров и высоты полёта аппарата.

¶История преодоления

Первым человеком, официально преодолевшим звуковой барьер в управляемом горизонтальном полёте, стал американский лётчик Чак Йегер. 14 октября 1947 года на экспериментальном самолёте Bell X-1 он достиг скорости M = 1,06 на высоте около 13,7 км. В СССР аналогичный результат был достигнут 26 декабря 1948 года лётчиком Олегом Соколовским на самолёте Ла-176, однако из-за отсутствия официальной регистрации приоритет остался за Йегером.

Развитие сверхзвуковой авиации шло по двум направлениям: боевая авиация и гражданские перевозки. В 1950–1960-х годах были созданы первые серийные сверхзвуковые истребители (МиГ-19, F-100 Super Sabre) и бомбардировщики (Convair B-58 Hustler, Ту-22). Для достижения сверхзвуковой скорости потребовались новые конструктивные решения: стреловидное и треугольное крыло, мощные турбореактивные двигатели с форсажными камерами, жаропрочные материалы.

¶Сверхзвуковые пассажирские самолёты

Гражданская сверхзвуковая авиация — редкий и технически сложный сегмент. Серийно эксплуатировались только два типа пассажирских сверхзвуковых лайнеров:

Ту-144 — советский самолёт, совершивший первый полёт 31 декабря 1968 года (на два месяца раньше Concorde). Первый в мире пассажирский сверхзвуковой самолёт, начавший коммерческие перевозки 1 ноября 1977 года по маршруту Москва — Алма-Ата. Эксплуатация продолжалась всего несколько месяцев и была прекращена после катастрофы в июне 1978 года. Всего построено 16 машин.

Concorde — совместная разработка Великобритании и Франции. Совершил первый полёт 2 марта 1969 года, коммерческая эксплуатация началась 21 января 1976 года. Крейсерская скорость составляла около M = 2,02 (примерно 2150 км/ч), что позволяло перелетать через Атлантику за 3,5 часа. Эксплуатировался до 24 октября 2003 года; причиной прекращения полётов стали экономическая нерентабельность и снижение пассажиропотока после катастрофы 2000 года под Парижем.

¶Особенности конструкции сверхзвуковых самолётов

Сверхзвуковой полёт предъявляет жёсткие требования к аэродинамике. Основные конструктивные особенности:

• Крыло: используются тонкие профили с малой относительной толщиной, стреловидные (до 60°) или треугольные формы (дельтовидное крыло) для снижения волнового сопротивления.
• Фюзеляж: удлинённая форма с заострённой носовой частью; у Ту-144 и Concorde носовая часть отклонялась вниз для обеспечения обзора пилотам на взлёте и посадке.
• Силовая установка: турбореактивные двигатели с форсажными камерами; воздухозаборники регулируемой геометрии для оптимизации потока на разных скоростях.
• Теплозащита: при M = 2 температура обшивки достигает 100–150 °C, поэтому применяются титановые сплавы и специальные алюминиевые сплавы с теплозащитными покрытиями.
• Управление: на сверхзвуковых скоростях эффективность обычных рулей снижается, поэтому применяются цельноповоротные стабилизаторы и элевоны.

¶Военное применение

Сверхзвуковая скорость является ключевым требованием для современных истребителей и перехватчиков. Большинство боевых самолётов четвёртого и пятого поколений способны развивать скорость M = 1,8–2,5. Некоторые модели, например МиГ-31, достигают M = 2,83. Отдельное направление — сверхзвуковые стратегические бомбардировщики (Ту-160, B-1 Lancer), способные преодолевать ПВО на высокой скорости.

Особый режим — сверхзвуковая крейсерская скорость без использования форсажа (supercruise). Он позволяет экономить топливо и снижать тепловую заметность. Первым серийным самолётом с таким режимом стал британский English Electric Lightning в 1960-х годах; в настоящее время сверхзвуковой крейсер реализован на истребителях пятого поколения F-22 Raptor и Су-57.

¶Современные проекты

В 2010–2020-х годах возобновился интерес к гражданским сверхзвуковым перевозкам. Разрабатываются проекты «тихих» сверхзвуковых самолётов, снижающих интенсивность ударной волны за счёт особой аэродинамической компоновки. Среди них — американский X-59 QueSST (программа NASA), российский проект СПС «Стриж» (ЦАГИ), а также разработки компаний Boom Supersonic (Overture), Spike Aerospace и Aerion (проект прекращён в 2021 году). Основные проблемы, которые предстоит решить: снижение шума, повышение топливной эффективности и соответствие экологическим нормам.

¶Ограничения и проблемы

Распространению сверхзвуковых полётов препятствуют несколько факторов. Во-первых, высокий расход топлива на сверхзвуковых режимах (в 2–3 раза выше, чем на дозвуке). Во-вторых, звуковой удар, из-за которого во многих странах, включая США и Россию, запрещены регулярные сверхзвуковые полёты над сушей. В-третьих, повышенный уровень шума в районе аэропортов. Кроме того, выбросы в стратосфере от сверхзвуковых самолётов могут оказывать влияние на озоновый слой, что делает их эксплуатацию предметом экологических споров.