В аэродинамике критическое число Маха ( Mcr или M* ) самолета — это наименьшее число Маха , при котором поток воздуха над некоторой точкой самолета достигает скорости звука , но не превышает ее. [1] При нижнем критическом числе Маха поток воздуха вокруг всего самолета является дозвуковым. Сверхзвуковые самолеты, такие как Concorde и боевые самолеты, также имеют верхнее критическое число Маха , при котором поток воздуха вокруг всего самолета является сверхзвуковым. [2]
Для самолета в полете скорость воздушного потока вокруг самолета значительно отличается местами от скорости самолета; это связано с тем, что воздушный поток должен ускоряться и замедляться по мере прохождения вокруг конструкции самолета. Когда скорость самолета достигает критического числа Маха, скорость воздушного потока в некоторых областях вблизи планера достигает скорости звука, хотя сам самолет имеет скорость воздуха ниже 1,0 Маха. Это создает слабую ударную волну . Когда самолет превышает критическое число Маха, его коэффициент лобового сопротивления внезапно увеличивается, вызывая резкое увеличение лобового сопротивления , [3] и, в самолете, не предназначенном для околозвуковых или сверхзвуковых скоростей, изменения воздушного потока над поверхностями управления полетом приводят к ухудшению управления самолетом. [3]
В самолетах, не предназначенных для полетов на критическом числе Маха или выше, ударные волны, которые образуются в воздушном потоке над крылом и хвостовым оперением, вызывают складывание Маха и могут быть достаточными для остановки крыла, вывода из строя поверхностей управления или потери управления самолетом. Эти проблемные явления, возникающие на критическом числе Маха или выше, в конечном итоге были отнесены к сжимаемости воздуха . Сжимаемость привела к ряду аварий с участием высокоскоростных военных и экспериментальных самолетов в 1930-х и 1940-х годах.
Проблема проектирования самолета, который оставался бы управляемым при приближении и достижении скорости звука, стала источником концепции, известной как звуковой барьер . Военные дозвуковые самолеты 1940-х годов , такие как Supermarine Spitfire , Bf 109 , P-51 Mustang , Gloster Meteor , He 162 и P-80 , имели относительно толстые, нестреловидные крылья и неспособны достигать скорости 1,0 Маха в управляемом полете. В 1947 году Чак Йегер летал на Bell X-1 (также с нестреловидным крылом, но гораздо более тонким), достигнув скорости 1,06 Маха и выше, и звуковой барьер был наконец преодолен.
Ранние околозвуковые военные самолеты, такие как Hawker Hunter и F-86 Sabre , были разработаны для удовлетворительного полета даже на скоростях, превышающих их критическое число Маха. Они не обладали достаточной тягой двигателя, чтобы достичь числа Маха 1,0 в горизонтальном полете, но могли сделать это в пикировании и оставаться управляемыми. Современные реактивные авиалайнеры со стреловидными крыльями, такие как самолеты Airbus и Boeing , летают на скоростях, превышающих их критическое число Маха, но имеют максимальные эксплуатационные числа Маха ниже 1,0 Маха.
Сверхзвуковые самолеты, такие как Concorde , Tu-144 , English Electric Lightning , Lockheed F-104 , Dassault Mirage III и MiG 21 , предназначены для превышения числа Маха 1,0 в горизонтальном полете и поэтому спроектированы с очень тонкими крыльями. Их критические числа Маха выше, чем у дозвуковых и околозвуковых самолетов, но все еще меньше числа Маха 1,0.
Фактическое критическое число Маха варьируется от крыла к крылу. В общем, более толстое крыло будет иметь более низкое критическое число Маха, потому что более толстое крыло отклоняет проходящий вокруг него воздушный поток больше, чем более тонкое крыло, и, таким образом, разгоняет воздушный поток до более высокой скорости. Например, довольно толстое крыло на P-38 Lightning имеет критическое число Маха около .69. Самолет мог иногда достигать этой скорости в пикировании, что приводило к ряду аварий. Гораздо более тонкое крыло Supermarine Spitfire давало ему значительно более высокое критическое число Маха (около 0.89).