Сверхзвуковой самолет — это самолет, способный летать со сверхзвуковой скоростью , то есть со скоростью, превышающей скорость звука ( 1 Маха ). Сверхзвуковые самолеты были разработаны во второй половине двадцатого века. Сверхзвуковые самолеты использовались в исследовательских и военных целях, но только два сверхзвуковых самолета, Туполев Ту-144 (первый полет 31 декабря 1968 года) и Конкорд (первый полет 2 марта 1969 года), когда-либо поступали в эксплуатацию для гражданского использования в качестве авиалайнеров . Истребители являются наиболее распространенным примером сверхзвуковых самолетов.
Аэродинамика сверхзвукового полета называется сжимаемым потоком из-за сжатия , связанного с ударными волнами или « звуковым ударом », создаваемыми любым объектом, движущимся быстрее звука.
Самолеты, летящие со скоростью свыше 5 Махов, называются гиперзвуковыми самолетами .
Первым самолетом, совершившим сверхзвуковой полет в горизонтальном полете, был американский экспериментальный самолет Bell X-1 , оснащенный ракетным двигателем тягой 6000 фунтов (2700 кг), работающим на жидком кислороде и этиловом спирте. Большинство сверхзвуковых самолетов были военными или экспериментальными самолетами.
Исследования в области авиации во время Второй мировой войны привели к созданию первых самолетов с ракетным и реактивным двигателем. Впоследствии появилось несколько заявлений о преодолении звукового барьера во время войны. Однако первый признанный полет, превысивший скорость звука пилотируемым самолетом в контролируемом горизонтальном полете, был выполнен 14 октября 1947 года экспериментальным исследовательским ракетным самолетом Bell X-1 , пилотируемым Чаком Йегером . Первым самолетом, преодолевшим звуковой барьер с женщиной-пилотом, был F-86 Canadair Sabre с Жаклин Кохран за штурвалом. [1] По словам Дэвида Мастерса, [2] прототип DFS 346, захваченный в Германии Советами, после того, как его сбросили с B-29 на высоте 32800 футов (10000 м), достиг скорости 683 миль в час (1100 км/ч) в конце 1951 года, что превысило бы число Маха 1 на этой высоте. Пилотом в этих полетах был немец Вольфганг Цизе.
21 августа 1961 года самолет Douglas DC-8-43 (регистрационный номер N9604Z) превысил скорость 1 Маха в контролируемом пикировании во время испытательного полета на авиабазе Эдвардс. Экипаж состоял из Уильяма Магрудера (пилот), Пола Паттена (второй пилот), Джозефа Томича (бортинженер) и Ричарда Х. Эдвардса (инженер по летным испытаниям). [3] Это был первый преднамеренный сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера и единственный, когда-либо выполненный гражданским авиалайнером, кроме Concorde или Tu-144 . [3]
В 1960-х и 1970-х годах было проведено много исследований по проектированию сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге два типа поступили в эксплуатацию: советский Туполев Ту-144 (1968) и англо-французский Concorde (1969). Однако политические, экологические и экономические препятствия, а также одна фатальная катастрофа Concorde не позволили использовать их полный коммерческий потенциал.
Сверхзвуковой полет влечет за собой существенные технические проблемы, поскольку аэродинамика сверхзвукового полета кардинально отличается от дозвукового полета (то есть полета на скоростях, меньших скорости звука). В частности, аэродинамическое сопротивление резко возрастает, когда самолет проходит трансзвуковой режим, требуя гораздо большей мощности двигателя и более обтекаемых планеров.
Для оптимизации сопротивления размах крыльев должен быть ограничен, что также снижает аэродинамическую эффективность во время дозвукового полета, включая взлет и посадку. [4] Минимизация волнового сопротивления является важнейшим аспектом конструкции крыла. Поскольку сверхзвуковой самолет также должен взлетать и приземляться на относительно низкой скорости, его аэродинамическая конструкция должна быть компромиссом между требованиями для обоих концов диапазона скоростей.
Одним из подходов к решению этого компромисса является использование крыла с изменяемой геометрией , обычно известного как «крыло с качающейся стрелой», которое широко раздвигается для полета на низкой скорости, а затем резко изгибается, как правило, назад для сверхзвукового полета. Однако качание влияет на продольную балансировку самолета, а механизм качания увеличивает вес и стоимость. Использование дельта-крыла , такого как используемое на Aerospatiale-BAC Concorde, создает вихрь , который активизирует поток на верхней поверхности крыла на высоких скоростях и углах атаки, задерживая разделение потока и давая самолету очень высокий угол сваливания . Это также решает проблему сжимаемости жидкости на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Однако это, конечно, неэффективно на более низких скоростях из-за требования большого угла атаки, и поэтому необходимо использование закрылков .
Другая проблема — тепло, выделяемое трением при обтекании самолета воздухом. Большинство дозвуковых конструкций используют алюминиевые сплавы, такие как дюралюминий , которые дешевы и просты в обработке, но быстро теряют прочность при высоких температурах. Это ограничивает максимальную скорость примерно до 2,2 Маха.
Большинство сверхзвуковых самолетов, включая многие военные истребители , спроектированы так, чтобы проводить большую часть полета на дозвуковой скорости и превышать скорость звука только на короткие периоды, например, при перехвате вражеского самолета. Меньшее количество, например, разведывательный самолет Lockheed SR-71 Blackbird и сверхзвуковой авиалайнер Concorde, были спроектированы для непрерывного крейсерского полета на скорости выше скорости звука, и в этих конструкциях проблемы сверхзвукового полета более серьезны.
Некоторые ранние сверхзвуковые самолеты, включая первый, полагались на ракетную тягу для обеспечения необходимой тяги, хотя ракеты сжигают много топлива, и поэтому время полета было коротким. Ранние турбореактивные двигатели были более экономичными, но не имели достаточной тяги, и некоторые экспериментальные самолеты были оснащены как турбореактивным двигателем для полета на низкой скорости, так и ракетным двигателем для сверхзвукового полета. Изобретение форсажной камеры , в которой дополнительное топливо сжигается в выхлопной струе, сделало эти смешанные типы силовых установок устаревшими. Турбореактивный двигатель пропускает дополнительный холодный воздух вокруг ядра двигателя, что еще больше увеличивает его топливную эффективность , и сверхзвуковые самолеты сегодня оснащены турбовентиляторными двигателями, оснащенными форсажными камерами.
Сверхзвуковые самолеты обычно используют турбовентиляторные двигатели с малым двухконтурием , поскольку они имеют приемлемую эффективность как ниже скорости звука, так и выше; или, если необходим сверхкруизный режим, могут быть желательны турбореактивные двигатели, поскольку они дают меньшее сопротивление гондолы на сверхзвуковых скоростях. Двигатели Pratt & Whitney J58 самолета Lockheed SR-71 Blackbird работали двумя способами: взлетали и приземлялись как турбореактивные двигатели без двухконтурия, но перепускали часть воздуха компрессора в форсажную камеру на более высоких скоростях. Это позволяло Blackbird летать со скоростью более 3 Маха, быстрее, чем любой другой серийный самолет. Нагревательный эффект трения воздуха на этих скоростях означал, что необходимо было разработать специальное топливо, которое не разрушалось бы под воздействием тепла и не засоряло топливные трубы на пути к горелке.
Другой высокоскоростной силовой установкой является прямоточный воздушно-реактивный двигатель . Он должен летать достаточно быстро, прежде чем он вообще заработает.
Сверхзвуковая аэродинамика проще дозвуковой, поскольку воздушные слои в разных точках вдоль плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетным транспортным средствам требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолеть дополнительное аэродинамическое сопротивление, испытываемое в трансзвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях инженеры-аэрокосмические специалисты могут аккуратно направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение поперечной площади дальше вниз по транспортному средству приводит к ударным волнам вдоль корпуса. Конструкторы используют правило площади Уиткомба , чтобы минимизировать резкие изменения размера.
Однако на практике сверхзвуковой самолет должен устойчиво работать как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях, поэтому его аэродинамическая конструкция является более сложной.
Одной из проблем длительного сверхзвукового полета является выделение тепла в полете. На высоких скоростях может возникнуть аэродинамический нагрев , поэтому самолет должен быть спроектирован для работы и функционирования при очень высоких температурах. Дюралюминий , материал, традиционно используемый в авиастроении, начинает терять прочность и деформироваться при относительно низких температурах и непригоден для непрерывного использования на скоростях выше 2,2–2,4 Маха. Такие материалы, как титан и нержавеющая сталь, позволяют эксплуатировать самолет при гораздо более высоких температурах. Например, самолет Lockheed SR-71 Blackbird может непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что может привести к тому, что температура на некоторых частях самолета превысит 315 °C (600 °F).
Еще одной областью, вызывающей беспокойство для высокоскоростного полета, является работа двигателя. Реактивные двигатели создают тягу за счет повышения температуры всасываемого ими воздуха, и по мере того, как самолет ускоряется, процесс сжатия во впускном отверстии вызывает повышение температуры до того, как она достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопных газов определяется материалами в турбине в задней части двигателя, поэтому по мере ускорения самолета разница в температуре впуска и выпуска, которую может создать двигатель, сжигая топливо, уменьшается, как и тяга. Более высокая тяга, необходимая для сверхзвуковых скоростей, должна была быть восстановлена за счет сжигания дополнительного топлива в выхлопных газах.
Конструкция впуска также была серьезной проблемой. Поскольку большая часть доступной энергии в поступающем воздухе должна быть восстановлена, что известно как восстановление впуска, с использованием ударных волн в сверхзвуковом процессе сжатия во впуске. На сверхзвуковых скоростях впуск должен гарантировать, что воздух замедляется без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударных волн , косой/плоский, для проектной скорости самолета, чтобы сжать и замедлить воздух до дозвуковой скорости, прежде чем он достигнет двигателя. Ударные волны позиционируются с помощью рампы или конуса, которые, возможно, должны быть регулируемыми в зависимости от компромиссов между сложностью и требуемыми характеристиками самолета.
Самолет, способный работать в течение длительного времени на сверхзвуковых скоростях, имеет потенциальное преимущество в дальности полета по сравнению с аналогичной конструкцией, работающей на дозвуковых скоростях. Большая часть сопротивления, которое испытывает самолет при разгоне до сверхзвуковых скоростей, возникает чуть ниже скорости звука из-за аэродинамического эффекта, известного как волновое сопротивление . Самолет, который может разгоняться выше этой скорости, испытывает значительное снижение сопротивления и может летать на сверхзвуке с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, как подъемная сила создается на сверхзвуке, отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению самолета в целом падает, что приводит к снижению дальности полета, компенсируя или отменяя это преимущество.
Ключ к низкому сверхзвуковому сопротивлению — правильная форма всего самолета, чтобы он был длинным и тонким, и близким к «идеальной» форме, оживальной форме фон Кармана или телу Сирса-Хаака . Это привело к тому, что почти каждый сверхзвуковой крейсерский самолет выглядит очень похожим друг на друга, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. д. Хотя эта форма не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования в качестве бомбардировщика.
В 1960-х и 1970-х годах было проведено много исследований по проектированию сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге два типа поступили в эксплуатацию: советский Туполев Ту-144 (1968) и англо-французский Concorde (1969). Однако политические, экологические и экономические препятствия, а также одна фатальная катастрофа Concorde не позволили использовать их полный коммерческий потенциал.
Воздушный поток может локально ускоряться или замедляться в разных точках над самолетом. В области около числа Маха 1 некоторые области могут испытывать сверхзвуковой поток, в то время как другие — дозвуковой. Этот режим называется трансзвуковым полетом. По мере изменения скорости самолета будут образовываться или перемещаться волны давления. Это может повлиять на балансировку, устойчивость и управляемость самолета, и самолет будет испытывать большее сопротивление, чем на дозвуковых или полностью сверхзвуковых скоростях. Конструктор должен гарантировать, что эти эффекты учитываются на всех скоростях.
Полет на скоростях выше примерно 5 Махов часто называют гиперзвуковым. В этой области проблемы сопротивления и нагревания еще более остры. Трудно изготовить материалы, которые могут выдерживать силы и температуры, создаваемые сопротивлением воздуха на этих скоростях.
Звуковой удар — это звук, связанный с ударными волнами, создаваемыми всякий раз, когда объект, движущийся по воздуху, движется быстрее скорости звука . Звуковые удары генерируют значительное количество звуковой энергии, звучащей как взрыв или раскат грома для человеческого уха. Треск сверхзвуковой пули, пролетающей над головой, или треск кнута — примеры звукового удара в миниатюре. [6]
Звуковые удары от больших сверхзвуковых самолетов могут быть особенно громкими и пугающими, могут будить людей и могут нанести незначительный ущерб некоторым сооружениям. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя их невозможно полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательном проектировании транспортного средства неудобства, вызванные ими, могут быть уменьшены до такой степени, что сверхзвуковой полет над сушей может стать практичным вариантом.
Supercruise — это устойчивый сверхзвуковой полет сверхзвукового самолета с полезным грузом, пассажиром или вооружением, выполняемый эффективно, что обычно исключает использование крайне неэффективных форсажных камер или «дожигания». Многие известные сверхзвуковые военные самолеты, не способные к supercruise, могут поддерживать полет со скоростью 1 Маха и более только короткими очередями, как правило, с форсажными камерами. Такие самолеты, как SR-71 Blackbird, предназначены для крейсерского полета на сверхзвуковой скорости с включенными форсажными камерами.
Одним из самых известных примеров самолета, способного к суперкрейсерскому полету, был Concorde . Благодаря своей долгой службе в качестве коммерческого авиалайнера, Concorde удерживает рекорд по самому большому времени, проведенному в суперкрейсерском полете; больше, чем все остальные самолеты вместе взятые. [7]
Сверхзвуковой транспортный самолет (СТС) — гражданский самолет, предназначенный для перевозки пассажиров на скоростях, превышающих скорость звука . Единственными сверхзвуковыми гражданскими самолетами, которые эксплуатировались, были советский Ту-144 , который впервые поднялся в воздух в 1968 году и последний раз перевозил пассажиров в 1978 году, а НАСА сняло его с эксплуатации в 1997 году; и франко-британский Concorde , который впервые поднялся в воздух в 1969 году и оставался в эксплуатации до 2003 года. С 2003 года в эксплуатации не было ни одного сверхзвукового гражданского самолета.
Ключевой особенностью этих конструкций является способность поддерживать сверхзвуковой крейсерский полет в течение длительного времени, поэтому низкое сопротивление необходимо для ограничения расхода топлива до практичного и экономичного уровня. Как следствие, эти планеры имеют высокую обтекаемость, а крылья имеют очень короткий размах. Требование низких скоростей при взлете и посадке выполняется с помощью вихревого подъема : по мере замедления самолета подъемная сила должна восстанавливаться путем подъема носа для увеличения угла атаки крыла. Резко изогнутая передняя кромка заставляет воздух закручиваться, когда он протекает по крылу, локально ускоряя воздушный поток и поддерживая подъемную силу.
Другие проекты SST включают:
Сверхзвуковые бизнес-джеты (SSBJ) — это предлагаемый класс малых сверхзвуковых самолетов. Ни один из них еще не летал.
Самолеты SSBJ, как правило, рассчитаны на перевозку около десяти пассажиров и по размеру примерно соответствуют традиционным дозвуковым бизнес-джетам.
Были предложены и в настоящее время разрабатываются проекты как крупногабаритных, так и бизнес-джетов (см. ниже) пассажирских сверхзвуковых и гиперзвуковых авиалайнеров ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Tupolev Tu-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLiner и т. д.).
Стратегический бомбардировщик должен нести большую бомбовую нагрузку на большие расстояния. Следовательно, это большой самолет, как правило, с пустым весом более 25 000 кг. Некоторые из них также были разработаны для смежных ролей, таких как стратегическая разведка и противокорабельный удар.
Обычно самолет большую часть полета летит на дозвуковой скорости, чтобы экономить топливо, а затем разгоняется до сверхзвуковой скорости для выполнения бомбардировки. [8]
Несколько сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков поступили на вооружение. Самый ранний тип, Convair B-58 Hustler , впервые поднялся в воздух в 1956 году, а самый последний, Rockwell B-1B Lancer , в 1983 году. Хотя этот и несколько других типов все еще находятся в эксплуатации, ни один из них не находится в производстве.
К типам, на которых приходилось летать, относятся:
Некоторые сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как Сухой Т-4, также способны выполнять разведывательную функцию (хотя Сухой так и остался прототипом).
Lockheed SR-71 Blackbird был специально разработан для этой цели и представлял собой более крупную версию разведывательного самолета Lockheed A-12 , который впервые поднялся в воздух в 1962 году.
Сверхзвуковые истребители и родственные им самолеты иногда называют быстрыми реактивными самолетами. Они составляют подавляющее большинство сверхзвуковых самолетов, и некоторые из них, такие как Mikoyan-Gurevich MiG-21 , Lockheed F-104 Starfighter и Dassault Mirage III , были произведены в больших количествах.
Многие военные сверхзвуковые истребители и аналогичные самолеты четвертого и пятого поколений находятся в стадии разработки в нескольких странах, включая Россию, Китай, Японию, Южную Корею, Индию, Иран и США.
