Сверхзвуковой самолет — летательный аппарат , способный совершать сверхзвуковой полет , то есть летать со скоростью, превышающей скорость звука ( 1 Маха ). Сверхзвуковые самолеты были разработаны во второй половине ХХ века. Сверхзвуковые самолеты использовались в исследовательских и военных целях, но только два сверхзвуковых самолета, Туполев Ту-144 (первый полет 31 декабря 1968 г.) и Конкорд (первый полет 2 марта 1969 г.), когда-либо поступили на вооружение для гражданского использования. как авиалайнеры . Истребители являются наиболее распространенным примером сверхзвуковых самолетов.
Аэродинамику сверхзвукового полета называют сжимаемым потоком из-за сжатия , связанного с ударными волнами или « звуковым ударом », создаваемым любым объектом, движущимся быстрее звука.
Летательные аппараты, летающие со скоростью выше 5 Маха, называются гиперзвуковыми самолетами .
Первым самолетом, совершившим сверхзвуковой горизонтальный полет, был американский экспериментальный самолет Bell X-1 , оснащенный ракетой с тягой 6000 фунтов (2700 кг), работающей на жидком кислороде и этиловом спирте. Большинство сверхзвуковых самолетов были военными или экспериментальными.
Исследования в области авиации во время Второй мировой войны привели к созданию первых самолетов с ракетными и реактивными двигателями. Впоследствии появилось несколько заявлений о преодолении звукового барьера во время войны. Однако первый признанный полет пилотируемого самолета с превышением скорости звука в управляемом горизонтальном полете был выполнен 14 октября 1947 года экспериментальным исследовательским ракетным самолетом Bell X-1, пилотируемым Чаком Йегером . Первым серийным самолетом, преодолевшим звуковой барьер, стал F-86 Canadair Sabre под управлением первой сверхзвуковой женщины-пилота Жаклин Кокран . [1] По словам Дэвида Мастерса, [2] прототип DFS 346, захваченный в Германии Советским Союзом, после того, как его выпустили из B-29 на высоте 32 800 футов (10 000 м), в конце 1951 года достиг скорости 683 миль в час (1100 км/ч). , что на такой высоте превысило бы 1 Мах. 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 базе ВВС Эдвардс. В состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер по летным испытаниям). [3] Это был первый преднамеренный сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера и единственный, когда-либо выполненный гражданским авиалайнером, кроме Конкорда или Ту -144 . [3]
В 1960-х и 1970-х годах было проведено множество проектных исследований сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге на вооружение поступили два типа: советский Ту-144 (1968 г.) и англо-французский Конкорд (1969 г.). Однако политические, экологические и экономические препятствия, а также одна фатальная катастрофа «Конкорда» не позволили им полностью использовать свой коммерческий потенциал.
Сверхзвуковой полет сопряжен с существенными техническими проблемами, поскольку аэродинамика сверхзвукового полета резко отличается от аэродинамики дозвукового полета (т.е. полета со скоростью, меньшей скорости звука). В частности, аэродинамическое сопротивление резко возрастает при прохождении самолетом околозвукового режима, что требует гораздо большей мощности двигателей и более обтекаемых планеров.
Чтобы сохранить низкое сопротивление, необходимо ограничить размах крыльев, что также снижает аэродинамическую эффективность при медленном полете. Поскольку сверхзвуковой самолет также должен взлетать и приземляться с относительно небольшой скоростью, его аэродинамическая схема должна представлять собой компромисс между требованиями для обоих концов скоростного диапазона.
Одним из подходов к решению этого компромисса является использование крыла изменяемой геометрии , широко известного как «маятниковое крыло», которое широко расправляется для полета на низкой скорости, а затем резко поворачивается, обычно назад, для сверхзвукового полета. Однако раскачивание влияет на продольную дифферент самолета, а механизм качания увеличивает вес и стоимость. Использование треугольного крыла , такого как те, которые используются на Aerospatiale-BAC Concorde, создает вихрь , который возбуждает поток на верхней поверхности крыла на высоких скоростях и углах атаки, задерживая отрыв потока и создавая очень большой угол сваливания самолета. . Также решается вопрос сжимаемости жидкости на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Однако он, конечно, неэффективен на меньших скоростях из-за требования большого угла атаки, а значит, и необходимости использования закрылков .
Другая проблема — это тепло, выделяемое в результате трения при прохождении воздуха над самолетом. В большинстве дозвуковых конструкций используются 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, в том числе многие военные истребители , спроектированы так, чтобы проводить большую часть своего полета на дозвуковых скоростях и превышать скорость звука только на короткие периоды времени, например, при перехвате самолета противника. Меньшее их количество, такое как самолет-разведчик Lockheed SR-71 Blackbird и сверхзвуковой авиалайнер Concorde, было спроектировано для непрерывного полета на скорости, превышающей скорость звука, и с этими конструкциями проблемы сверхзвукового полета становятся более серьезными.
Некоторые ранние сверхзвуковые самолеты, включая первый, полагались на мощность ракет для обеспечения необходимой тяги, хотя ракеты сжигали много топлива, поэтому время полета было коротким. Ранние турбореактивные двигатели были более экономичными, но не имели достаточной тяги, а некоторые экспериментальные самолеты были оснащены как турбореактивным двигателем для полета на малых скоростях, так и ракетным двигателем для сверхзвукового полета. Изобретение форсажной камеры , в которой дополнительное топливо сжигается в выхлопе реактивной струи, сделало эти смешанные типы силовых установок устаревшими. Турбореактивный двигатель пропускает дополнительный холодный воздух вокруг активной зоны двигателя, еще больше повышая его топливную эффективность , а сегодня сверхзвуковые самолеты приводятся в движение турбовентиляторными двигателями, оснащенными форсажными камерами .
В сверхзвуковых самолетах обычно используются турбовентиляторные двигатели с малой двухконтурностью , поскольку они имеют приемлемый КПД как ниже скорости звука, так и выше; или, если необходим суперкрейсерский режим , могут быть желательны турбореактивные двигатели, поскольку они обеспечивают меньшее сопротивление гондолы на сверхзвуковых скоростях. Двигатели Pratt & Whitney J58 самолета Lockheed SR-71 Blackbird работали двумя способами: взлет и посадка как турбореактивные двигатели без байпаса, но с перепуском части воздуха компрессора в форсажную камеру на более высоких скоростях. Это позволило Blackbird летать со скоростью более 3 Маха, быстрее, чем любой другой серийный самолет. Нагревательный эффект трения воздуха на таких скоростях привел к необходимости разработки специального топлива, которое не разрушалось бы при нагревании и не засоряло бы топливные трубки на пути к горелке.
Еще одной высокоскоростной силовой установкой является прямоточный воздушно-реактивный двигатель . Прежде чем это вообще сработает, оно должно лететь довольно быстро.
Сверхзвуковая аэродинамика проще дозвуковой, поскольку воздушные покровы в разных точках плоскости часто не могут влиять друг на друга. Сверхзвуковым реактивным самолетам и ракетам требуется в несколько раз большая тяга, чтобы преодолеть дополнительное аэродинамическое сопротивление , возникающее в околозвуковой области (около 0,85–1,2 Маха). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут аккуратно направлять воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн , но любое изменение площади поперечного сечения ниже по самолету приводит к ударным волнам вдоль корпуса. Дизайнеры используют правило сверхзвуковой площади и правило площади Уиткомба , чтобы свести к минимуму внезапные изменения размера.
Однако в практических приложениях сверхзвуковой самолет должен стабильно работать как на дозвуковом, так и на сверхзвуковом профилях, следовательно, аэродинамическая конструкция более сложна.
Одной из проблем устойчивого сверхзвукового полета является выделение тепла во время полета. На высоких скоростях может возникнуть аэродинамический нагрев , поэтому самолет должен быть спроектирован так, чтобы работать и функционировать 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 работать при гораздо более высоких температурах. Например, реактивный самолет Lockheed SR-71 Blackbird может непрерывно летать со скоростью 3,1 Маха, что может привести к тому, что температура в некоторых частях самолета может превысить 315 °C (600 °F).
Еще одна проблема, вызывающая беспокойство при длительном полете на высокой скорости, — это работа двигателей. Реактивные двигатели создают тягу за счет увеличения температуры воздуха, который они всасывают, и по мере того, как самолет набирает скорость, процесс сжатия во впускном коллекторе вызывает повышение температуры до того, как он достигнет двигателей. Максимально допустимая температура выхлопа определяется материалами турбины в задней части двигателя, поэтому по мере увеличения скорости самолета разница температур впуска и выхлопа, которую двигатель может создать за счет сжигания топлива, уменьшается, как и тяга. Более высокую тягу, необходимую для сверхзвуковых скоростей, пришлось восстанавливать за счет сжигания дополнительного топлива в выхлопе.
Конструкция впуска также была серьезной проблемой. Большая часть доступной энергии входящего воздуха должна быть восстановлена, так называемая рекуперация на впуске, с использованием ударных волн в процессе сверхзвукового сжатия на впуске. На сверхзвуковых скоростях воздухозаборник должен следить за тем, чтобы воздух замедлялся без чрезмерной потери давления. Он должен использовать правильный тип ударных волн , наклонных или плоских, чтобы обеспечить расчетную скорость самолета, чтобы сжимать и замедлять воздух до дозвуковой скорости, прежде чем он достигнет двигателя. Ударные волны располагаются с помощью рампы или конуса, которые, возможно, придется регулировать в зависимости от компромисса 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 дозвуковой скорости. Большая часть сопротивления, которое испытывает самолет при разгоне до сверхзвуковой скорости, возникает чуть ниже скорости звука из-за аэродинамического эффекта, известного как волновое сопротивление . Самолет, который может ускоряться выше этой скорости, значительно снижает сопротивление и может летать на сверхзвуке с улучшенной экономией топлива. Однако из-за того, что подъемная сила создается на сверхзвуке, аэродинамическое качество самолета в целом падает, что приводит к уменьшению дальности полета, нивелируя или сводя на нет это преимущество.
Ключом к низкому сверхзвуковому сопротивлению является правильная форма всего самолета, чтобы он был длинным и тонким и близким к «идеальной» форме, оживе фон Кармана или корпусу Сирса-Хаака . Это привело к тому, что почти все сверхзвуковые крейсерские самолеты очень похожи друг на друга, с очень длинным и тонким фюзеляжем и большими треугольными крыльями, ср. SR-71 , Concorde и т. д. Хотя эта форма и не идеальна для пассажирских самолетов, она вполне пригодна для использования в бомбардировщиках.
В 1960-х и 1970-х годах было проведено множество проектных исследований сверхзвуковых авиалайнеров, и в конечном итоге на вооружение поступили два типа: советский Ту-144 (1968 г.) и англо-французский Конкорд (1969 г.). Однако политические, экологические и экономические препятствия, а также одна фатальная катастрофа «Конкорда» не позволили им полностью использовать свой коммерческий потенциал.
Воздушный поток может локально ускоряться или замедляться в разных точках самолета. В области около 1 Маха в некоторых областях может наблюдаться сверхзвуковой поток, а в других — дозвуковой. Этот режим называется трансзвуковым полетом. По мере изменения скорости самолета будут формироваться или перемещаться волны давления. Это может повлиять на балансировку, устойчивость и управляемость самолета, и самолет будет испытывать более высокое сопротивление, чем на дозвуковых или полностью сверхзвуковых скоростях. Проектировщику необходимо обеспечить учет этих эффектов на всех скоростях.
Полет на скоростях выше 5 Маха часто называют гиперзвуковым. В этом регионе проблемы сопротивления и нагрева стоят еще острее. Трудно создавать материалы, которые могли бы выдерживать силы и температуры, создаваемые сопротивлением воздуха на таких скоростях.
Звуковой удар — это звук, связанный с ударными волнами, возникающими всякий раз, когда объект, движущийся по воздуху, движется со скоростью, превышающей скорость звука . Звуковые удары генерируют значительное количество звуковой энергии, звучащей для человеческого уха похожей на взрыв или раскат грома . Треск сверхзвуковой пули , пролетающей над головой, или треск кнута — примеры звукового удара в миниатюре. [5]
Звуковые удары, исходящие от больших сверхзвуковых самолетов, могут быть особенно громкими и поразительными, могут будить людей и могут причинить незначительные повреждения некоторым конструкциям. Они привели к запрету обычных сверхзвуковых полетов над сушей. Хотя их невозможно полностью предотвратить, исследования показывают, что при тщательной настройке транспортного средства неудобства, связанные с ними, могут быть уменьшены до такой степени, что сухопутный сверхзвуковой полет может стать практическим вариантом.
Суперкруиз - это продолжительный сверхзвуковой полет сверхзвукового самолета с эффективной грузовой, пассажирской или боевой нагрузкой, который обычно исключает использование крайне неэффективных форсажных камер или «повторного нагрева». Многие хорошо известные сверхзвуковые военные самолеты, не способные к суперкрейсерскому режиму, могут поддерживать полет со скоростью 1+ Маха только короткими очередями, обычно с форсажными камерами. Такие самолеты, как SR-71 Blackbird , предназначены для полета на сверхзвуковой скорости с включенными форсажными камерами.
Одним из самых известных примеров самолета, способного к суперкрейсерскому полету, был «Конкорд» . Благодаря длительной эксплуатации в качестве коммерческого авиалайнера, «Конкорд» является рекордсменом по количеству времени, проведенного в суперкруизе; больше, чем все остальные самолеты вместе взятые. [6]
Сверхзвуковой транспорт (ССТ) — гражданский летательный аппарат, предназначенный для перевозки пассажиров со скоростью, превышающей скорость звука . Единственным сверхзвуковым гражданским самолетом, поступившим на вооружение, был Ту-144 советского производства , 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-британского производства Concorde , который впервые поднялся в воздух в 1969 году и оставался на вооружении до 2003 года. С 2003 года на вооружении не было сверхзвуковых гражданских самолетов.
Ключевой особенностью этих конструкций является способность поддерживать сверхзвуковой крейсерский режим в течение длительного времени, поэтому низкое сопротивление необходимо для ограничения расхода топлива до практического и экономического уровня. Как следствие, эти планеры имеют очень обтекаемую форму, а крылья имеют очень короткий размах. Требование малых скоростей при взлете и посадке удовлетворяется за счет использования вихревой подъемной силы : при замедлении самолета подъемную силу необходимо восстанавливать путем поднятия носа для увеличения угла атаки крыла. Острая передняя кромка заставляет воздух закручиваться при прохождении через крыло, локально ускоряя воздушный поток и сохраняя подъемную силу.
Другие проекты SST включали:
Сверхзвуковые бизнес-джеты (SSBJ) — предлагаемый класс небольших сверхзвуковых самолетов. Ни один еще не летал.
SSBJ, обычно предназначенные для перевозки десяти пассажиров, примерно такого же размера, как традиционные дозвуковые бизнес-джеты.
Проекты как крупномасштабных, так и бизнес-джетов (см. ниже) пассажирских сверхзвуковых и гиперзвуковых авиалайнеров ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Туполев Ту-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLiner и др.) были предложены и сейчас находятся в стадии разработки.
Стратегический бомбардировщик должен нести большую бомбовую нагрузку на большие расстояния. Следовательно, это большой самолет, масса пустого которого обычно превышает 25 000 кг. Некоторые из них также были разработаны для выполнения смежных функций, таких как стратегическая разведка и борьба с судоходством.
Обычно самолет будет летать на дозвуковой скорости большую часть полета для экономии топлива, прежде чем разогнаться до сверхзвуковой скорости для бомбардировки. [7]
На вооружение поступило несколько сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков. 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.
Типы, которые летали, включают:
Некоторые сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как Сухой Т-4 , также способны выполнять разведывательные функции (хотя Сухой так и остался прототипом).
Lockheed SR-71 Blackbird был специально разработан для этой роли и представлял собой более крупную разработку самолета -разведчика Lockheed A-12 , который впервые поднялся в воздух в 1962 году.
Сверхзвуковые истребители и связанные с ними самолеты иногда называют быстрыми реактивными самолетами. Они составляют подавляющее большинство сверхзвуковых самолетов, а некоторые, такие как МиГ-21 Микояна-Гуревича , Lockheed F-104 Starfighter и Dassault Mirage III , производились в больших количествах.
Многие военные сверхзвуковые истребители и аналогичные самолеты четвертого и пятого поколений находятся в стадии разработки в ряде стран, включая Россию, Китай, Японию, Южную Корею, Индию, Иран и США.
