Сверхзвуковая скорость

Число Маха в авиации

Теорию с подтверждающим экспериментальным процессом образования ударных волн был продемонстрировал еще задолго до первого полета сверхзвукового самолета австрийский физик Эрнст Мах (1838 — 1916). Величину, выражающую отношение скорости летательного аппарата к скорости звуковой волны называют сегодня в честь ученого — Махом.

Как мы уже оговорились в водной части, на скорость звука в воздушной среде влияют такие метеорологические условия как давление, влажность и температура воздуха. Температура в зависимости от высоты полета самолета меняется от +50 на поверхностях Земли до -50 в слоях стратосферы. Поэтому на разных высотах для достижения сверхзвуковых скоростей обязательно учитываются местные метеоусловия.

Для сравнения над нулевой отметкой уровня моря скорость звука составляет 1240 км/ч, тогда как на высоте более 13 тыс. км. эта скорость снижается до 1060 км/ч.

Если принять соотношение скорости летательного аппарата к скорости звукова за М, то при значении М>1, это будет всегда сверхсвуковая скорость.

Самолеты с дозвуковой скоростью имеют значение М = 0.8. Вилка значений Маха от 0,8 до 1,2 задают околозвуковую скорость. А вот гиперзвуковые летательные аппараты имеют число Маха более 5. Из известных военных российских сверхзвуковых самолетов можно выделить СУ-27 — истребитель перехватчик, Ту-22М — бомбардировщик ракетоносец. Из американских известен SR-71 — самолет разведчик. Первым сверхзвуковым самолетом в рамках серийного производства стал американский истребитель F-100 в 1953 году.

Модель космического челнока во время испытаний в сверхзвуковой аэродинамической трубе. Специальная методика теневой фотографии позволила запечатлеть, где возникают ударные волны.

История

При выполнении коммерческих рейсов в авиации крейсерская скорость имеет большое значение, так как позволяет выполнять полёты на максимальную дальность с наименьшим расходом топлива.

Одним из первых самолётов в истории авиации, выполнявших полёт на суперкрейсерской скорости, стал Ту-144, а несомненным лидером по проведённому количеству часов в воздухе на этом режиме — Конкорд. Сверхзвуковая крейсерская скорость Ту-144 составляла 2 300 км/ч, а Конкорда — 2 150 км/ч.

F-22 Raptor способен поддерживать режим суперкрейсерской скорости без форсажей

В военных разработках большое значение уделяется именно созданию двигателей, позволяющих самолёту поддерживать сверхзвуковую крейсерскую скорость на бесфорсажных режимах, поскольку форсаж приводит к повышенному расходу топлива и, как следствие, уменьшению времени для выполнения боевой задачи.

Подавляющее большинство военных самолетов не способны развивать число М более 1 в горизонтальном полете с бесфорсажным режимом работы двигателей, более того сверхзвуковая скорость для многих из них не являться крейсерской и может достигаться лишь на коротких участках полета. МиГ-25 и Lockheed SR-71 Blackbird сконструированы для крейсерского полета с большими числами М при включенном форсажном режиме двигателей, при этом конструкция их двигателей обеспечивает приемлемую дальность полета. Дальность полета МиГ-25 на крейсерской сверхзвуковой скорости 2500 км/ч (М = 2,35) лишь на 230 км меньше чем на дозвуковой.. Способность поддерживать сверхзвуковую скорость полета без включения форсажа является обязательным требованием предъявляемым к истребителю пятого поколения. Максимальная скорость бесфорсажного полета для военных самолетов принадлежит истребителю F-22 и составляет 1960 км/ч (М = 1,82). Пассажирский сверхзвуковой самолет Конкорд осуществлял бесфорсажный крейсерский полет с числом М = 2,02 на рекордную дальность более 7000 км. Такая возможность обеспечивалась за счет относительно низкой степени сжатия в компрессоре двигателя равной 11:1. Низкая степень сжатия разгружает двигатель от излишней тепловой нагрузки на сверхзвуке когда сжатие воздуха происходит за счет торможения потока на входе, но делает его менее мощным и эффективным на дозвуковых скоростях, что компенсируется в Конкорде за счет временного включения форсажа. При создании двигателя для военного самолета конструкторы вынуждены обеспечивать высокие боевые характеристики на дозвуковых скоростях за счет высоких степеней сжатия, в свою очередь это делает двигатель излишне теплонагаруженным при попытках обеспечить необходимую тягу для сверхзвукового полета без включения форсажного режима. Сложность сверхзвукового полета без форсажа заключается в том что реактивный двигатель поднимаясь на большую высоту в бесфорсажном режиме активно теряет тягу, но температурный режим лопаток турбинной части не позволяет подать достаточное количество топлива и сжечь весь поступающий кислород в камере сгорания, обеспечив прирост тяги. Например для полета со скоростью М = 1,1 на высоте 11 000 м истребителю МиГ-29 с двумя ракетами Р-60МК требуется около 4800 кг тяги, в то время как максимальная бесфорсажная тяга его двигателей на этой высоте не превышает 2700 кг, а скорость не превышает М = 0,96. Подача топлива в форсажную камеру дожигает избыток кислорода и увеличивает тягу в этой ситуации с 2700 кг до 7500 кг. Истребитель F-35 хоть и относиться к 5 поколению, но способен поддерживать сверхзвуковую бесфорсажную скорость полета М = 1,2 лишь на протяжении 150 миль. Впервые сверхзвуковая скорость горизонтального полета в бесфорсажном режиме двиагателей была достигнута в 5 августа 1954 года на экспериментальном самолете . Первым серийным самолетом способным на бесфорсажный сверхзвукой полет был истребитель — перехватчик English Electric Lightning, его максимальная скорость в горизонтальном полете без форсажного режима достигала М = 1,2

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Фотография ударных волн при обтекании модели сверхзвуковым потоком в аэродинамической трубе (Аэродинамическая лаборатория NASA)

Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом. Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.

При обтекании сверхзвуковым воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха=5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса α{\displaystyle \alpha } связан с числом Маха соотношением

sin⁡α=1M.{\displaystyle \sin \alpha ={\frac {1}{M}}.}

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте — самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого — создаваемый им шум).

Испытания

Одновременно на аэродроме ЛИИ начались полеты самолета-аналога МиГ-21И (А-144, «21-11»), созданного на базе истребителя МиГ-21С. Аналог создавался в ОКБ А.И.Микояна и имел крыло геометрически и аэродинамически подобное крылу опытного «044». Всего было построено две машины «21-11», на них летали многие летчики-испытатели, в том числе и те которым предстояло испытывать Ту-144, в частности Э.В.Елян. Самолет-аналог успешно облетали до скорости 2500 км/ч и материалы этих полетов послужили основой для окончательной корректировки крыла Ту-144, а также позволили летчикам-испытателям подготовиться к особенностям поведения самолета с таким крылом.

В конце 1968 года опытный «044» (бортовой № 68001) был готов к первому полету. На машину назначили экипаж в составе: командира корабля — заслуженного летчика-испытателя Э.В.Еляна (получившего затем за Ту-144 Героя Советского Союза); второго пилота — заслуженного летчика испытателя Героя Советского Союза М.В.Козлова; ведущего инженера-испытателя В.Н.Бендерова и бортинженера Ю.Т.Селиверстова. Учитывая новизну и необычность новой машины, ОКБ пошло на неординарное решение: впервые на опытную пассажирскую машину решили установить катапультируемые кресла экипажа. В течение месяца проводились гонки двигателей, пробежки, последние наземные проверки систем. С начала третьей декады декабря 1968 года «044» находилась в предстартовой готовности, машина и экипаж были полностью готовы к первому вылету, в течение всех этих десяти дней над аэродромом ЛИИ не было погоды и опытный Ту-144 оставался на земле. Наконец, в последний день уходящего 1968 года, через 25 секунд после момента старта «044» впервые оторвалась от взлетной полосы аэродрома ЛИИ и быстро набрала высоту. Первый полет продолжался 37 минут, в полете машину сопровождал самолет-аналог «21-11». По отзывам экипажа, машина показала себя послушной и «летучей». На первом вылете присутствовали А.Н.Туполев, А.А.Туполев, многие руководители подразделений ОКБ.

Первый полет Ту-144 стал событием мирового значения и немаловажным моментом в истории отечественной и мировой авиации. Впервые в воздух поднялся сверхзвуковой пассажирский самолет и это был самолет построенный в СССР, первый «Конкорд» уйдет в полет только 2 марта 1969 года. Было доказано на практике, что тяжелые самолеты бесхвостой схемы имеют права гражданства в СССР (до этого полета у нас все ограничивалось большим количеством проектов тяжелых «бесхвосток»).

Второй полет (50 мин) состоялся 8 января 1969 г, а уже через полгода, 5 июня 1969 года опытный самолет первый раз на высоте 11000 м превысил сверхзвуковую скорость, к маю 1970 года машина летала на скоростях М=1,25-1,6 на высотах до 15000 м. 26 мая 1970 г. Ту-144 впервые в истории гражданской авиации достиг скорости 2150 км/ч (М=2) на высоте 16300 м. 12 ноября 1970 года в часовом полете «044» летала полчаса на скорости превышающей 2000 км/ч, на высоте 16960 м была достигнута максимальная скорость 2430 км/ч. К осени 1970 опытный образец налетал 100 ч.

Впервые самолет был показан публично 21 мая 1970 г. в аэропорту «Шереметьево». В ходе испытаний опытная машина неоднократно летала за рубежи СССР, в мае-июне 1971 года «044» приняла участие в салоне в Ле-Бурже, где она впервые «встретилась» с англо-французским «Конкордом». Ее полет в Болгарию занял всего 1 час: взлетев в Москве в 9 часов утра, он сел в Софии также в 9 утра. Крейсерская скорость на высоте 16 км составила 2300 км/ч. Эта высота была набрана на дистанции около 350 км за 18 мин.

Проблемы сверхзвукового полета

Как бы ни разгонялся обычный самолет, он не сможет длительное время лететь на сверхзвуковой скорости. Дозвуковые самолеты отличаются более плавными и округленными формами. А при полете на сверхзвуковой скорости возникают иные аэродинамические условия.

Резко увеличивается сопротивление воздуха, корпус самолета нагревается из-за трения. В результате обычный самолет потеряет стабильное управление и может начать разрушаться прямо в воздухе.

Активно развиваться сверхзвуковая авиация начала в 50-60-х годах. Первым сверхзвуковым самолетом, который выпускался серийно, стал истребитель North American F-100 Super Sabre. Данная модель впервые совершила полет в 1953 году.

Создавались и пассажирские сверхзвуковые самолеты, которые выполняли регулярные рейсы. Но их было всего 2: советский Ту-144 и англо-французский Concorde.

Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144

Преимущество таких самолетов – это преодоление больших расстояний за короткий промежуток времени. Также сверхзвуковой самолет перемещается на большей высоте по сравнению с обычными. Соответственно, воздушное пространство не загружено. Но от их использования вскоре отказались из-за нескольких недостатков:

• ударная волна;
• большой расход топлива;
• сложность эксплуатации;
• шум над аэродромом.

Громкий хлопок – это резкий скачок давления перед самолетом, образующийся в момент, когда самолет начинает двигаться со сверхзвуковой скоростью (преодолевает звуковой барьер). Ударная волна, возникающая перед самолетом, распространяется конусообразно. Человек, наблюдающий за полетом самолета, слышит хлопок, когда эта волна достигает его, и только после этого можно услышать работу двигателя. Ударная волна постоянно сопровождает самолет на сверхзвуковой скорости. Однако хлопки будет слышно лишь во время прохождения самолета в определенной точке – поблизости с наблюдателем.

Твёрдые тела

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объёмных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой (cP){\displaystyle (c_{P})} всегда выше, чем скорость второй (cS){\displaystyle (c_{S})}:

cP=K+43Gρ=E(1−ν)(1+ν)(1−2ν)ρ,{\displaystyle c_{P}={\sqrt {\frac {K+{\frac {4}{3}}G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E(1-\nu )}{(1+\nu )(1-2\nu )\rho }}},}

cS=Gρ=E2(1+ν)ρ,{\displaystyle c_{S}={\sqrt {\frac {G}{\rho }}}={\sqrt {\frac {E}{2(1+\nu )\rho }}},}

где K{\displaystyle K} — модуль всестороннего сжатия, G{\displaystyle G} — модуль сдвига, E{\displaystyle E} — модуль Юнга, ν{\displaystyle \nu } — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

В многофазных средах из-за явлений неупругого поглощения энергии скорость звука, вообще говоря, зависит от частоты колебаний (то есть наблюдается дисперсия скорости). Например, оценка скорости упругих волн в двухфазной пористой среде может быть выполнена с применением уравнений теории Био-Николаевского. При достаточно высоких частотах (выше частоты Био) в такой среде возникают не только продольные и поперечные волны, но также и продольная волна II-рода. При частоте колебаний ниже частоты Био, скорость упругих волн может быть приблизительно оценена с использованием гораздо более простых уравнений Гассмана.

При наличии границ раздела, упругая энергия может передаваться посредством поверхностных волн различных типов, скорость которых отличается от скорости продольных и поперечных волн. Энергия этих колебаний может во много раз превосходить энергию объёмных волн.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковой скоростью, а «скоростью невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Из истории Ту-144 и «Конкорда»

Исполнилось полвека, как Ту-144 совершил первый полет. А спустя год лайнер показал, на что конкретно способен: он набрал скорость в 2,5 тыс км/ч на высоте 11 км. В мире до сих пор нет аналогов пассажирских бортов, которые способны повторить подобный маневр.

Рассказывают, на одном из совещаний в ЦК КПСС конструктор Андрей Туполев докладывал Хрущеву: Ту-144 получается довольно прожорливым. Но тот лишь махнул рукой: ваше дело — утереть нос капиталистам, а керосина у нас хоть залейся. Впрочем, и европейский конкурент, взлетевший позже, тоже не отличился экономичностью. Так, в 1978 году девять «Конкордов» принесли своим компаниям около 60 млн долларов убытка. Тем не менее «англо-француз» летал вплоть до ноября 2003 года.

А вот Ту-144 списали намного раньше. Почему? Сверхзвукового первенца сразу же окрестили «удавом на шее «Аэрофлота». Огромный расход топлива нокаутировал и проектную дальность полетов: Ту-144 не дотягивал ни до Хабаровска, ни до Петропавловска-Камчатского. Более того, 200-тонный «утюг», курсировавший над густонаселенными районами на сверхзвуке, буквально взорвал все пространство вдоль трассы. Посыпались жалобы: надои у буренок упали, куры перестали нестись… Кстати, «Конкорд» летал только над океаном.

США испытали гиперзвуковые сани

Но самое важное — катастрофы. Одна — в июне 1973-го на авиасалоне в Ле Бурже

Другая — через пять лет, в испытательном полете с двигателями новой серии. Они как раз должны были вытащить самолет на необходимую дальность.

Не избежал трагедии и «Конкорд»: самолет разбился в июле 2000 года при вылете из аэропорта Шарль де Голль. По иронии судьбы он рухнул почти там, где когда-то Ту-144. Потом была еще череда инцидентов, и на этом «сверхзвуковике» тоже поставили жирную точку. 

Задачи НЦМУ «Сверхзвук»

— Привлечение ведущих ученых, в том числе зарубежных, и молодых перспективных исследователей

— Получение качественно новых научных результатов мирового уровня с использованием уникальной исследовательской инфраструктуры «Сверхзвука»

— Разработка комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла в области транс-, сверхзвуковых режимов полета

— Разработка облика СПС с созданием модели летательных аппаратов и проведением расчетных исследований, испытаний в аэродинамических трубах

— Обеспечение научного сопровождения на всем жизненном цикле создания образцов транс-, сверхзвукового самолета гражданского назначения.

Инфографика «РГ» / Леонид Кулешов / Наталия Ячменникова

Инфографика «РГ» / Леонид Кулешов / Наталия Ячменникова

Примечания

1. ↑
2. . Lenta.ru (7 февраля 2008). Проверено 13 августа 2010.
3. . www.npo-saturn.ru. Проверено 24 января 2016.
4. Dr C Kopp. . www.ausairpower.net. Проверено 24 января 2016.
5. Dr. Carlo Kopp. . www.strategycenter.net. Проверено 24 января 2016.
6. Практическая аэродинамика самолета МиГ-25РБ, Военное издательство Министерства обороны СССР, 1978 год, стр. 240
7. Ayton, Mark. «F-22 Raptor». AirForces Monthly, August 2008, p. 75. Retrieved: 19 July 2008.
8. Практическая аэродинамика самолета МиГ-29. Учебное пособие, 1987 год, стр. 150-151
9. Tirpak, John . Air Force Association (November 2012). — «while not technically a «supercruising» aircraft, can maintain Mach 1.2 for a dash of 150 miles without using fuel-gulping afterburners». Проверено 4 ноября 2012.

Ту-144 против «Конкорда»: кто быстрее

Ту-144 поднялся в небо на два месяца раньше, чем его европейский соперник – сверхзвуковой лайнер «Конкорд», но пролетал намного меньше.

Началось с того, что СССР стал активно развивать северные и восточные регионы в 60-е годы прошлого века. Долететь до Дальнего Востока на реактивном самолёте Ту-104 можно было за восемь часов с двумя промежуточными остановками. Генеральный секретарь ЦК КПСС Никита Хрущёв поставил задачу создать пассажирский сверхзвуковой самолёт, на котором до Хабаровска можно будет долететь за 3,5 часа. Достижения советской авиации, как спорт и балет, должны были доказать миру превосходство социализма над капитализмом.

В это время (в 1962 году) в Париже британская и французская стороны подписали соглашение о совместной разработке сверхзвукового самолёта «Конкорд» (что в переводе с английского означает «согласие»). Планировалось, что лайнер будет пересекать Атлантический океан со скоростью 2 000 км/ч.

Обеспокоенное планами европейских конкурентов, советское руководство через месяц издало постановление о создании опытным Конструкторским бюро Туполева сверхзвукового пассажирского самолёта Ту-144. Тогда началась гонка.

В 1967 году в Тулузе во Франции прошла первая официальная презентация «Конкорда». Советские конструкторы опаздывали, но их спасли технические неполадки у европейцев, по которым вылет «Конкорда» отложили. Хрущёв потребовал от Туполева запустить Ту-144 до конца 1968 года. Перед Новым годом 31 декабря 1968 года с аэродрома Раменское в тестовом режиме взлетел Ту-144. Во время 38-минутного полёта самолёт показал себя отлично.

Ту-144 в полёте /Фото с сайта militaryarms.ru

Через два месяца вслед за Ту-144 в воздух поднялся «Конкорд».

Сверхзвуковой пассажирский «Конкорд» / Фото с сайта need4trips.com

«В конце 60-х годов я был юношей, – вспоминает житель Жуковского, инженер танковой промышленности Павел Городницкий. – Здесь с аэродрома Ту-144 регулярно поднимался над долиной Москвы-реки. Большими кругами на минимальной скорости самолёт отрабатывал различные режимы работы, выпрямляя носовую часть, делая виражи. Для нас это было потрясающее явление, просто спектакль. Но это длилось недолго: делали несколько кругов и улетали».

В 1973 году во время выставки в Ле-Бурже Ту-144 потерпел крушение. Все шесть членов экипажа погибли. Советский лайнер, как и «Конкорд», пытался пролететь над взлётно-посадочной полосой, а потом снова набрать высоту. Однако самолёт начал резко пикировать, а на высоте 120 метров стал разваливаться на части. Сначала отвалилось одно крыло, затем хвостовой отсек. Причин катастрофы так и не установили. Несмотря на это, Ту-144 был показан на авиасалоне в Ле Бурже и в следующие годы.

В 1977 году сменившему Хрущёва Леониду Брежневу во время визита во Францию показали «Конкорд», который за год слетал в Бахрейн и Бразилию. Максимальная скорость самолёта была 2 330 км/ч, а крейсерская скорость – 2 150 км/ч. Генсек поручил отечественным конструкторам ускориться. И утром 1 ноября 1977 года из аэропорта Домодедово в Алма-Ату с пассажирами на борту вылетел Ту-144. Расстояние в 3 260 км лайнер преодолел за 2 часа 10 минут.

Через год во время испытаний у Ту-144 загорелся один из двигателей для дальнего полёта. Экипаж совершил вынужденную посадку. Погибли два бортинженера, которые не смогли покинуть самолёт после приземления. Советское руководство приняло решение отменить пассажирские рейсы на Ту-144. В начале 80-х годов Ту-144 ещё два раза загорелся, но обошлось без человеческих жертв.

В это время на арену пассажирских перевозок вышел новый Ил-86. В 1982 году умер Брежнев. Новое руководство СССР, не заинтересованное в сверхзвуковой пассажирской авиации, издало постановление о прекращении работ над обогнавшим звук Ту-144.

Его конкурент «Конкорд» пролетал до начала XXI века. 25 июля 2000 года самолёт потерпел катастрофу при вылете из парижского аэропорта. Погибло 113 человек. В 2003 году рейсы прекратились из-за повышения цены на топливо. За время полётов через Атлантику британо-французский авиалайнер перевёз 3 млн пассажиров.

Каждый «Конкорд» стоил 350 млн долларов, а общая сумма на постройку 16 самолётов составила 17 млрд долларов. Сколько денег было потрачено на создание и эксплуатацию Ту-144, неизвестно. Но точно немало: в СССР на соревнование с Западом денег не жалели.

Преодоление сверхзвукового барьера самолетом

Когда самолет передвигается среди воздушных масс он буквально рассекает воздух во все стороны, создавая шумовой эффект и расходящиеся во все направления волны воздушного давления. При достижении летательного аппарата скорости звука возникает момент, когда звуковая волна не способна обогнать самолет. Из-за этого перед фронтальной частью самолета возникает ударная волна в виде плотного барьера из воздуха.

Возникший впереди самолета слой воздуха в момент достижения летательным аппаратом скорости звука создает резкий рост сопротивления, что и служит источником изменения характеристик устойчивости самолета.

Когда самолет летит, звуковые волны распространяются от него во все стороны со скоростью звука. Когда самолет достигает скорости М=1, то есть скорости звук, звуковые волны скапливаются перед ним и образуют слой уплотненного воздуха. При скоростях выше скорости звука эти волны образуют ударную волну, которая достигает земли. Ударная волна воспринимается как звуковой удар, акустически воспринимаемый человеческим ухом внизу на земной поверхности как глухой взрыв.

Этот эффект можно постоянно наблюдать при проведении учений сверхзвуковых самолетов гражданским населением в районе полетов.

Еще одним интересным физическим явлением при полете сверхзвуковых самолетов — это визуальное опережение летательных аппаратов их собственного звука. Звук наблюдается с некоторым опозданием за хвостом самолета.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Теория

В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом:
M=ucs{\displaystyle M={\frac {u}{c_{s}}}}, где u — скорость движения потока или тела, cs{\displaystyle c_{s}} — скорость звука в среде.
Звуковая скорость определяется как cs=γpρ{\displaystyle c_{s}={\sqrt {\gamma {\frac {p}{\rho }}}}}, где γ{\displaystyle \gamma } — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает i{\displaystyle i} степенями свободы он равен i+2i{\displaystyle {\frac {i+2}{i}}}). Здесь i=np+nr+2nc{\displaystyle i=n_{p}+n_{r}+2n_{c}} — полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы np=3{\displaystyle n_{p}=3}. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы nr=2{\displaystyle n_{r}=2}, количество колебательных степеней свободы (если есть) nc=3n−5{\displaystyle n_{c}=3n-5}. Для всех других молекул nr=3{\displaystyle n_{r}=3}, nc=3n−6{\displaystyle n_{c}=3n-6}.

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).

Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: черенковское излучение, волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Неутешительные итоги

Несмотря на катастрофу, развитие самолета продолжалось. В 1977 году наконец-то был открыт первый пассажирский рейс Ту-144 Москва – Алма-Ата. Полет проходил на высоте 16-17 тыс. м на расстояние 3260 км со скоростью 2000 км/ч. Самолет летал один раз в неделю и перевозил 80 человек. По отзывам пассажиров, они чувствовали себя в полете, как космонавты. 

В 1976 году началась постройка Ту-144 с новым двигателем РД-36-51А, который должен был обеспечить более длительный сверхзвуковой полет. Происшествие с первой опытной моделью именно этой серии стало решающим в судьбе Ту-144. В мае 1978 года во время испытаний в Подмосковье самолет был вынужден совершить экстренную посадку по причине возгорания одного из двигателей. При этом два члена экипажа погибли. 

В том же году было принято решение о приостановке пассажирских перевозок. Программа развития самолета была свернута, производство Ту-144 прекратили в 1981 году. Позже самолеты использовались для грузоперевозок, тренировочных и испытательных полетов. 

Как показала практика, сверхзвуковые пассажирские перевозки оказались очень затратным делом даже для плановой экономики, которая никогда не скупилась на вложения в промышленность. Ту-144 оказался дорогим и сложным в эксплуатации. В СССР для него не было подходящей инфраструктуры и достаточного количества маршрутов, а для продаж за границу существовали большие препятствия. Его европейский конкурент «Конкорд», пролетавший до 2003 года, испытывал примерно те же трудности и уступил небо более экономным дозвуковым авиалайнерам. 

О результатах воплощения программы сверхзвукового пассажирского авиалайнера до сих пор не утихают споры. Одно можно сказать точно: отечественные авиастроители в очередной раз подтвердили свое мировое лидерство, победив в сверхзвуковой гонке. Работы над Ту-144 помогли поднять уровень советского авиапрома и смежных областей. Опыт разработки был в дальнейшем использован при создании тяжелых сверхзвуковых самолетов Ту-22М и Ту-160.