Что происходит с самолётом при переходе на сверхзвук и откуда берётся звуковой удар

Представьте самолёт, который разгоняется всё быстрее. На 800 км/ч ничего мистического не происходит. На 900 км/ч тоже. Но когда скорость приближается к скорости распространения звука, воздух вокруг самолёта начинает вести себя совсем иначе. На крыле появляются ударные волны, резко растёт сопротивление, меняется распределение давления, а некоторые участки потока уже движутся сверхзвуково, хотя сам самолёт ещё формально не достиг Маха 1.

Мне нравится объяснять переход на сверхзвук не как «самолёт пробивает звуковой барьер», а как переход в другой режим течения воздуха. Никакой физической стены впереди самолёта нет и никакого единственного хлопка в момент пересечения Маха 1 тоже нет. Главную роль играют волны давления. Пока самолёт медленнее звука, воздух успевает передать информацию о его приближении вперёд. На сверхзвуке самолёт начинает обгонять собственные возмущения воздуха.

Сначала разберёмся, что вообще значит скорость звука

Когда самолёт летит, нос, крылья и фюзеляж толкают воздух. Молекулы воздуха сталкиваются с соседними молекулами и передают изменение давления дальше. Такая маленькая волна давления и есть основа звука.

Скорость распространения подобных возмущений зависит прежде всего от температуры воздуха. У поверхности Земли при температуре около 15 °C скорость звука составляет примерно 340 м/с, или около 1225 км/ч. На высоте 10–11 километров воздух значительно холоднее, поэтому скорость звука обычно ближе к 295 м/с, примерно 1060 км/ч.

Поэтому говорить «сверхзвук начинается после 1200 км/ч» неправильно. Пилоты и инженеры используют число Маха.

Mach = скорость самолёта / местная скорость звука

Мах 0,5 означает половину скорости звука. Мах 1 означает скорость звука. Мах 2 означает удвоенную местную скорость звука.

Посмотреть базовое объяснение числа Маха можно в образовательных материалах NASA Glenn.

Теперь представим самолёт, который летит на Махе 0,3. Воздух перед носом начинает сжиматься, и волны давления убегают вперёд значительно быстрее самолёта. Воздух как бы заранее «узнаёт», что через мгновение сюда прилетит самолёт, и начинает плавно растекаться вокруг него.

Условная картина выглядит так.

волны давления  → → → → →
 
               ✈ →
 

Самолёт ускоряется до Маха 0,8. Теперь разница между скоростью самолёта и скоростью волн давления становится небольшой. Воздуху остаётся гораздо меньше времени, чтобы перестроиться.

И тут начинается самая интересная часть.

Почему проблемы начинаются ещё до Маха 1

Самолёт летит, например, со скоростью Мах 0,85. Кажется, что сверхзвука ещё нет. Но воздух не движется вокруг самолёта с одной скоростью.

Над выпуклой верхней поверхностью крыла поток ускоряется. Поэтому при скорости самолёта Мах 0,85 отдельный участок воздуха над крылом может уже разогнаться выше Маха 1.

Получается странная картина. Самолёт ещё дозвуковой, а на крыле уже существует локальная сверхзвуковая область.

                 локальный поток Mach > 1
                        → → → →
                     __________
 поток → → → →     /          ____
                  /     крыло       
 
 самолёт Mach 0,85

Но сверхзвуковой поток не может просто спокойно вернуться к дозвуковой скорости. Возникает скачок уплотнения, очень тонкая область, внутри которой давление, плотность, температура и скорость воздуха меняются почти скачком.

Именно ударные волны становятся одной из главных особенностей трансзвукового режима.

Можно представить автомобильную пробку. По свободной дороге машины едут быстро. Впереди возникло сужение, и поток автомобилей внезапно уплотнился. Граница между свободным движением и плотной пробкой напоминает по смыслу скачок уплотнения, хотя физика автомобильного потока, конечно, совсем другая.

На самолёте ударная волна меняет давление на поверхности крыла и увеличивает сопротивление. Поэтому в районе Маха 0,8–1,2 аэродинамика становится заметно сложнее.

Именно отсюда родилось выражение «звуковой барьер». Ранние самолёты действительно сталкивались около скорости звука с резким ростом сопротивления, вибрациями и проблемами управляемости. Иногда пилотам казалось, что самолёт буквально упирается в невидимую стену.

Никакой стены не существовало. Конструкторы просто ещё плохо управляли трансзвуковой аэродинамикой.

Ситуацию изменили стреловидные крылья, более тонкие профили, мощные двигатели, новые схемы хвостового оперения и гораздо более глубокое понимание сжимаемого потока.

Что происходит прямо около Маха 1

Теперь представим самолёт, разогнавшийся почти до скорости звука.

От носа постоянно расходятся волны давления. Но самолёт движется почти так же быстро, как распространяются сами волны. Каждая новая волна оказывается совсем рядом с предыдущей.

Условно можно представить несколько кругов, которые почти догнал их источник.

        ))))))
       ))))))
     ))))))
    ✈→

При сверхзвуковой скорости ситуация меняется принципиально. Самолёт движется быстрее, чем возмущение давления может уйти вперёд.

Самолёт начинает обгонять собственные волны.

Множество волн давления складывается в поверхность скачка уплотнения. В трёхмерном пространстве формируется структура, похожая на конус, который тянется позади самолёта.

                 ✈────────→
                 / 
                /   
               /     
              /       
             /         
        ударные волны

Такой геометрический объект называют конусом Маха.

Чем быстрее самолёт относительно скорости звука, тем уже получается конус. При скорости лишь немного выше Маха 1 конус довольно широкий. На Махе 2 угол становится заметно меньше.

Связь описывает простая формула.

sin μ = 1 / M
 
 μ = угол Маха
 M = число Маха

Например, при Махе 2 угол Маха равен примерно 30°.

При этом фраза «при Махе 1 возникает одна ударная волна» слишком упрощает реальную картину. У настоящего самолёта есть нос, фонарь кабины, воздухозаборники, передняя и задняя кромки крыла, хвостовое оперение. Разные элементы создают собственные изменения давления и систему ударных волн.

NASA подробно показывает физику скачков уплотнения в материале про shock waves.

А где тот самый громкий хлопок

Самый распространённый миф выглядит примерно так. Самолёт разгоняется, достигает Маха 1, происходит «БУМ», после чего самолёт спокойно летит дальше.

В реальности человек на земле слышит не момент перехода самолёта через Мах 1.

Самолёт, пока остаётся сверхзвуковым, постоянно создаёт систему ударных волн. Эти волны распространяются вниз и в стороны вместе с самолётом.

Представьте длинный конус, вершина которого находится около самолёта.

                       ✈→
                       / 
                      /   
                     /     
                    /       
 ------------------X---------------- земля
                   человек

Когда поверхность ударной волны проходит через наблюдателя, давление воздуха очень быстро меняется. Ухо воспринимает скачок давления как громкий удар.

Поэтому звуковой удар движется вместе с самолётом. Люди вдоль всей траектории могут услышать его в разное время.

Если сверхзвуковой самолёт пролетел сотни километров, хлопок потенциально услышат люди вдоль большой полосы под маршрутом. Самолёту не приходится заново «пробивать барьер» над каждым городом.

У многих самолётов структура давления создаёт характерную N-образную волну. Сначала давление резко возрастает, затем постепенно меняется и в конце резко возвращается к исходному уровню. Поэтому иногда человек слышит не один, а два близких хлопка.

давление
 
       /
      /  
 ____/    ____
              |
               ____
 
           время →

Конкретная форма зависит от самолёта, высоты, скорости, атмосферы и геометрии ударных волн.

Современные экспериментальные проекты вроде NASA X-59 пытаются не убрать ударные волны, что физически невозможно при обычном сверхзвуковом полёте, а распределить изменения давления так, чтобы на земле вместо резкого «бума» получался гораздо более мягкий звук.

Что чувствует пилот и почему самолёт не дёргается на Махе 1

В кино переход на сверхзвук любят показывать как мгновенное событие. Стрелка дошла до Маха 1, кабину тряхнуло, появилась белая вспышка вокруг самолёта, пилота вдавило в кресло.

Реальный полёт устроен гораздо спокойнее.

Число Маха плавно проходит значения 0,97, 0,98, 0,99, 1,00, 1,01. В грамотно спроектированном сверхзвуковом самолёте никакого обязательного удара внутри кабины в точке Мах 1 нет.

Гораздо сильнее пилот ощущает ускорение от двигателя, перегрузку при манёврах и возможную турбулентность.

Аэродинамические силы при переходе через трансзвуковую область действительно меняются. Центр давления может смещаться, сопротивление возрастает, характеристики рулей меняются. Конструкторы заранее рассчитывают самолёт на такой режим.

Исторически проблема была серьёзнее. На ранних скоростных самолётах ударные волны могли менять поток около хвостового оперения настолько сильно, что обычный руль высоты терял эффективность. Поэтому сверхзвуковые самолёты часто получили цельноповоротный стабилизатор.

Есть ещё один эффект, который часто принимают за «пробивание звукового барьера». На фотографиях около самолётов иногда видно белое облако.

Облако возникает не потому, что самолёт буквально прорвал какую-то оболочку воздуха. В областях пониженного давления воздух охлаждается. При достаточной влажности водяной пар конденсируется в мельчайшие капли, и на короткое время появляется видимое облако. Такой эффект может возникать около трансзвуковых самолётов, но сам по себе не доказывает пересечение Маха 1.

После уверенного перехода на сверхзвук физика не становится «обычной» снова. На самолёте остаются ударные волны, а аэродинамическое сопротивление во многом определяется волновым сопротивлением. Воздухозаборники двигателя приходится проектировать так, чтобы правильно тормозить сверхзвуковой поток перед компрессором. Нос, крыло и фюзеляж проектируют с учётом взаимодействия ударных волн.

Поэтому сверхзвуковой самолёт внешне не случайно отличается от обычного пассажирского лайнера. Тонкое крыло, большая стреловидность или дельтовидная форма, острый нос и тщательно рассчитанный фюзеляж нужны не ради футуристического вида.

Если свести весь переход к одной простой картинке, получается такая последовательность.

1. На небольших скоростях волны давления свободно уходят впереди самолёта.
2. При приближении к скорости звука воздух уже не успевает плавно перестраиваться.
3. На отдельных участках крыла сверхзвуковой поток возникает ещё до того, как весь самолёт достигает Маха 1.
4. Появляются скачки уплотнения и резко меняется сопротивление.
5. После Маха 1 самолёт движется быстрее собственных звуковых возмущений.
6. Ударные волны образуют пространственную систему позади самолёта.
7. Когда такая волна проходит через человека на земле, человек слышит звуковой удар.

Поэтому выражение «самолёт пробил звуковой барьер» удобно для газетного заголовка, но физически вводит в заблуждение. Самолёт ничего не ломает и не проходит через невидимую стену. При приближении к Маху 1 постепенно меняется характер движения сжимаемого воздуха, формируются локальные сверхзвуковые области и ударные волны, а после Маха 1 самолёт уже не может заранее «сообщить» воздуху впереди о своём приближении.

Именно здесь проходит настоящая граница между дозвуковой и сверхзвуковой аэродинамикой.

Вопросы и ответы

На какой скорости самолёт переходит на сверхзвук?

Единой скорости в километрах в час нет. Сверхзвук начинается при Махе больше 1, а местная скорость звука зависит прежде всего от температуры воздуха. Около уровня моря речь примерно о 1225 км/ч при 15 °C, на высоте пассажирского авиалайнера значение может быть ближе к 1060 км/ч.

Правда ли, что самолёт издаёт хлопок именно в момент перехода через Мах 1?

Нет. Сверхзвуковой самолёт создаёт систему ударных волн постоянно. Наблюдатель слышит звуковой удар в тот момент, когда ударная волна проходит через его местоположение.

Может ли часть самолёта находиться на сверхзвуке до Маха 1?

Да. Поток над крылом и возле других элементов конструкции ускоряется. Поэтому локальные сверхзвуковые области могут возникнуть, когда самолёт в целом ещё летит медленнее скорости звука.

Что такое ударная волна у самолёта?

Ударная волна представляет собой очень тонкую область, через которую параметры воздуха меняются резко. За скачком меняются давление, плотность, температура и скорость потока.

Почему раньше говорили о звуковом барьере?

Ранние скоростные самолёты около Маха 1 сталкивались с ростом сопротивления, вибрациями и изменением управляемости. До развития трансзвуковой аэродинамики инженерам было трудно безопасно пройти такой диапазон скоростей, поэтому возник образ физического «барьера».

Почему возле сверхзвукового самолёта иногда появляется белое облако?

Изменение давления может вызвать быстрое охлаждение влажного воздуха и конденсацию водяного пара. Белое облако связано с влажностью и распределением давления, а не с разрушением некой «звуковой стены».

Почему сверхзвуковые самолёты имеют острые носы и стреловидные крылья?

Такая геометрия помогает контролировать ударные волны и снижать волновое сопротивление. Форму сверхзвукового самолёта во многом определяет поведение сжимаемого воздуха на больших числах Маха.