Москва – Лос-Анджелес за час. Это вообще реально? (Спойлер: да. И ученые только что поняли, как это упростить).

Американские инженеры сделали шаг к тому, чтобы перелеты, которые сейчас занимают 12–15 часов, укладывались в один. Команда профессора Николаса Парциале из Технологического института Стивенса представила экспериментальное подтверждение давней гипотезы, которая упрощает проектирование гиперзвуковых летательных аппаратов. Статья вышла 12 ноября в журнале Nature Communications.

Гиперзвуковым называют полет со скоростью от пяти чисел Маха и выше. Для сравнения. Чтобы добраться из Сиднея в Лос-Анджелес примерно за час, самолету нужно разогнаться до Маха 10. Это около 7 тысяч миль в час. Современные боевые самолеты летают примерно на скорости Мах 2–3, то есть намного медленнее.

Главная сложность в том, что воздух на таких скоростях ведет себя по-другому. На обычных дозвуковых и околозвуковых режимах поток можно считать почти несжимаемым. Плотность воздуха почти не меняется и аэродинамику можно описывать привычными уравнениями. На сверхзвуке и тем более на гиперзвуке воздух уже сжимается, нагревается, меняется его плотность. Это влияет на подъемную силу, лобовое сопротивление и работу двигателя. Проектирование превращается в сложную задачу.

Середине XX века аэрокосмические инженеры пользуются так называемой гипотезой Морковина. Она говорит, что сама структура турбулентности при высоких числах Маха остается в целом похожей на ту, что наблюдается при низких скоростях. То есть если гипотеза верна, то не нужно заново изобретать теорию турбулентности для гиперзвука. Можно использовать те же модели, что и для медленных потоков, только с поправками на сжимаемость.

До сих пор у этой идеи почти не было прямых экспериментальных подтверждений. Команда Парциале потратила около 11 лет на создание установки, которая позволяет наблюдать течение воздуха на скорости Мах 6. Исследователи подавали в поток криптон, а затем «подсвечивали» его лазером. В результате в воздухе появлялась тонкая светящаяся линия атомов. Дальше поток начинал мять и скручивать эту линию, а высокоточные камеры снимали, как именно это происходит. По характеру этих «смятостей» можно судить о структуре турбулентности.

Парциале говорит, что на Махе 6 турбулентное движение оказалось очень близким к тому, что описывается классической несжимаемой теорией. Это означает, что базовые представления о турбулентности остаются применимыми и на гиперзвуке. Полностью гипотезу Морковина это пока не закрывает, потому что ее нужно проверить в других режимах и при других температурах. Но уже сейчас это хороший аргумент в пользу того, что будущие гиперзвуковые самолеты не придется проектировать по совершенно другим законам.

Если расчеты и дальше будут подтверждаться экспериментами, создание таких аппаратов станет проще. А вместе с этим упростится и задача выведения в космос. Исследователи отмечают, что при таком подходе можно будет не только летать по Земле на огромных скоростях. Можно будет использовать гиперзвуковые аппараты для выхода на низкую околоземную орбиту без классического ракетного старта. Это сделает глобальную и орбитальную транспортировку намного доступнее и позволит буквально «сжать» планету.