На гиперзвуковых скоростях самолет объединяет в себе авиационные и космические технологии

Дин Андреадис

Диаграмма гидродинамических нагрузок показывает поведение аппарата Hyper-X при испытаниях на скорости 7 Махов при работающем двигателе

Двигатель в гиперзвуковом самолете занимает почти всю нижнюю поверхность фюзеляжа. Когда воздух проходит под носовой частью аппарата, сквозь воздухозаборник, камеру сгорания, сопло и под задней частью фюзеляжа, в нем возникает серия скачков уплотнения. Форма этих скачков меняется в зависимости от скорости и должна находиться под контролем, поскольку именно от нее зависит эффективная работа двигателя

Схема экспериментального полета X-43A

XXI век уже начал развертывать перед нами новые перспективы и ставить новые задачи. Самолеты теперь должны летать на гиперзвуковых скоростях, а для этого в их двигателях необходимо гармонично объединить черты авиационной и космической техники. В сверхзвуковом ПВРД — прямоточном воздушно-реактивном двигателе — не используется никаких вращающихся частей, при этом самолет, оснащенный таким двигателем, будет способен покрывать сотни километров за считаные минуты, сделает реальностью регулярные сверхскоростные трансконтинентальные перелеты и недорогие космические полеты.

В 2004 году, когда в самостоятельный полет отправился первый самолет с таким двигателем, поставленная цель стала уже почти реальностью. Во второй половине дня 27 марта неподалеку от побережья Калифорнии с летящего на высоте 12 км бомбардировщика В-52 стартовал принадлежащий NASA беспилотный аппарат Х-43А, установленный на крылатой ракете-носителе Pegasus («Пегас»). С помощью стартового ускорителя экспериментальный аппарат воспарил на высоту 29 км, где и отделился от ракеты-носителя. Далее заработал его собственный ПВРД, и хотя он проработал всего 10 секунд, на его тяге была достигнута немыслимая скорость в 7 Махов, то есть 8350 км/час.

Полученные в ходе этого эксперимента результаты помогли трезво оценить концепцию сверхзвукового летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем. Серия полетов, запланированных на ближайшие несколько лет, должна расширить объем уже имеющихся экспериментальных данных, так что не пройдет и десятилетия, как первые гиперзвуковые аппараты с ПВРД будут запущены в коммерческую эксплуатацию.

Сверхзвуковые ПВРД сделают возможным три категории гиперзвуковых летательных аппаратов — оружие (такое как крылатые ракеты), самолеты (к примеру, стратегические бомбардировщики и разведчики) и, наконец, космопланы — космические аппараты, способные взлетать и приземляться, как обычные авиалайнеры.

В Соединенных Штатах развитие прямоточных воздушно-реактивных двигателей имеет долгую историю. На основе теоретических разработок, начатых еще в сороковые годы, в конце пятидесятых американские ВВС, ВМФ и NASA вплотную подступили к экспериментальному этапу. Нынешний уровень проработки этой идеи базируется на множестве исследовательских программ с конструированием подобных двигателей на водородном и углеводородном топливе.

В ряду этих разработок особо следует отметить программу NASA «Национальный аэрокосмический самолет» (National Aerospace Plane — NASP). В 1986 году перед разработчиками была поставлена задача создать летательный аппарат, способный развивать скорость больше 15 Махов и при этом взлетающий и садящийся наподобие обычного самолета — на горизонтальную площадку. Программа была завершена в 1993 году, а вот созданная в ходе выполнения этой программы оригинальная конструкция двигателя, будучи значительно доработана в NASA, легла в основу силовой установки, использованной в мартовском полете Х-43А.

В 2001 году ВВС США совместно с моторостроительной компанией Pratt & Whitney провели наземные испытания первого неохлаждаемого ПВРД на углеводородном топливе, имитируя скорости 4,5 — 6,5 Махов. В 2003 году результатом этого сотрудничества явился двигатель из никелевых сплавов, охлаждаемый потоком собственного горючего марки JP7. Именно этот двигатель может в перспективе стать основой для будущих крылатых ракет, самолетов и космических аппаратов. В прошлом году были произведены наземные испытания ПВРД, разработанного целой группой организаций — DARPA (Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов), ВМФ США, Boeing, Aerojet и университетом Джонса Хопкинса. Этот двигатель изготовлен в основном из никелевых сплавов, использует топливо JP10 и предназначен исключительно для гиперзвуковых крылатых ракет.

Что такое ГПВРД?

В традиционном ПВРД поступающий в воздухозаборник сверхзвуковой воздушный поток тормозится до дозвуковой скорости скачками уплотнения — ударными волнами, образуемыми за счет определенной геометрии воздухозаборника. Горючее впрыскивается в этот сжатый торможением дозвуковой поток, смесь сгорает, и горячие газы, проходя через регулируемое или нерегулируемое сопло, снова разгоняются до сверхзвуковых скоростей.

В гиперзвуковом ПВРД воздушный поток тормозится на входе в меньшей степени и остается сверхзвуковым в ходе всего процесса горения топлива. В этом случае отпадает нужда в регулируемых соплах, и работа двигателя оптимизирована для широкого диапазона чисел Маха. Современные двухрежимные гиперзвуковые ПВРД способны работать в режимах как дозвукового, так и сверхзвукового горения, обеспечивая плавный переход из одного режима в другой.

Концепция ГПВРД являет собой образец гармоничного сопряжения планера летательного аппарата и его движителя. В этой схеме двигатель занимает всю нижнюю поверхность летательного аппарата. Силовая установка состоит из семи основных элементов, пять из них относятся собственно к двигателю, а два — к фюзеляжу аппарата. Зона двигателя — это передняя и задняя части воздухозаборника, камера сгорания, сопло и система подачи горючего. К фюзеляжу можно отнести влияющие на работу двигателя нижние поверхности его носовой и хвостовой частей.

В скоростной системе нагнетания воздуха эффективно взаимодействуют носовая нижняя часть фюзеляжа и воздухозаборник. Они совместно захватывают и сжимают воздушный поток, подавая его в камеру сгорания. В отличие от обычных реактивных двигателей, в ГПВРД на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета необходимое сжатие поступающего воздуха достигается без использования механического компрессора. Первоначальное сжатие создается нижней носовой частью фюзеляжа самолета, а воздухозаборник доводит его до необходимой степени сжатия.

Набегающий воздушный поток испытывает серию скачков уплотнения у носовой части самолета и на входе в воздухозаборник, его скорость снижается, при этом растут давление и температура. Принципиально важным компонентом ГПВРД выступает задняя часть воздухозаборника. В этой зоне сверхзвуковой входящий поток встречается с противодавлением, которое превосходит статическое давление воздуха на входе. Когда в результате процесса горения от стенки начинает отделяться пограничный слой, в зоне задней части воздухозаборника формируется серия скачков уплотнения, создавая своего рода «предкамеру» перед настоящей камерой сгорания. Наличие задней части воздухозаборника позволяет достичь в камере сгорания необходимых уровней теплоподвода и управлять растущим давлением так, чтобы не возникла ситуация, называемая «запиранием», при которой ударные волны препятствуют попаданию воздушного потока в заднюю часть воздухозаборника.

Камера сгорания обеспечивает наиболее эффективное смешивание воздуха с горючим за счет впрыска, распределенного по длине камеры. Таким образом достигается наиболее эффективный перевод тепловой энергии в тягу двигателя. Система выброса газов, состоящая из сопла и нижней поверхности хвостовой части фюзеляжа, обеспечивает управляемое расширение сжатых горячих газов, что, собственно, и дает необходимую тягу. Процесс расширения преобразует возникающую в камере сгорания потенциальную энергию в энергию кинетическую. В зоне сопла происходит множество физических явлений — это и горение, и эффекты пограничного слоя, и нестационарные потоки газов, и неустойчивость слоев с поперечным сдвигом, а также множество специфических объемных эффектов. Форма сопла имеет огромное значение для эффективности работы двигателя и для полета в целом, поскольку она влияет на подъемную силу и управляемость самолета.

Как все это действует

До того как летательный аппарат с ГПВРД достигнет желаемых скоростей, его двигатель должен последовательно пройти через несколько режимов работы. Для разгона до скоростей порядка 3 Махов можно использовать одну из нескольких возможностей — к примеру, дополнительные газотурбинные двигатели либо же ракетные ускорители (как внутренние, так и внешние).

На скорости 3−4 Маха ГПРВД перестраивается с режима низкоскоростной тяги на такой режим, когда в двигателе формируются устойчивые скачки уплотнения, создающие на входе в камеру сгорания один или несколько участков воздушного потока на дозвуковой скорости. В традиционном ПВРД это обеспечивают воздухозаборник и диффузор — они снижают скорость потока до уровня ниже скорости звука за счет увеличения площади диффузора, таким образом на дозвуковых скоростях можно достичь полного сгорания смеси.

За камерой сгорания расположено суживающееся-расширяющееся сопло, которое и выдает необходимую тягу. В ГПРВД на выходе из камеры происходит «газовое тепловое дросселирование», которое не требует реального геометрического сужения сопла. Это сужение потока формируется благодаря смешиванию газов с воздухом и точно выверенному распределению потоков.

Пока самолет с ГПВРД на собственной тяге разгоняется от 3 до 8 Махов, в диапазоне от 5 до 7 Махов двигатель переходит на другой режим. Это переходный момент, когда двигатель работает и как традиционный ПВРД, и как гиперзвуковой. Рост температуры и давления в камере сгорания замедляется. В результате для нормальной работы становится достаточной более короткая зона предварительного сжатия. Скачки уплотнения сдвигаются от горловины воздухозаборника ближе к входу камеры сгорания.

Когда скорость переваливает за 5 Махов, режим сверхзвукового горения обеспечивает уже более высокую тягу, поэтому специфика двигателя требует, чтобы режим ПВРД использовался до тех пор, пока аппарат не достигнет скорости в 5−6 Махов. На пороге примерно в 6 Махов торможение воздушного потока к дозвуковым скоростям приводит местами к почти полной его остановке, что вызывает резкие скачки давления и теплопередачи. Где-то в интервале между 5 и 6 Махами появление этих симптомов может служить сигналом для перехода на режим чистого ГПВРД. Когда скорость переваливает за 7 Махов, процесс сгорания уже не способен разделять воздушный поток, и двигатель начинает работать в режиме ГПВРД без скачков уплотнения перед камерой сгорания. Ударные волны от воздухозаборника распределяются вдоль всего двигателя. На скоростях выше 8 Махов законы физики требуют сверхзвукового режима сгорания, поскольку двигатель уже не сможет выдерживать давлений и температур, которые возникли бы при торможении воздушного потока до дозвуковых скоростей.

При работе ГПВРД на скоростях от 5 до 15 Махов встает несколько технических проблем. Это сложности смешивания горючего с воздухом, борьба с тепловыми перегрузками двигателя, в частности с перегревом всех передних кромок воздухозаборника. Для полетов на гиперзвуковых скоростях требуются особые конструкции и материалы.

Когда скорость впрыскиваемого горючего уравнивается со скоростью влетающего в камеру сгорания воздушного потока, а это происходит на скоростях около 12 Махов, смешивание горючего с воздухом становится весьма затруднительным. При еще более высоких числах Маха огромные температуры в камере сгорания вызывают распад молекул и их ионизацию. Эти процессы, накладываясь на и без того сложную картину воздушного потока, где происходит сверхзвуковое перемешивание, взаимодействие камеры сгорания с каналом воздухозаборника и действуют законы горения, делают почти невозможным расчет газовых потоков, режима подачи топлива и теплового баланса камеры сгорания.

В ходе гиперзвукового полета нагрев двигателя летательного аппарата зависит не только от работы камеры сгорания — свой вклад вносят и другие системы: насосы, гидравлика, электроника. Системы управления теплообменом в гиперзвуковых летательных аппаратах в основном сконцентрированы на двигателе, поскольку именно он испытывает максимальные тепловые нагрузки. Двигатель вообще создает много проблем — зона реактивного потока отличается огромными термическими, механическими и акустическими нагрузками, а плюс ко всему она заполнена исключительно коррозионно активной смесью из раскаленных продуктов сгорания и кислорода.

Если двигатель не охлаждать, температура камеры сгорания перевалит за 2760 градусов Цельсия, а это выше, чем точка плавления для большинства металлов. К счастью, с проблемой высоких температур удается справиться путем активного охлаждения, правильного подбора материалов и разработкой специальных высокотемпературных конструкций.

Сам гиперзвуковой летательный аппарат тоже предъявляет жесткие требования к конструкциям и материалам. Вот они:

— очень высокие температуры;

— нагрев аппарата в целом;

— стационарные и перемещающиеся локализованные зоны нагрева от ударных волн;

— высокие аэродинамические нагрузки;

— высокие нагрузки от пульсаций давления;

— возможность серьезного флаттера, вибраций, флуктуирующие нагрузки термического происхождения;

— эрозия под воздействием набегающего воздушного потока и реактивного потока внутри двигателя.

Теперь, после успешного полета аппарата Х-43А и наземных испытаний нескольких полномасштабных моделей, все реальнее выглядят планы создать полноценный самолет с ГПВРД на водородном или углеводородном горючем. Когда наши материалы были отправлены в печать, NASA готовилась запустить еще один Х-43А и разогнать его до скорости 10 Махов, то есть до 12 000 км/ч.

В 2007 и 2008 годах ВВС США, Pratt & Whitney и подразделение компании Boeing — Phantom Works — будут продолжать летные испытания ГПВРД на углеводородном горючем. Эти испытания — с использованием относительно простого в изготовлении двигателя — должны продемонстрировать диапазон возможных ускорений и возможность устойчивой работы в течение нескольких минут на скоростях 4,5−6,5 Махов. Предполагается также проверить управляемость двигателя и всего аппарата при использовании сенсоров и компьютеров.

Демонстрация этих технических достижений, а также серия других запланированных наземных и воздушных испытаний должны открыть дорогу к созданию экономически выгодных, пригодных для многократного использования гиперзвуковых двигателей для крылатых ракет, самолетов дальнего действия и космических аппаратов. Эти аппараты могут войти в эксплуатацию соответственно в 2010, 2015 и в 2025 годах.

Перепечатано с позволения журнала The Industrial Physicist American Institute of Physics

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 километр в час [км/ч] = 0,00080843357909714 число Маха (20°C, 1 атм)

Исходная величина

Преобразованная величина

метр в секунду метр в час метр в минуту километр в час километр в минуту километр в секунду сантиметр в час сантиметр в минуту сантиметр в секунду миллиметр в час миллиметр в минуту миллиметр в секунду фут в час фут в минуту фут в секунду ярд в час ярд в минуту ярд в секунду миля в час миля в минуту миля в секунду узел узел (брит.) скорость света в вакууме первая космическая скорость вторая космическая скорость третья космическая скорость скорость вращения Земли скорость звука в пресной воде скорость звука в морской воде (20°C, глубина 10 метров) число Маха (20°C, 1 атм) число Маха (стандарт СИ)

Американский калибр проводов

Подробнее о скорости

Общие сведения

Скорость - мера измерения пройденного расстояния за определенное время. Скорость может быть скалярной величиной и векторной - при этом учитывается направление движения. Скорость движения по прямой линии называется линейной, а по окружности - угловой.

Измерение скорости

Среднюю скорость v находят, поделив общее пройденное расстояние ∆x на общее время ∆t : v = ∆x /∆t .

В системе СИ скорость измеряют в метрах в секунду. Широко используются также километры в час в метрической системе и мили в час в США и Великобритании. Когда кроме величины указано и направление, например 10 метров в секунду на север, то речь идет о векторной скорости.

Скорость движущихся с ускорением тел можно найти с помощью формул:

• a , с начальной скоростью u в течении периода ∆t , имеет конечную скорость v = u + a ×∆t .
• Тело, движущееся с постоянным ускорением a , с начальной скоростью u и конечной скоростью v , имеет среднюю скорость ∆v = (u + v )/2.

Средние скорости

Скорость света и звука

Согласно теории относительности, скорость света в вакууме - самая большая скорость, с которой может передвигаться энергия и информация. Она обозначается константой c и равна c = 299 792 458 метров в секунду. Материя не может двигаться со скоростью света, потому что для этого понадобится бесконечное количество энергии, что невозможно.

Скорость звука обычно измеряется в упругой среде, и равна 343,2 метра в секунду в сухом воздухе при температуре 20 °C. Скорость звука самая низкая в газах, а самая высокая - в твердых телах. Она зависит от плотности, упругости, и модуля сдвига вещества (который показывает степень деформации вещества при сдвиговой нагрузке). Число Маха M - это отношение скорости тела в среде жидкости или газа к скорости звука в этой среде. Его можно вычислить по формуле:

M = v /a ,

где a - это скорость звука в среде, а v - скорость тела. Число Маха обычно используется в определении скоростей, близких к скорости звука, например скоростей самолетов. Эта величина непостоянна; она зависит от состояния среды, которое, в свою очередь, зависит от давления и температуры. Сверхзвуковая скорость - скорость, превышающая 1 Мах.

Скорость транспортных средств

Ниже приведены некоторые скорости транспортных средств.

• Пассажирские самолеты с турбовентиляторными двигателями: крейсерская скорость пассажирских самолетов - от 244 до 257 метров в секунду, что соответствует 878–926 километрам в час или M = 0,83–0,87.
• Высокоскоростные поезда (как «Синкансэн» в Японии): такие поезда достигают максимальных скоростей от 36 до 122 метров в секунду, то есть от 130 до 440 километров в час.

Скорость животных

Максимальные скорости некоторых животных примерно равны:

Скорость человека

• Люди ходят со скоростью примерно 1,4 метра в секунду или 5 километров в час, и бегают со скоростью примерно до 8,3 метра в секунду, или до 30 километров в час.

Примеры разных скоростей

Четырехмерная скорость

В классической механике векторная скорость измеряется в трехмерном пространстве. Согласно специальной теории относительности, пространство - четырехмерное, и в измерении скорости также учитывается четвертое измерение - пространство-время. Такая скорость называется четырехмерной скоростью. Ее направление может изменяться, но величина постоянна и равна c , то есть скорости света. Четырехмерная скорость определяется как

U = ∂x/∂τ,

где x представляет мировую линию - кривую в пространстве-времени, по которой движется тело, а τ - «собственное время», равное интервалу вдоль мировой линии.

Групповая скорость

Групповая скорость - это скорость распространения волн, описывающая скорость распространения группы волн и определяющая скорость переноса энергии волн. Ее можно вычислить как ∂ω /∂k , где k - волновое число, а ω - угловая частота. K измеряют в радианах/метр, а скалярную частоту колебания волн ω - в радианах в секунду.

Гиперзвуковая скорость

Гиперзвуковая скорость - это скорость, превышающая 3000 метров в секунду, то есть во много раз выше скорости звука. Твердые тела, движущиеся с такой скоростью, приобретают свойства жидкостей, так как благодаря инерции, нагрузки в этом состоянии сильнее, чем силы, удерживающие вместе молекулы вещества во время столкновения с другими телами. При сверхвысоких гиперзвуковых скоростях два столкнувшихся твердых тела превращаются в газ. В космосе тела движутся именно с такой скоростью, и инженеры, проектирующие космические корабли, орбитальные станции и скафандры, должны учитывать возможность столкновения станции или космонавта с космическим мусором и другими объектами при работе в открытом космосе. При таком столкновении страдает обшивка космического корабля и скафандр. Разработчики оборудования проводят эксперименты столкновений на гиперзвуковой скорости в специальных лабораториях, чтобы определить, насколько сильные столкновения выдерживают скафандры, а также обшивка и другие части космического корабля, например топливные баки и солнечные батареи, проверяя их на прочность. Для этого скафандры и обшивку подвергают воздействию ударов разными предметами из специальной установки со сверхзвуковыми скоростями, превышающими 7500 метров в секунду.

Эрнст Мах. Идеалист с материалистическими наклонностями:-).

В сегодняшней небольшой статье немного пройдемся по теоретическим основам и коснемся одной из важнейших характеристик полета летательных аппаратов на большой скорости, в том числе и сверхзвуковой.

Сверхзвук и число Маха … Эти два понятия довольно тесно связаны и в наше время нет, наверное, ни одного человека, который бы так или иначе не слышал о числе М . Обычно этот термин сопровождает характеристики любого сверхзвукового (и даже просто скоростного) самолета. А самолетов таких у в мире сейчас немало и число их, я думаю, вряд ли будет уменьшаться:-).

Но ведь еще совсем не так давно теория сверхзвуковых течений была именно теорией, к тому же делающей, всего лишь, первые шаги. Фундаментальные основы она начала приобретать только около 140 лет назад, когда немецкий ученый и философ Эрнст Мах занялся исследованиями аэродинамических процессов при сверхзвуковом движении тел. В тот период он открыл и исследовал некоторые явления аэродинамики сверхзвука, получившие впоследствии свое название в его честь. В их ряду стоит и число Маха .

Интересен тот факт, что в советской науке (и в научной литературе, в особенности до войны и сразу после нее) этот термин часто употреблялся либо без расшифровки (просто число М, слово «Мах» не употеблялось), либо с использованием второй фамилии - Маиевский. То есть число Маха-Маиевского .

Все это было следствием нашего тогдашнего идеологического состояния. Эрнст Мах по своим философским взглядам (он был, по словам В.И.Ленина «субъективным идеалистом») не очень-то вписывался в рамки марксистско-ленинской философии, а Н.В.Маиевский был русским ученым, который занимался, в частности, проблемами внешней баллистики.

Внешняя баллистика — наука, исследующая движение тел после их выхода из устройства, придавшего им это движение, то есть, например, полет снаряда после его выхода из ствола артиллерийского орудия. Снаряд при этом летит с очень большой скоростью, в том числе и сверхзвуковой.

Вполне закономерно, что Н.В.Маиевский в своих исследованиях и разработках (передовых для своего времени и ставших впоследствии фундаментальными) оперировал понятием, аналогичным числу Маха , причем лет на 15 раньше своего немецкого коллеги.

А самое главное (для официальной идеологии:-)) было то, что русский ученый не был философом 🙂 и не имел взглядов, противоречащих марксистско-ленинской науке 🙂 …

Однако, как бы то ни было, сегодня едва ли не самое главное определение для сверхзвука носит имя (точнее фамилию:-)) немца Эрнста Маха. И само по себе это слово уже давно перестало быть просто фамилией. Мах, он мах и есть 🙂 . Только скорость, только полет 🙂 …

Вернемся, тем не менее, к конкретике. Что же такое это самое число М , и зачем оно вообще-то нужно в авиации? Ведь летали же себе люди раньше на дозвуковых скоростях безо всяких чисел Маха, да и сейчас подавляющее большинство летательных аппаратов на земле - дозвуковые. Однако, не все так просто, как выглядит:-).

При любом полете аппарата тяжелее воздуха одним из самых важных его параметров является . Способов измерения скорости на сегодняшний день, вобщем-то, предостаточно:-). Для примера, параметры движения самолета относительно воздушной среды можно измерить следующими способами: ультразвуковой, термодинамический, тепловой, турбинный, манометрический.

А (то есть скорость относительно земли) можно измерить допплеровским, корелляционным, радиационным способом, а также способом визирования земной поверхности.

Но самый, так сказать, простой и логичный, давно применяющийся, а поэтому, естественно, проработанный и привычный все же аэрометрический (точнее говоря, аэродинамический) способ. С его помощью как раз и замеряется воздушная скорость самолета и число Маха .

Однако способ этот имеет определенные недостатки. Сам принцип его достаточно прост, и о нем мы уже . Воздух, набегая на летательный аппарат, в результате своего движения обладает некоторой кинетической энергией или, попросту говоря, скоростным напором (ρV²/2 ).

Попадая в приемник воздушного давления ( , или ) он тормозится, и его напор превращается в давление на мембрану стрелочного прибора-указателя. Чем быстрее летит самолет, тем больше скоростной напор, тем большую скорость показывает стрелка прибора. То есть, вроде бы, все как по нотам.

Но не тут-то было:-). Пока летательный аппарат летит не очень быстро (примерно до 400 км/ч) и не слишком высоко (тысяч где-то до 2-ух, 3-х) все действительно разворачивается просто и закономерно. А далее ноты начинают врать:-)…

Воздух взаимодействует с аэродинамическими поверхностями самолета, определяя тем самым параметры его полета. А эти параметры зависят от параметров состояния воздуха, как газа, которые, конечно, зависят от условий, в которых находится данный объем газа.

Например, с высотой падают . А чем плотность ниже, тем меньше будет скоростной напор, с которым набегающий поток давит на мембрану указателя скорости.

То есть получается, что если прибор в кабине пилота показывает одинаковую скорость на высотах, к примеру, 2000 м и 10000 м (), то на самом деле это означает, что самолет на 10000 м относительно воздуха (и земли, конечно, тоже:-)) движется значительно быстрее (). Все из-за того, что воздух на высоте разрежен.

Плюс еще такая, не совсем, мягко говоря, удобная для полета вещь, как сжимаемость . Воздух — это газ, и, как любой газ, его можно при определенных условиях сжать, тем самым меняя параметры его состояния. Такие условия появляются при обтекании аэродинамических поверхностей на достаточно больших скоростях полета (формально отсчет начинают от 400 км/ч ).

Воздух перестает быть однородной, одинаковой во всех направлениях средой, каковой он считается (хоть и довольно приближенно) для малоскоростных летательных аппаратов. Создаются условия для возникновения так называемых скачков уплотнения, меняются скорости движения воздушного потока на различных участках аэродинамической поверхности (профиля крыла, например), происходит сдвиг точки приложения аэродинамических сил, то есть меняется сам характер обтекания и, в конечном итоге, параметры управляемости летательного аппарата. То есть говоря «умными» терминами теории сверхзвука:-), начинается волновой кризис .

Однако, о нем мы еще будем говорить в дальнейшем. А пока можно заметить, что все эти процессы зависят от параметров воздушной среды и технико-конструктивных свойств самого летательного аппарата.

Чтобы описать аэродинамические свойства самолета во взаимодействии со средой, одной скорости движения бывает недостаточно. Ведь ее измеренная величина, качественно сама зависящая от параметров этой среды, не всегда характеризует истинную картину обтекания (как в примере выше).

Здесь нужен такой критерий, который бы учитывал «в себе» параметры потока и, опираясь на который, можно было бы всегда правильно охарактеризовать аэродинамические свойства летательного аппарата вне зависимости от условий полета.

Говоря это, я как раз и имею в виду число М . И слово «критерий» употребляю не случайно. Дело в том, что число Маха – это, говоря языком физики, один из критериев подобия в газовой динамике .

Смысл этого слегка замысловатого названия на самом деле прост и заключается в том, что если две или более физические системы имеют однотипные критерии подобия, равные по величине, то это означает, что рассматриваемые системы подобны , то есть похожи или, говоря совсем упрощенно (:-)) одинаковы.

Применительно к нашему авиационному случаю это может выглядеть, например, так. Воздушный поток на двух различных высотах (допустим те же 2000 и 10000 м), взаимодействующий с нашим летательным аппаратом – это и есть две физические системы.

Однако, если на этих высотах одинаковы, то это вовсе не означает, что указанное взаимодействие тоже будет одинаковым, скорее как раз наоборот. То есть скорость не может быть критерием подобия, и эти две системы в такой ситуации вовсе не подобны.

Однако, если мы говорим о том, что самолет на различных высотах (и вообще в различных условиях) летит с одинаковым числом Маха, то вполне правомерно утверждать, что условия обтекания и аэродинамические свойства на этих высотах (в этих условиях) будут одинаковы.

Здесь обязательно стоит сказать, что это утверждение, несмотря на свою верность, опирается, однако, на немалые упрощения. Первое – это то, что число Маха , хоть и основной для нас критерий подобия в газодинамике, но не единственный. А второе исходит из определения самого числа М .

Эрнст Мах, проводя свои исследования, вряд ли задумывался о применении их результатов в авиации:-). Ее тогда попросту не было. Определение было чисто научным и физически точным. Число Маха – это безразмерная величина, равная отношению скорости потока в данной точке движущейся газовой среды к скорости звука в этой точке.

То есть М = V/ a , где V – скорость потока в м/с, а – скорость звука в м/с. Таким образом число М как бы учитывает в себе скорость движения плюс изменение параметров воздушной среды через скорость звука, которая как раз от этих параметров и зависит.

Число Маха величина безразмерная. В единицах скорости выразить его невозможно, и перевод его в линейную скорость нецелесообразен из-за непостоянства скорости звука. Скорость летательного аппарата, используя число М , можно выразить только качественно, то есть оценивая, во сколько раз скорость самолета больше, либо меньше скорости звука.

При этом формат записи значений может быть как с использованием знака равенства, так и без него. Например запись М3 (как и М=3) может означать, что скорость летательного аппарата превысила скорость звука в три раза.

Упрощения применительно к авиации состоят в том, что скорость потока заменена на скорость движения физического тела в газовой среде, то есть имеется в виду движения самолета. За скорость звука принимается скорость звука на высоте полета. При этом, однако, не учитывается, что поток возле тела сложной формы, коим летательный аппарат и является:-), может иметь самые различные значения вблизи различных участков поверхности этого тела.

Указатель числа М на приборной доске сверхзвукового "Конкорда" (правый нижний угол). Над ним указатель скорости.

Однако, несмотря на достаточную некорректность упрощений, концепция числа Маханашла в авиации очень широкое применение. Причем не только на сверхзвуковых самолетах, для которых сведения о числе М , так сказать, жизненно необходимы:-), но и на многих дозвуковых современных самолетах.

Ведь скорости их, хоть и дозвуковые, достаточно велики. К тому же практические высоты полетов тоже немаленькие. Так как скорость звука с высотой ощутимо падает, то возникает целесообразность на больших высотах использовать при пилотировании число Маха .

Для этого есть, по крайней мере, две причины. Во-первых, из-за большой разницы , о чем я упоминал выше (лишние погрешности, к тому же очень ощутимые, никому не нужны:-)), а, во-вторых, для возможности оценки приближения волнового кризиса.

Дело в том, что для каждого типа летательного аппарата его проявления имеют место при определенных значениях числа М. В связи с этим практически все современные лайнеры имеют полетные ограничения по числу Маха для обеспечения устойчивого управления. Пилот при управлении самолетом следит за тем, чтобы это ограничение не было превышено.

Указатель приборной скорости и числа М (в центре) на приборной доске самолета ЯК-42.

Указатель истинной воздушной скорости и числа М (в центре) на приборной доске Boeing-747.

Таким образом число М - это не скорость в чистом виде, но, тем не менее, важный параметр, позволяющий экипажу правильно оценивать условия полета и осуществлять безопасное и точное управление летательным аппаратом.

Для получения информации о числе Маха практически все современные скоростные самолеты имеют в кабине экипажа указатель числа М. В просторечии его иногда именуют махметром . В большинстве случаев он представляет собой стрелочный указатель по типу указателя скорости. Такие приборы могут выдавать либо только значения числа Маха, либо могут быть объединены (скомбинированы) с указателем скорости, истинной или приборной.

Указатель числа М.

Указатель скорости УС-1600.

Указатель истинной скорости и числа М УСИМ-И. Такого типа указатель стоит на самолете МИГ-25.

Указатель истинной скорости и числа М (слева вверху) на приборной доске сверхзвукового МИГ-25.

Часто указатели числа М выполняют со специальным сигнализатором , который в нужный момент выдает предупреждение экипажу о превышении какого-либо порогового значения этого числа.

МС-1. Указатель числа М с электрической сигнализацией.

По своей конструкции и принципу действия указатель числа М вобщем-то аналогичен . Но для учета изменения условий с высотой в него добавлена анероидная коробка , реагирующая на изменение давления.

Кинематическая схема указателя числа М.

Подавляющее большинство современных самолетов летает все-таки на дозвуке . Этому режиму соответствует число Маха менее 0,8 . Следующие режимы полета, на которых М принимает значения от 0,8 до 1,2 объединены под названием трансзвук . А когда число М меняется от 1,0 до 5,0 , то это уже чистый сверхзвук , зона сверхзвукового полета современных военных самолетов.

Есть, правда, экземпляры напрямую к армии не относящиеся, более того достигающие скоростей, на которых число Маха превышает пять единиц. Это уже зона гиперзвука . Однако говорить об этих полуэкзотических аппаратах и режимах их полета мы будем уже в следующих статьях общей темы, посвященной сверхзвуку.

До новых встреч:-).

Фотографии кликабельны .

Которые достигнут скорости 6-8 Махов, должны появиться до конца 2020 года. Об этом на днях заявил гендиректор корпорации «Тактическое ракетное вооружение» Борис Обносов.

- Это новые запредельные скорости. Гиперзвук начинается с 4,5 Махов. Один Мах - это 300 м/с, или 1 тысяча км/ч. Создать такие системы оружия, которые набирают скорость в атмосфере, превышающие 4,5 Маха – огромная научно-техническая задача. Тем более, речь идёт о достаточно продолжительном полёте в атмосфере. На баллистических ракетах эта гиперзвуковая скорость кратковременно достигается, – отметил Обносов, добавив, что пилотируемые гиперзвуковые полеты – это вопрос, который решится между 2030 и 2040 годами.

И здесь сразу же возникает вопрос гонки в области высокоскоростного неядерного оружия. Так, 21 ноября в приложении к «Независимой газете» - «НВО» - вышла статья «Новая гонка высокоскоростных вооружений» содиректора Программы по ядерной политике и старшего научного сотрудника Фонда Карнеги за международный мир Джеймса Эктона. Эксперт считает, что в последнее время появляются четкие признаки назревания новой гонки сверхскоростных вооружений дальнего действия, которая может оказаться весьма опасной. Так, в августе США и Китай с интервалом в 18 дней испытали ракетно-планирующее оружие. Что касается России, то военно-политическое руководство также не раз делало заявления о разработках гиперзвукового оружия.

Самая серьезная угроза – применение ракетно-планирующего оружия в неядерном оснащении в ходе конфликта. Это чревато новым риском его эскалации вплоть до перерастания в ядерный, - пишет Эктон.

Отметим, что работы по созданию гиперзвуковых крылатых ракет, самолетов и управляемых боеголовок в мире ведутся очень давно, но пока не вышли из разряда опытных разработок. Российские зенитные управляемые ракеты ЗРК С-300 и С-400 летают на гиперзвуке, но недолго, так же как и боевые блоки МБР (межконтинентальных баллистических ракет) в момент входа в плотные слои атмосферы.

Соединенные Штаты работают сразу над несколькими перспективными «гиперзвуковыми» проектами: планирующей бомбой AHW (Advanced Hypersonic Weapon) (разработки ведутся под эгидой Сухопутных войск США), беспилотными гиперзвуковыми аппаратами Falcon HTV-2 (с 2003 года разрабатывается Агентством министерства обороны США по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (DARPA)) и X-43 (построен по программе NASA «Hyper-X»), крылатой гиперзвуковой ракетой Boeing X-51 (разработана консорциумом, куда входят ВВС США, Boeing, DARPA и др.) и рядом других программ.

Самая перспективная из них – ракета Boeing X-51 (утверждается, что она поступит на вооружение в 2017-м). Так, в мае 2013 года она была запущена с борта самолета B-52 на высоте 15200 метров и затем с помощью ускорителя поднялась на высоту 18200 метров. В ходе полета, который продолжался в течение шести минут, ракета X-51A развила скорость в 5,1 Маха и, пролетев расстояние в 426 километров, самоуничтожилась.

Активен в «гиперзвуковой» сфере и Китай. Помимо пока неудачных испытаний гиперзвукового планирующего аппарата WU-14 (судя по всему, частично скопирован с экспериментального гиперзвукового беспилотного летательного аппарата X-43), Поднебесная ведет разработки реактивной гиперзвуковой крылатой ракеты.

Что касается России, то в августе 2011 года Борис Обносов сообщал, что его концерн приступает к разработке ракеты, способной развивать скорость до 12-13 Махов. Есть основания полагать, что речь шла о противокорабельной ракете, которая «засветилась» в прессе под названием «Циркон». Однако, учитывая успешные испытания американской X-51А, российским разработчикам в перспективе надо представлять не один комплекс, а целую линейку ударных гиперзвуковых систем.

Тем более что в Советском союзе был сделан неплохой задел. Так, с конца 50-х годов в ОКБ А.Н.Туполева велись работы по созданию гиперзвукового самолета, запускаемого ракетой-носителем, – Ту-130. Предполагалось, что он будет лететь со скоростью 8-10 Маха на расстояние до четырех тысяч км. Но в 1960 году все работы, несмотря на явные успехи, были свернуты. Интересно, что американский HGB - прототип американской гиперзвуковой системы AHW, внешне очень похож на советский Ту-130. Что касается отечественных разработок в области гиперзвуковых ракет, то в СССР они активно велись, начиная с 1970-х годов, однако в 1990-е практически сошли на нет. В частности, «НПО машиностроения» создавало ракету «Метеорит», а позднее начало работы на аппаратом с шифром «4202»; МКБ «Радуга» в 1980-х начало проект Х-90 / ГЭЛА; в 1970-х годах на базе ракеты комплекса С-200 была создана ракета «Холод».

Военный эксперт Виктор Мясников замечает: гиперзвуковая ракета необходима для мгновенного упреждающего и обезоруживающего удара, чтобы противник не сумел среагировать на атаку.

Ракета, летящая со скоростью 10-15 Махов, сможет достигать любой точки планета в несколько десятков минут, причем толком зафиксировать и перехватить ее никто не успеет. При этом можно обойтись и без «ядерной начинки», поскольку ракеты с обычным взрывчатом веществом и так гарантировано выведут из строя узлы связи и управления противника. Поэтому американцы вбухивают в свои проекты AHW, Falcon HTV-2 и X-51A огромные деньги, торопясь их поскорее завершить, чтобы контролировать весь мир и диктовать ему свою волю.

Но на данный момент мы можем говорить о гонке технологий, но не о гонке гиперзвуковых вооружений, потому что такого оружия пока не существует. Чтобы оно появилось, ведущим державам придется решить массу проблем, в частности, как «научить» ракету или аппарат летать в атмосфере, где есть пока непреодолимые факторы - сопротивление среды и нагрев. Да, сегодня ракеты, которые уже ставятся на вооружение, достигают скорости 3-5 Махов, но - на достаточно коротком расстоянии. И это не тот гиперзвук, который подразумевают, когда говорят о гиперзвуковом оружии.

В принципе, технологический путь развития высокоскоростного оружия во всех странах одинаков, ведь физика, как известно, не зависит от географии и общественного строя. Тут ключевой момент в том, кто быстрее преодолеет технологические и научные сложности, кто создаст новые стойкие материалы, высокоэнергетическое горючее и т.д., то есть многое зависит от таланта и оригинальности идей разработчиков.

Так что, вопрос этот системный, поскольку для создания такого оружия нужно развивать научные, технические и технологический секторы, что довольно дорого. И чем дольше будет идти такой процесс, тем дороже он будет обходиться бюджету. А в наших НИИ привыкли работать не торопясь: есть темы, которые ученый готов разрабатывать годами, тогда как для армии и промышленности требуются оперативные решения. За рубежом в этом плане все продвигается гораздо быстрее, потому что там – конкуренция: кто быстрее успел запатентовать разработку, тот и получил прибыль. У нас же вопрос прибыли не ключевой, поскольку из бюджета деньги и так выделят…

Удастся ли России создать гиперзвуковое оружие с нашими известными проблемами в «оборонке» после 90-х годов - большой вопрос. В СССР разработка гиперзвуковых ракет велась, но после развала Союза дальнейшее развитие такого вооружения проходило на уровне развития отдельных систем.

Мы уже давно живем в условиях применения гиперзвуковых боевых частей межконтинентальных баллистических ракет: их ядерные блоки на пассивном участке идут со скоростью 7-8 Махов, говорит главный редактор журнала «Арсенал Отечества», член Экспертного совета председателя Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ Виктор Мураховский.

Так что, ближайшее десятилетие принципиально нового мы ничего не увидим. Увидим только новые технические решения, которые позволят на гиперзвуке выводить средства, не относящиеся к баллистическим ракетам. А для систем ПРО, которые в некоторых странах есть или перспективно разрабатываются, по сути, нет различий, что за цель идет на гиперзвуке – боеголовка или летательный аппарат.

«СП»: - ЗРК С-400 «Триумф» способен работать по гиперзвуковым целям...

И даже С-300ВМ «Антей-2500», правда, по ракетам малой и средней дальности. А уж С-400 и С-500 вообще считаются средствами ПРО ТВД (театра военных действий – СП»), как и американская система Aegis.

США, конечно, тема гиперзвукового оружия волнует не в смысле совершенствования ядерного вооружения - они не собираются слишком серьезно развивать свои стратегические силы, а в плане реализации концепции быстрого глобального удара. И здесь применять МБР в неядерном оснащении невыгодно, так как ПРО противника все равно приравняет ракеты к ядерным, поэтому Штаты и делают ставку на аэродинамические системы.

Опытные образцы есть, испытания идут, однако я не рискну сказать, что гиперзвуковая крылатая ракета или гиперзвуковой летательный аппарат появятся на вооружении крупнейших держав через 5-10 лет. Так, разговоры о электрохимических и электромагнитных пушках идут уже около 15 лет, но пока – все никак.
Что касается гонки высокоскоростных вооружений, но, на мой взгляд, она не то, чтобы началась, она - не прекращалась. Да, США и Россия заключили в 1987 году Договор о ликвидации ракет средней и меньшей дальности (от 500 до 5500 км – «СП»), но я не думаю, что гиперзвуковые ракеты и аэродинамические аппараты будут оснащаться ядерными боеголовками, потому как технология МБР отработана десятилетиями, и она показывает высокую надежность при контрольных пусках.

Боковое поднятия ног

Повторяйте движения в среднем темпе, задерживаясь в верхней позиции на 10-20 секунд. Начните с 5-7 повторений на каждую ногу, а затем постепенно увеличивайте до 25 раз.

Приседания

С помощью этого простого, но эффективного упражнения мы сможем уменьшить жир бедер и округлить ягодицы. Сначала это может быть тяжело. Но если вы знаете, как его делать правильно, вы быстро достигнете результатов.

Удерживая спину прямо, согните колени до угла 90 градусов. Лучший способ получить более тонкие ноги и лучшие результаты, заключается в том, чтобы задержаться в этом положении на 10 секунд. В результате это может иметь большое значение. Выполняйте 5-8 повторений по 2 подхода каждый день.

Высота бедер

Поднимайте бедра и удерживайте эту позицию на 10-15 секунд. Выполняйте около 10 повторений, по 2-3 подхода.

Махи ногами

Держим руки и и спину прямо. Движение одной ногой назад и вверх, сохраняя спину как можно более прямой. Задержитесь в этой позиции на 5-10 секунд и возвращаемся в исходное положение. Выполняем от 5 до 8 повторений каждой ногой по 2-3 подхода.

Повторяйте этот комплекс упражнений 2-4 раза в неделю и вы очень быстро получите результаты. Проверенно на личном опыте! Это действительно очень эффективные упражнения.