Сверхзвук и тишина

Без звука, быстрее звука

Почти в любом школьном учебнике физики есть задача: «С какой скоростью должен лететь пассажирский самолет, чтобы, вылетев из Владивостока в 10 часов утра, он смог доставить пассажиров в Калининград в то же утро к 10 часам?» Решение простое – он должен двигаться со скоростью вращения Земли. На экваторе такая скорость будет составлять примерно 1700 км/ч.

При взлете шум от двигателей Concorde достигает 130 Дб. Но с высоты крейсерского полета уже не слышно урчания его турбин, а основное беспокойство доставляет именно звуковая ударная волна


1947. Bell X-1. Начало новой эры. Чак Игер открыл новую эпоху сверхзвуковых полетов, сумев показать, что полеты со скоростью, превышающей скорость звука, являются вполне выполнимой инженерной задачей


1953. F-100 Super Sabre. Разрабатывая первый серийный сверхзвуковой самолет, авиапромышленность разрешила бóльшую часть проблем, которые стояли на пути создания коммерческого сверхзвукового транспорта


1961. T-38 Talon. Десятки тысяч пилотов освоили управление самолетом на сверхзвуковых скоростях, обучаясь на Talon, который остается в строю и по сей день


1964. SR-71 Blackbird. Сверхсекретный самолет-разведчик SR-71, способный достигать скорости 3 Маха, стал самым знаменитым из всех проектов лаборатории Skunk Works


1985. B-1 Lancer. Бомбардировщик. B этом долго разрабатывавшемся проекте были отточены многие технические решения для сверхзвуковых полетов – в частности, использование крыла изменяемой стреловидности


1992. Сухой-Gulfstream S-21. После окончания «холодной войны» КБ Сухого объединилось с компанией Gulfstream для разработки сверхзвукового самолета S-21, но ожидаемые контракты с заказчиками так и не были заключены


1998. Dassault Falcon SST. Французский производитель популярного реактивного самолета бизнес-класса Falcon долгое время безуспешно пытался пробудить у клиентов интерес к его сверхзвуковому аналогу


2004. Skunk WPRLS SBJ. После того как Skunk Works запатентовала конструкцию малошумного сверхзвукового самолета, компания Lokheed Martin пресекает выступления своих сотрудников на эту тему


Верхом на разряде

Такие машины уже создавались. 31 декабря 1968 года с аэродрома ЛИИ им. Громова в подмосковном Жуковском в небо поднялся первый в мире пассажирский сверхзвуковой лайнер Ту-144, а через три месяца над Францией уже парил англо-французский Concorde. Но ни Ту-144, ни Concorde не смогли бы осуществить рейс, упомянутый в условиях школьной задачи. И дело не в технических характеристиках самолетов и не в большом расстоянии. При подлете к густонаселенным районам дальнейший полет был бы им запрещен, а в адрес авиакомпаний вполне законно посыпались бы жалобы и требования о возмещении морального ущерба. Причина тому – ударная волна, возникающая при полете самолета на сверхзвуковой скорости. Когда ударная волна достигает земной поверхности, она воспринимается как раскат грома, интенсивность звука от которого совершенно не укладывается в рамки жестких ограничений на уровень шумов. Так, например, санитарная норма для импульсного шума, каким и является хлопок от сверхзвукового самолета, утвержденная Госкомсанэпиднадзором РФ, составляет 125 дБ, в то время как шум от самолета, летящего со скоростью в два раза больше скорости звука, превышает 130 дБ. Санитарные нормы нарушаются даже тогда, когда высота воздушной трассы сверхзвукового самолета превышает 10 км. Именно поэтому знаменитый Concorde летал исключительно над Атлантическим океаном.

Стальной пеликан

Первые шаги в решении проблемы звукового удара были сделаны в 1970-х годах Ричардом Сибассом и Альбертом Джорджем из Корнеллского университета в г. Итака, штат Нью-Йорк. По их расчетам, мощность ударной волны может быть ослаблена, если заменить остроконечный носовой обтекатель современных сверхзвуковых самолетов более тупым, а также изменить конструкцию крыла (в особенности места сопряжения с фюзеляжем), сделав его более плавным. В результате площадь сечения профиля самолета увеличится и, как следствие, распределение мощности ударной волны по большей площади приведет к более интенсивному рассеиванию ее энергии.

Спустя 30 лет, в сентябре 2003 года, теорию успешно применили на практике. Американская корпорация Northrop Grumman провела на авиабазе Эдвардс в Калифорнии испытания модифицированного истребителя F-5E. Модификация заключалась в изменении формы носа истребителя – от остроконечного до напоминающего пеликаний. Уровень шума от стального «пеликана» составлял 120 дБ, что на 10 дБ меньше, чем от Concorde. По прогнозам специалистов, дальнейшая модернизация самолета позволит достичь уровня в 90 дБ. Полет такого «пеликана» будет сопровождаться звуком, который воспринимается как очень далекий и мягкий раскат грома и не нарушает санитарные нормы.

Патент на крылья

В мае 2004 года патентное бюро США выдало Джону М. Моргенштерну, инженеру из Skunk Works, подразделения компании Lockheed, патент на «конфигурацию летательного аппарата с крылом, охватывающим хвостовое оперение, что позволяет повысить дальность сверхзвукового полета и снизить интенсивность звукового удара во время преодоления звукового барьера». Дополнительное оперение представляет собой перевернутую «галочку», объединяющую в единое целое верхушку вертикального киля и горизонтальное оперение. Галочка устроена так, что во время сверхзвукового полета от нее исходит модифицированная ударная волна, движущаяся навстречу головной. В результате их интерференции интенсивность результирующей волны уменьшается, то есть модифицированная волна «смягчает» головную.

Это не первое изобретение Моргенштерна в борьбе со звуковым ударом. В ранних его патентах описаны небольшое выдвижное переднее горизонтальное оперение, которое, по мнению автора, приглушает хлопок перехода через звуковой барьер за счет увеличения носового сечения самолета. Кроме того, переднее горизонтальное оперение обеспечивает дополнительную подъемную силу. Это немаловажно, поскольку основное крыло, рассчитанное для сверхзвукового полета, при небольших скоростях (например, при посадке) обнаруживает недостаток подъемной силы.

Эти идеи сейчас воплощаются в ходе проекта Super 10 Initiative, осуществляемого Skunk Works. Цель проекта – создание сверхзвукового реактивного самолета бизнес-класса. К этим работам подключены General Electric, NASA и крупнейшие производители двигателей и планеров. И если верить разработчикам, то уже в 2010 году в небо поднимется небольшой, дорогой (цена от $100 млн.), быстрый и совсем не шумный реактивный самолет, уровень импульсного шума от которого будет составлять от 100 до 125 дБ.

Змеи, клубки и вихри

Подобные исследования велись и в России – КБ Сухого и компания Gulfstream планировали совместно разработать сверхзвуковой S-21, однако по различным причинам от этой идеи отказались. Однако есть и другой путь.

Научная группа из лаборатории физики плазмы Московского радиотехнического института (МРТИ) под руководством Льва Петровича Грачева отказалась от идеи изменять аэродинамические свойства самолета. Помощником в гашении звуковой волны, по мнению исследователей, может послужить «облако» плазмы, созданное под фюзеляжем самолета на пути фронта ударной волны.

В МРТИ моделируют реальную ситуацию с помощью мощного СВЧ-генератора, электромагнитной линзы, источника N-образных звуковых возмущений и приемника, размещенных в вакуумной камере, что позволяет экспериментировать при различных давлениях воздуха. Линза фокусирует электромагнитное излучение в определенной области пространства, где происходит возникновение стримерного микроволнового разряда. «Наш СВЧ генератор имеет мощность всего 2 мВт, поэтому, для того чтобы «пробить» (ионизовать) воздух, мы работаем с инициированным разрядом: в электрическое поле, напряженность которого меньше пробойной величины, помещается небольшой металлический предмет с острыми концами, – говорит Лев Грачев. – На остриях напряженность электрического поля больше внешней и превышает пробойное значение. Разряд, возникающий на острие, «подхватывается» внешним полем, образуется стример – плазменный канал, состоящий из ионизированного газа. Размер канала равен приблизительно четверти длины электромагнитной волны (в нашем случае длина волны 10 см), а толщина составляет 1 мм. Концы канала действуют подобно остриям и порождают новые стримеры. Образуется плазменная змейка. А поскольку каналы могут еще и делиться, то в пространстве мы наблюдаем некий плазменный клубок».

Сквозь этот клубок из плазменных нитей пропускают N-образную звуковую волну – миниатюрный аналог ударной волны, и регистрируют ее интенсивность на выходе. И вот тут начинается самое интересное – при прохождении ударной волны через плазменный «клубок» ее мощность практически полностью рассеивается. «Дело тут вот в чем, – продолжает Грачев. – Скорость звука и фронта ударной волны зависит от температуры среды. Чем больше температура, тем больше скорость. В плазменном канале температура достигает нескольких тысяч градусов. Таким образом, внутри плазменных каналов фронт движется быстрее, чем снаружи. Эта разность скоростей приводит к тому, что на выходе из канала (а их множество!) образуются вихри. В итоге фронт ударной волны рассеивается – энергия тратится на образование вихрей, которые в конце концов затухают из-за вязкости воздуха».

Прокатите нас, облака

Мысленно перенесемся из лаборатории на высоту в несколько тысяч метров – на борт сверхзвукового лайнера. Под фюзеляжем самолета установлена специальная антенна – система из генератора и линзы, способная фокусировать микроволновое излучение в нужной области. Для того чтобы «пробить» воздух и зажечь «клубок», нужен генератор с огромной мощностью (около 100 МВт). Так что придется, как и в лаборатории, воспользоваться индуцированным разрядом, только вместо заостренного металлического предмета исследователи предлагают использовать лазер, ионизирующий воздух в месте фокусировки поля.

Эксперименты показывают, что скорость роста плазменных каналов составляет примерно 10 км/с. Это существенно больше скорости сверхзвукового воздушного потока, в котором они будут образовываться при полете (порядка 1 км/с). Чтобы убедиться в том, что сверхзвуковой поток не будет «разрывать» образующиеся плазменные каналы, были проведены эксперименты в аэродинамической трубе, где сверхзвуковой поток лишь вытягивал «клубок» в продолговатое «облако». Его длина зависит от скорости потока (то есть скорости самолета) и времени остывания плазменных каналов (около 10 мс).

Такой сверхзвуковой лайнер, «экранированный» снизу плазменным облаком, будет для наблюдателей, находящихся на земле, почти бесшумным. По крайней мере, по замыслу разработчиков.

«Дело за летными экспериментами, – подводит итог Лев Грачев. – Нам пока еще не известно, как ведет себя разряд на высоте воздушной трассы самолета, как на него влияют влажность и температура окружающей среды. Не образуется ли ударная волна вновь, уже за плазменным облаком? Попутно может возникнуть еще множество технических вопросов, ответы на которые можно дать только в условиях реального эксперимента – на борту, а вернее, под фюзеляжем сверхзвукового самолета».

Идеей ученых из МРТИ уже заинтересовались в исследовательской лаборатории ВВС США на авиабазе Райт-Паттерсон. Что будет дальше – покажет время и летный эксперимент. Хотя, право, очень грустно, если школьная задача будет иметь практическое решение только в такой формулировке: «С какой скоростью должен лететь пассажирский самолет, чтобы, вылетев из Нью-Йорка в 10 часов утра, он смог бы доставить пассажиров в Лос-Анджелес в то же утро и также к 10 часам?»