Чем гиперзвук отличается от суперзвука: то, что вы давно хотели знать, но стеснялись спросить

Скорость звука в воздухе – величина относительно постоянная, на уровне моря она примерно равна 343 м/с, или около 1234 км/ч. В авиации скорость принято делить на дозвуковую и суперзвуковую, потому что поведение воздуха, обтекающего самолет или другой летательный аппарат, при переходе через звуковой барьер резко меняется, и это требует создавать самолеты совершенно разной конструкции.

Если же аппарат разгонять до примерно 5 скоростей звука (5 чисел Маха), его состояние снова сильно поменяется. От сотрясения, вызванного контактом с корпусом аппарата, молекулы азота делятся на ионы – начинается процесс ионизации воздуха, образования плазмы. Если скорость еще увеличится, и другие газы начинают распадаться.

Характер аэродинамического сопротивления тоже меняется: на смену турбулентности приходит ударная звуковая волна. Весь аппарат фактически окружен ею, как оболочкой. Аппарат тянет за собой эту волну, и на ее создание уходит больше количество энергии.

Такая среда химически агрессивна, а перепады давления вызывают колоссальную нагрузку на поверхности самолета. С чем бы это сравнить? Если очень грубо, то представьте себе, что летательный аппарат движется сквозь кислотный раствор, нагретый до температуры доменной печи, а в это время его бомбардирует град камней.

Теперь вы понимаете, почему создавать гиперзвуковую авиацию так трудно.

В первую очередь, это касается двигателей – при столь высокой скорости потока воздуха, они не могут нормально сжигать топливо и создавать тягу. Для гиперзвуковых аппаратов приходится создавать либо прямоточные реактивные двигатели особой конструкции, либо переходить на ракетные двигатели. А они, как вы понимаете, плохо работают на малых скоростях, так что взлет и посадка таких аппаратов – это еще одна проблема.

Даже испытательное оборудование для гиперзвука приходится создавать особое. Если через обычную аэродинамическую трубу прогонять воздух на скоростях свыше 6 чисел Маха, то сама труба начинает нагревать воздух и создавать ударные волны, которые портят измерения.

Сейчас в странах с развитой авиацией начали строить особые аэродинамические трубы. Их аэродинамика тщательно продумана, а размер меньше, чем у обычных труб. У испытаний на гиперзвуке есть еще одна особенность: они очень короткие. Активная фаза большинства испытаний занимает всего несколько миллисекунд, в которые датчики снимают измеряемые параметры.

Самая большая и мощная гиперзвуковая аэродинамическая труба построена в Институте механики Китайской академии наук. В ней можно проводить испытания на скоростях до 33М.

Краткий ответ да, но сначала заметим, что гиперзвуковую скорость принято делить на два диапазона: гиперзвук и «супер-гиперзвук» (в англоязычной терминологии high-hypersound).

Нижний охватывает скорости от 5 до 10 Махов. На этой скорости главная проблема – ударные волны, а для термозащиты достаточно «всего лишь» одеть аппарат в охлаждаемую никелевую или титановую оболочку. Российская гиперзвуковая ракета К-47М2 «Кинжал» и индийская BrahMos-II работают именно в этом режиме.

Верхний захватывает скорости от 10 до 25 Махов. Нагрев о воздух становится настолько интенсивным, что летательный аппарат приходится покрывать не только жаропрочными, но и химически стойкими материалами, такими как силикон, а от крыльев и оперения приходится отказаться. На такой скорости летают советская антибаллистическая ракета 53Т6 или американский экспериментальный аппарат HTV-2.

Наконец, над гиперзвуком находится «скорость входа в атмосферу» – 25 чисел Маха и больше. На этой скорости ионизация настолько велика, что аппарат начинает нагреваться не за счет трения, а от радиации, излучаемой окружающей его плазмой. В этом режиме садятся космические аппараты, в том числе, многоразовые челноки Space Shuttle и советский «Буран».