Что такое число и конус Маха? Почему при переходе самолёта на сверхзвуковую скорость мы слышим резкий хлопок? Когда наступает тепловой барьер? Какой хаос творится на скоростях свыше пяти Махов? Давайте разбираться!
Почему мы слышим «хлопок»?
Скорость звука
Всем известно, что скорость звука — это скорость, с которой механические колебания (звуковые волны) распространяются в данной среде. Принято считать, что скорость звука равна 340 м/с. Тем не менее, данная цифра не является константой и варьируется в зависимости от среды и её температуры. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы и, соответственно, тем быстрее расходятся звуковые волны. А при низких температурах молекулы движутся медленнее, значит — скорость звука меньше. Из этого следует, что на больших высотах, где воздух холоднее, скорость звука ниже, а на низких — наоборот.
Но что же это за число такое, число Маха?
Наверное, каждый игрок, летавший на сверхзвуковом истребителе, замечал загадочные числа, расположенные рядом с заглавной буквой «М». Может быть, именно столько «махов» крыльями делает самолёт за секунду? Разумеется, нет — всё гораздо проще!
Читателю уже известно, что скорость звука не является постоянной. Поэтому для удобства было придумано число Маха, которое показывает отношение скорости самолёта к скорости звука в той же среде. К примеру, если скорость Маха равна одному, то вы летите со скоростью звука, а если двум — в 2 раза быстрее неё.
Скорее всего, читатель спросит: «А разве так удобнее?». Представим следующую ситуацию: самолёт летит у поверхности земли, где скорость звука примерно равна 1225 км/ч. В данном случае лётчик знает, когда наступит переход в сверхзвук, и будет к этому готов. А вот вторая ситуация: самолёт летит на высоте 11 км, где скорость звука уже совсем другая — 1062 км/ч. Пилот считает, что до перехода в сверхзвук остаётся набрать около 200 км/ч, как вдруг он теряет управление и… выруливает (наш пилот готов ко всему). Именно для предотвращения подобных казусов в авиации используется число Маха, которое вычисляется прибором махметром. И тут же последует следующий вопрос: «С чего бы пилот должен потерять управление?»…
Переход в сверхзвук
Чтобы понять написанное далее, нужно знать две вещи. Первое: воздух состоит из молекул. Второе: объект, движущийся в газе (воздухе), толкает ближайшие молекулы, которые толкают следующие, и так далее. То есть самолёт создаёт колебания (звуковые волны), которые, разумеется, движутся со скоростью звука.
Представим самолёт, который летит на дозвуковой скорости. В таком случае колебания, которые он «создаёт», движутся быстрее него самого и «расталкивают» воздух перед ним. Получается, что воздух легко обтекает фюзеляж и крыло самолёта и не создаёт никаких «преград».
Как только самолёт достигает скорости свыше 1-го Маха, он начинает обгонять ту самую звуковую волну, которая «расталкивает» молекулы воздуха перед ним. Происходит следующее: воздух не успевает «расступиться» перед самолётом, и происходит столкновение. Вместо плавного обтекания появляется сильная ударная волна.
В этот момент центр подъёмной силы смещается назад, а нос самолёта тянет вниз. Возникает «пикирующий момент». Данный нюанс сильно усложняет пилотирование и может привести к потере управления.
Ударная волна
Когда самолёт движется быстрее звука, создаваемые им колебания молекул начинают складываться в одну мощную ударную волну перед самолётом.
Так как воздух — это газ, молекулы в нём находятся на относительно большом расстоянии друг от друга. Тем не менее, как только самолёт «врезается» в ударную волну, он резко сокращает эти расстояния. За миллисекунды происходит сильное сжатие воздуха, его объём мгновенно уменьшается. Это способствует учащению столкновений молекул воздуха, что приводит к одновременному изменению и давления, и температуры.
Такие резкие скачки давления происходят два раза — на носу и хвосте самолёта, и воспринимается человеком как один сильный хлопок, ударный звук, ввиду малого расстояния.
Многие считают, что хлопок раздаётся лишь раз — при переходе самолёта в сверхзвук. Это заблуждение! Самолёт постоянно производит ударные звуки после перехода в сверхзвук, но до человека «доходит» только один.
Конус Маха
Ударные волны «тянутся» за самолётом после перехода на сверхзвуковую скорость и образуют коническую поверхность, которая называется конусом Маха. Угол этого конуса, угол Маха, напрямую зависит от числа Маха и вычисляется по формуле sin(m)=1/M. Получается, если число Маха равно 1, то и sin угла будет равен единице, а значит, угол Маха равен 90°.
Эффект Прандля — Глоерта
Данное явление можно наблюдать в War Thunder. Как только истребитель достигает скорости Маха, игрок не только слышит хлопок, но и видит белое конусообразное «облако» около самолёта — это очертания конуса Маха.
Читатель может подумать, что он всё это время видел воздух и даже не знал об этом. Это не совсем так. Как уже было сказано ранее, ударная волна возникает на носу и хвосте самолёта. На носу давление и температура резко повышаются, а на хвосте — понижаются. Это проводит к конденсации влаги в границах конуса Маха и её превращению в пар. Такой процесс называется эффектом Прандтля — Глоерта. Тем не менее на возникновение и длительность такого «облака» влияет несколько факторов. Во-первых, в воздухе должно быть много влаги. Во-вторых, угол Маха должен быть достаточно большим (до ≈56°), чтобы пар смог образоваться. Из этого следует, что скорость не должна превышать ≈1,2 М. То есть, чем дольше самолёт будет набирать скорость 1,2 Маха, тем дольше просуществует эффект Прандтля — Глоерта.
Тепловой барьер
Откуда берётся тепло?
Многие считают, что тепло возникает при трении воздуха о самолёт. На самом деле всё сложнее, чем кажется. Главная причина скачка температуры — адиабатическое сжатие воздуха. Данный процесс заключается в следующем. Ранее было сказано, что ударная волна уменьшает объём газа, сжимает его. В свою очередь, воздух выделяет огромную энергию, которая преобразуется в тепло. Температура воздуха, условно, растёт пропорционально квадрату числа Маха! Принято считать, что на скорости 1-го Маха воздух около самолёта нагревается примерно на 50°C, тогда на скорости 2 М прирост температуры достигнет ≈200°C.
Тепловой барьер
Тепловой барьер — это физический предел скорости самолёта, обусловленный температурным разрушением конструкции. Читателю известно, что на высоких скоростях температура воздуха достигает колоссальных значений: далеко не каждый материал может выдержать такую нагрузку.
В следующей таблице представлены авиационные сплавы и их характеристики:
| Материал (сплав) | Критическая t (°C) | Максимальная скорость (М) |
| Алюминий | ≈150 | до 2 |
| Магний | ≈250 | до 2,2 |
| Титан | ≈550 | до 3,2 |
| Сталь | ≈800 | до 4 |
| Инконель | ≈1000 | до 6 |
| Керамика | ≈2000 | свыше 6 |
К примеру, основной материал МиГ-29 и F-16 — алюминий. Хотя эти истребители способны разогнаться до скорости выше 2-х Махов, длительный полёт будет непредсказуем и опасен. А самый быстрый на данный момент самолёт в War Thunder, МиГ-25ПД, на 80% изготовлен из стали. Это и позволяет истребителю разгоняться до 3 М.
Гиперзвук
Гиперзвук — это скорость выше 5 Махов. Здесь заканчивается аэродинамика и начинается термохимическая газодинамика. На такой скорости гигантская кинетическая энергия самолёта нагревает воздух до огромных температур.
При 2000°С молекулы кислорода и азота в воздухе начинают активно диссоциироваться. А на скорости свыше 10 Махов молекулы начинают ионизироваться. В результате данных процессов воздух вокруг самолёта превращается в слой раскалённой плазмы. Образовавшаяся материя проводит ток и сильно реагирует на магнитные поля.
Для управления самолётом на гиперзвуковой скорости не применимы привычные нам рули управления: они попросту сгорят или расплавятся. Вместо них используются магнитные катушки. Включив магнит на одном из крыльев, создаётся мощное магнитное поле, которое отклоняет и тормозит поток плазмы. Возникает разница давлений, и самолёт поворачивает в сторону.