Введение
Скорость, превышающая скорость звука
Сверхзвуковая скорость — это скорость объекта, превышающая скорость звука (Мах 1). Для объектов, движущихся в сухом воздухе при температуре 20 °C (68 °F) на уровне моря, эта скорость составляет приблизительно 343 м/с (1125 футов/с). Скорости, превышающие пять раз скорость звука (Мах 5), часто называют гиперзвуковыми. Полеты, в ходе которых только некоторые части воздуха, окружающего объект, такие как концы лопастей ротора, достигают сверхзвуковых скоростей, называются трансзвуковыми. Это обычно происходит где-то между Махом 0,8 и Махом 1,2. Звук — это распространяющиеся колебания в виде волн давления в упругой среде. Объекты движутся со сверхзвуковой скоростью, когда их движение превышает скорость распространения звука в среде. В газах звук распространяется продольно с разной скоростью, в основном зависящей от молекулярной массы и температуры газа, при этом давление оказывает незначительное влияние. Поскольку температура и состав воздуха значительно меняются с высотой, скорость звука и числа Маха для объекта, движущегося с постоянной скоростью, могут изменяться. В воде при комнатной температуре сверхзвуковой скоростью можно считать любую скорость, превышающую 1440 м/с (4724 фута/с). В твердых телах звуковые волны могут быть поляризованы продольно или поперечно и иметь еще более высокие скорости. Сверхзвуковой разлом — это движение трещины быстрее скорости звука в хрупком материале.
Раннее значение
Слово "сверхзвуковой" происходит от двух латинских слов: 1) super – выше и 2) sonus – звук, которые вместе означают "сверх звука", то есть быстрее звука. В начале XX века термин "сверхзвуковой" использовался как прилагательное для описания звука, частота которого превышала предел нормального человеческого слуха. Современный термин для этого значения – "ультразвуковой".
Сверхзвуковые объекты
Считается, что кончик хлыста был первым искусственно созданным объектом, преодолевшим звуковой барьер, что и вызывает характерный "щелчок" (на самом деле – небольшой звуковой удар). Именно волновая динамика, распространяющаяся по хлысту, позволяет ему достигать сверхзвуковых скоростей. Однако первым искусственным звуковым ударом, вероятно, стал разрыв куска ткани, что впоследствии стимулировало развитие хлыста. Большинство современных пуль из огнестрельного оружия – сверхзвуковые, при этом пули винтовок часто достигают скоростей, приближающихся к Маху 3 и даже превышающих его. Большинство космических аппаратов становятся сверхзвуковыми хотя бы на отдельных этапах спуска, хотя воздействие на аппарат снижается из-за низкой плотности воздуха. При взлете ракеты-носители обычно избегают достижения сверхзвуковой скорости на высотах ниже 30 км (~98 400 футов) для уменьшения аэродинамического сопротивления. Важно отметить, что скорость звука несколько уменьшается с увеличением высоты из-за более низких температур (обычно до 25 км). На еще больших высотах температура начинает расти, что приводит к соответствующему увеличению скорости звука. При лопании надутого воздушного шарика оторванные фрагменты латекса сжимаются со сверхзвуковой скоростью, что и создает резкий и громкий хлопок.
Суперзвуковые наземные транспортные средства
На сегодняшний день только один наземный аппарат официально преодолел сверхзвуковую скорость – ThrustSSC. Автомобиль, управляемый Энди Грином, является обладателем мирового рекорда скорости на суше, достигнув средней скорости в пустыне Блэк-Рок 15 октября 1997 года при двунаправленном заезде. Проект Bloodhound LSR планировал попытку побить рекорд в 2020 году в Хакскинпене (Южная Африка) с использованием автомобиля с комбинированным реактивным и гибридным ракетным двигателем. Целью было превысить существующий рекорд, а затем предпринять дальнейшие попытки, в ходе которых команда надеялась достичь скорости до [значения скорости]. Изначально проект возглавлял Ричард Нобл, который был руководителем проекта ThrustSSC, однако после проблем с финансированием в 2018 году команда была приобретена Йэном Уорхерстом и переименована в Bloodhound LSR. Впоследствии проект был приостановлен на неопределенный срок из-за пандемии COVID-19, и автомобиль был выставлен на продажу.
Сверхзвуковой полет
Большинство современных истребителей — сверхзвуковые самолеты. Ни один современный пассажирский самолет не способен развивать сверхзвуковую скорость, однако сверхзвуковые пассажирские самолеты существовали, в частности, Concorde и Туполев Ту-144. Оба этих пассажирских самолета, а также некоторые современные истребители, способны к сверхзвуковому полету без использования форсажной камеры. Благодаря возможности поддерживать сверхзвуковую скорость в течение нескольких часов и высокой частоте полетов на протяжении десятилетий, Concorde провел в сверхзвуковом полете значительно больше времени, чем все остальные самолеты вместе взятые. С момента последнего рейса Concorde 26 ноября 2003 года в эксплуатации не осталось ни одного сверхзвукового пассажирского самолета. Некоторые крупные бомбардировщики, такие как Туполев Ту-160 и Rockwell B-1 Lancer, также способны развивать сверхзвуковую скорость. Аэродинамика сверхзвуковых самолетов проще, чем дозвуковая, поскольку воздушные потоки в различных точках самолета часто не оказывают влияния друг на друга. Сверхзвуковым самолетам и ракетам требуется в несколько раз большая тяга для преодоления повышенного аэродинамического сопротивления в трансзвуковой области (около числа Маха 0,85–1,2). На этих скоростях аэрокосмические инженеры могут плавно обтекать воздух вокруг фюзеляжа самолета, не создавая новых ударных волн, но любое изменение площади поперечного сечения по длине корпуса приводит к образованию ударных волн вдоль него. Конструкторы используют правило площадей сверхзвуковых самолетов и правило площадей Уиткомба для минимизации резких изменений размеров. Однако на практике сверхзвуковой самолет должен стабильно лететь как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах, что усложняет аэродинамический дизайн. Ключ к низкому сверхзвуковому сопротивлению — придать самолету вытянутую и тонкую форму, близкую к "идеальной", такой как тело фон Кармана или тело Сирса-Хаака. Это привело к тому, что большинство сверхзвуковых самолетов имеют очень похожий вид: длинный и стройный фюзеляж и большие дельтавидные крылья, например, SR-71, Concorde и т.д. Хотя такая форма не идеальна для пассажирских самолетов, она хорошо подходит для бомбардировщиков.