Введение

Аэродинамическое сопротивление воздушных судов при трансонических и сверхзвуковых скоростях, вызванное наличием ударных волн.
Волновое сопротивление, связанное с движением судов по воде.

В аэронавтике волновое сопротивление – это составляющая аэродинамического сопротивления крыльев и фюзеляжа воздушных судов, а также концов лопастей винтов и снарядов, движущихся на трансонических и сверхзвуковых скоростях, из-за образования ударных волн. Волновое сопротивление не зависит от влияния вязкости и проявляется как резкий и значительный рост сопротивления при достижении летательным аппаратом критического числа Маха. Именно этот резкий рост волнового сопротивления и привел к возникновению концепции звукового барьера.

Обзор

Волновое сопротивление — это составляющая сопротивления давлению, возникающая из-за эффектов сжимаемости. Оно обусловлено образованием ударных волн вокруг тела. Ударные волны создают значительное сопротивление, которое может привести к чрезмерному сопротивлению, действующему на тело. Хотя ударные волны обычно ассоциируются со сверхзвуковым потоком, они могут формироваться на дозвуковых скоростях в областях тела, где локальный поток воздуха ускоряется до сверхзвуковой скорости. Этот эффект обычно наблюдается на самолетах при трансонических скоростях (около 0,8 Маха), но проблему можно заметить на любой скорости, превышающей критическое число Маха для данного самолета. Он настолько выражен, что до 1947 года считалось, что авиационные двигатели не смогут обеспечить достаточную мощность для преодоления возросшего сопротивления, или что возникающие силы будут настолько велики, что самолет может разрушиться в полете. Это привело к возникновению концепции звукового барьера.

Исследования

В 1947 году исследования волнового сопротивления привели к разработке оптимальных форм для минимизации волнового сопротивления в теоретически максимально возможной степени. Для фюзеляжа такой формой стало тело Сирса-Хаака, которое определяло идеальную форму поперечного сечения для заданного внутреннего объема. Огива фон Кармана представляла собой аналогичную форму для тел с тупым концом, например, ракет. Обе формы основывались на вытянутых обтекаемых телах с заострёнными концами, при этом основное различие заключалось в том, что огива имела заострение только на одном конце.

Снижение сопротивления

Ряд новых методов, разработанных во время и сразу после Второй мировой войны, позволил значительно снизить величину волнового сопротивления, и к началу 1950-х годов новейшие истребители могли достигать сверхзвуковых скоростей. Эти методы были быстро внедрены авиаконструкторами. Одним из распространенных решений проблемы волнового сопротивления стало использование крыла со стреловидностью, которое, на самом деле, было разработано еще до Второй мировой войны и применялось в некоторых немецких военных проектах. Стреловидное крыло выглядит более тонким и удлиненным в направлении воздушного потока, приближая традиционную форму крыла с каплевидным профилем к форме огивы фон Кармана, при этом сохраняя полезные характеристики на меньших скоростях, где важны кривизна и толщина профиля. В случае возможности создания чрезвычайно тонкого крыла, стреловидность не требуется. Это решение было применено в ряде конструкций, начиная с Bell X-1, первого пилотируемого самолета, достигшего скорости звука. Недостатком такого подхода является то, что из-за малой толщины крыла в нем невозможно разместить топливные баки или шасси. Такие крылья широко используются в ракетах, где их часто называют "стабилизаторами" или "хвостовым оперением". Форма фюзеляжа также была изменена с введением правила площадей Уиткомба. Уиткомб занимался тестированием различных форм планера на предмет трансонического сопротивления, и после просмотра доклада Адольфа Буземана в 1952 году пришел к выводу, что тело Сирса-Хаака должно применяться ко всему самолету, а не только к фюзеляжу. Это означало, что фюзеляж необходимо сужать в месте соединения с крыльями, чтобы поперечное сечение всего самолета соответствовало форме тела Сирса-Хаака. Применение правила площадей также можно увидеть в использовании антишоковых обтекателей на трансонических самолетах, включая некоторые реактивные авиалайнеры. Антишоковые обтекатели, представляющие собой выступы вдоль задней кромки крыла, выполняют ту же функцию, что и узкая конструкция фюзеляжа других трансонических самолетов.

Другие методы снижения сопротивления

За эти годы было предпринято несколько других попыток снизить волновое сопротивление. Сверхкритический профиль – это тип, обеспечивающий разумную подъемную силу на малых скоростях, как и обычный профиль, но имеющий форму, значительно более близкую к форме тела Кармана. Все современные гражданские авиалайнеры используют формы сверхкритических профилей и характеризуются наличием обширного сверхзвукового потока над верхней поверхностью крыла.