Американцы запатентовали «тихий» сверхзвуковой воздухозаборник

Возможный внешний вид сверхзвукового пассажирского самолета Gulfstream airportjournals.com

Американская компания Gulfstream Aerospace получила патент на новый сверхзвуковой воздухозаборник, который наравне с другими техническими решениями позволит снизить уровень шума самолета на сверхзвуковой скорости полета.

Многие компании в мире сегодня расценивают сверхзвуковые пассажирские самолеты как ключ к быстрым и дешевым путешествиям. Однако использовать такие самолеты в гражданской авиации сегодня практически невозможно — действующие авиационные правила запрещают сверхзвуковые полеты над населенной частью суши. Это сделано для того, чтобы ударные волны от самолетов не беспокоили людей.

Авиационные власти могут разрешить сверхзвуковые полеты над населенной частью суши, если воспринимаемый уровень шума пассажирских самолетов не будет превышать 75 децибел. Для того, чтобы сделать существование гражданской сверхзвуковой авиации возможным, разработчики сегодня ищут разные технические способы сделать новые самолеты «тихими».

В полете на сверхзвуковой скорости самолет образует множество ударных волн — резких скачков давления. Наблюдателями на земле такие ударные волны воспринимаются как оглушительные хлопки. В полете ударные волны обычно образуются на кончике носового обтекателя, на передней и задней кромках крыла, на передних кромках хвостового оперения, в зонах завихрителей потока и на кромках воздухозаборников.

N-волна (красная) до аэродинамической оптимизации сверхзвукового планера и подобие S-волны после оптимизации JAXA

Одним из способов снижения воспринимаемого уровня шума является изменение аэродинамической конструкции самолета. Например, в Lockheed Martin и нескольких других компаниях полагают, что перепроектирование некоторых элементов планера позволит избегать резких скачков давления на фронте ударной волны и резких же падений давления в задней ее части с последующей нормализацией. 

Ударная волна с резкими скачками называется N-волной, поскольку на графике напоминает именно эту букву латинского алфавита. Именно такие ударные волны воспринимаются как взрыв. Новая аэродинамическая конструкция самолета будет генерировать S-волны с плавным и не таким значительным, как у N-волны, перепадом давления. Предполагается, что S-волны будут восприниматься наблюдателями как мягкая пульсация.

Запатентованный Gulfstream Aerospace новый сверхзвуковой воздухозаборник получит кромки такой формы, которая как раз позволит добиться образования S-волн. Конструкция предусматривает создание увеличенного компрессионного «клина» на небольшом углублении в воздухозаборник, а также уменьшение угла атаки «губы» — наплыва, расположенного на противоположном фюзеляжу конце отверстия.

Такая конструкция позволяет перенести зону предварительного сжатия поступающего воздуха внутрь воздухозаборника (у современных обычных сверхзвуковых воздухозаборников предварительное сжатие происходит снаружи на входе). При входе воздушный поток будет наталкиваться на клин, отражаться к губе и резко тормозиться с образованием нескольких ударных волн.

Обычный сверхзвуковой воздухозаборник (сверху) и запатентованный «тихий» воздухозаборник Gulfstream Aerospace

Предполагается, что ударные волны в воздушном потоке в воздухозаборнике, называемые также веером сжатия, позволят эффективно сжимать и замедлять воздушный поток до скорости, на которой он может быть нормально втянут компрессором турбореактивного двигателя. Перенесение зоны предварительного сжатия внутрь воздухозаборника позволит снизить и его аэродинамическое сопротивление. 

В начале июня текущего года компания Lockheed Martin раскрыла некоторые подробности проекта «тихого» сверхзвукового самолета QueSST, разработка которого ведется по заказу NASA. Перспективный самолет будет выполнен однодвигательным. Его длина составит 28,7 метра. Он получит планер, фюзеляж и крыло которого внешне напоминают перевернутый самолет.

Кроме того, на QueSST установят обычный вертикальный киль и горизонтальные рули для маневрирования на малой скорости полета. На верхушке киля будет установлено маленькое Т-образное оперение, которое будет «разбивать» ударные волны от носовой части и фонаря кабины пилотов.

Носовую часть самолета сделают значительно удлиненной для уменьшения лобового сопротивления и уменьшения числа перепадов на планере, где могут образовываться ударные волны. Испытания модели планера QueSST в аэродинамической трубе в Исследовательском центре Гленна запланированы на 2017 год.

Василий Сычёв