Огромные скорости и мгновенные превращения, загадочная стройность форм и ошибки в расчетах — все смешалось в этой картине. Вокруг стремительно мчащегося самолета вдруг возникает туманный конус, но это не «звуковой барьер». С конусом связано много неверных штампов и распространенных мифов. Аэродинамика туманного конуса интересна, и любопытно разобраться, как он возникает и почему имеет такой вид. Никто и никогда не разбирал это так, как мы.
Перед вами — палубный истребитель-бомбардировщик и штурмовик F/A-18F Super Hornet, летящий со скоростью, близкой к скорости звука. Задняя часть самолета скрыта за туманным конусом с ровными очертаниями: он, словно широкая юбка, окутал хвостовое оперение. Что это и откуда он взялся?
Полеты самолетов бывают дозвуковые и сверхзвуковые. Разница между ними принципиальная: физика обтекания самолета набегающим потоком воздуха на этих режимах радикально различается. Между этими разными формами полета находится область околозвуковых скоростей с переходными явлениями. Здесь и лежат места обитания туманного конуса.
Скорость в аэродинамике рассматривается относительно окружающего воздуха, а не относительно земли или, скажем, палубы авианосца. Воздух при этом становится для самолета обтекающим его потоком. В любом полете важно не только то, медленнее он или быстрее звука, но и насколько медленнее или быстрее: это определяет картину обтекания.
Скорость звука всегда рассматривается местная, в данных условиях полета, поскольку она зависит от температуры воздуха и поэтому может меняться с изменением высоты, погоды и времени года. В летнюю жару скорость звука растет, в зимние морозы — снижается. На уровне моря при стандартных условиях атмосферы скорость звука составляет 340,29 метра в секунду. С ростом высоты она меняется только из-за температуры: изменение атмосферного давления и плотности никак не влияет на скорость звука. При подъеме до стратосферы скорость звука падает с усилением тамошнего мороза, снижаясь до 295 метров в секунду. С середины стратосферы и до ее верха скорость звука растет с прогревом воздуха, за стратосферой снова убывает, а потом опять растет.
Число Маха, обозначаемое буквой M, — скорость полета или течения воздуха (в общем случае газа) в сравнении со скоростью звука. Можно сказать, число Маха — это весы, взвешивающие скорость в «звуках». В мультфильме «38 попугаев» такой получилась длина удава, измеренная в длинах попугая. Точно так же скорость полета можно измерить в скоростях звука — и получится число Маха, вернее, его численное значение.
Число Маха не имеет единицы измерения, лишь значение. Одни метры в секунду (рассматриваемую скорость) число Маха делит на такие же метры в секунду (скорость звука) — эти одинаковые единицы измерения взаимно сокращаются, и остается просто дробь, только число. Таковы все критерии подобия — принятые в аэродинамике безразмерные числа, к которым относится и число Маха. Поэтому единицы «Мах» или «мах» нет в принципе, и говорить о «скорости в три Маха» или «пять Махов» неправильно — это лишь небрежный жаргон.
Так же неверно говорить о «скорости в три числа Маха» или «с тремя числами Маха», ведь число Маха не является константой с постоянным значением. Это переменная величина, принимающая любое конкретное значение. Каждой скорости соответствует свое значение числа Маха. Если М=1, то это ровно местная звуковая скорость. При М<1 (например, М=0,7) полет дозвуковой, при М>1 (например, М=2,3) — сверхзвуковой.
Возьмем М=0,8 на небольшой высоте. Стандартная скорость звука у земли — 340 метров в секунду. Умножение ее на М даст 272 метра в секунду — это скорость самолета относительно воздуха. А с какой скоростью воздух обтекает самолет? Кажется, конечно, с такой же — 272 метра в секунду. Но, как ни парадоксально, это не так.