Для подолання звукового бар’єру в авіацію можуть повернутися біплани

Дослідники Стенфордського університету і Массачусетського технологічного інституту (обидва — Сполучені Штати Америки) ретельно змоделювали за допомогою комп’ютера крило Буземана, запропоноване у 50-х роках 20 століття, і виявили, що його реалізація на практиці є цілком досяжною. Але найголовніше, це може привести до того, що з’явиться надзвуковий літак, який не утворюватиме ударної хвилі під час подолання звукового бар’єру.

Надзвуковий пасажирський літак «Конкорд», хоча й завершив свою роботу у 2003 році не через надзвичайну шумність, був не дуже широко поширений, у першу чергу тому, що дикі звуки, які видавав літак при подоланні звукового бар’єру, не дали можливість йому отримати дозвіл на здійснення періодичних рейсів над сушею. З території англо-американських аеропортів зліт і розгін літака проходили над водою, тому його єдиною долею довгі роки залишався трансатлантичний рейс.

Але навіть, якщо у майбутньому літаки будуть спроектовані краще, то проблема, пов’язана з подоланням звукового бар’єру, все одно не втратить своєї актуальності. Це пов’язано не тільки з тим, що громадяни, які перебувають на землі, будуть завжди незадоволені. Вся справа полягає у тому, що, коли літальний апарат долає звуковий бар’єр, на передній кромці його крила відбувається процес формування ударної хвилі. При цьому у передньої кромки прикордонний шар повітря зберігає дозвукову швидкість, і відбувається перехід надлишкової кінетичної енергії потоку у внутрішню енергію газу. Як результат — різке зростання тиску і температури прикордонного шару, що веде до стрибкоподібного зростання опору. Інакше кажучи, звукові спецефекти літака на землі вимагають великої витрати палива, що вважається ще одним слабким місцем «Конкорда» і Ту-144.

Але не все так запущено! Біплан, який сьогодні сприймається тільки як архаїчний кукурузник, може повернутися в авіацію і виправити становище. Ще у 50-х роках 20 століття Адольф Буземан запропонував вирішити проблему подолання звукового бар’єру за допомогою подвійного крила, в якому відбувається накладення ударних хвиль, що утворюються від нижнього і верхнього крила, один на одного і їхнє взаємне гасіння. Прикордонний шар відрізняється температурою і меншим тиском, що відбивається, а це спричинить підвищенні економічності ЛА.

Тоді ж, у 1950-х, проблема виникла при створенні крила дуже тонкого профілю, інакше опір був би дуже великим, щоб літак зміг летіти з помірною витратою палива.

Крім цього, при здійсненні роботи на тому числі МАХ-а, яке у таке крило було закладено під час проектування, все пройде ідеально. Але, якщо швидкість зміниться незначно, то крило починає давати збої, але ж до здійснення крейсерського польоту літальний апарат повинен ще злетіти і розігнатися. Найважчий момент був у тому, що між парами крил був маленький зазор, і великий обсяг повітря, проходячи через нього під час подолання звукового бар’єру, падав до рівня, який не міг забезпечити збереження достатньої підйомної сили. Виходило, що крило «задихалося»!

Після того, як в 2009 році з’явилася дисертаційна робота Жуй Ху, співробітника Стенфордського університету, стало зрозуміло, що дане питання вирішується шляхом оптимізації аеродинамічного профілю біплана Буземана. Однак тільки нещодавно проведені роботи з комп’ютерного моделювання таких профілів дослідниками Жуй Ху і Ци Ци Ваном показали, яку точно форму повинні мати крила, аби це можна було здійснити на практиці.

Вчені помітили, що для створення достатньої підйомної сили крил Буземана на дозвуці і трансзвуці потрібно виконати внутрішні поверхні крила гранично гладкими і зробити передню кромку так, аби вона злегка виступала вниз для нижньої пари і вгору — для верхньої пари. Це призводить до засмоктування крилами великого потоку повітря на несучі поверхні. Крила отримують підйомну силу та опір, властиві звичайним крилам, які здійснюють політ на некрейсерських швидкостях. Опір же на крейсерській швидкості впав удвічі.

Слід відзначити, що це є чимось більшим, ніж революція. Зменшення опору вдвічі в порівнянні з «Конкордом» означає, що зберігаючи колишню дальність, літак менше братиме палива або витрачати менше пального. Можна очікувати збільшення паливної ефективності надзвукових лайнерів більш ніж удвічі. Відразу стали морально застарілими конструкції винищувачів п’ятого покоління, оскільки і ПАК ФА, і F-22 проектувалися за традиційними схемами, і ефективність їхнього польоту істотно нижча, у порівнянні з крилом Буземана — Вана Ху.