Что такое воздушная яма? Полет на самолете. Авиация будущего: пассажирские дроны, сверхзвук и биодизайн Самолетик весь во власти воздушных волн

Правообладатель иллюстрации Airbus Image caption Пример того, как в будущем сможет выглядеть силовой набор летательного аппарата Airbus. Вместо привычного "скелета" из шпангоутов, стрингеров и лонжеронов - легкая сетка сложной формы

Возможно ли, чтобы само представление о полете полностью изменилось? Не исключено, что в будущем именно так оно и будет. Благодаря новым материалам и технологиям могут появиться пассажирские дроны, а в небо вернутся сверхзвуковые авиалайнеры. Русская служба Би-би-си проанализировала информацию о новейших проектах Airbus, Uber, Toyota и других компаний, чтобы определить, в каком направлении будет развиваться авиация в будущем.

• Готовы ли вы летать на беспилотных самолетах?
• В Сингапуре начались испытания беспилотного такси
• А вы бы полетели на беспилотном авиалайнере?

Городское небо

Сейчас над городами относительно свободным остается довольно большой слой атмосферы высотой до километра. Это пространство используют специальная авиация, вертолеты, а также отдельные частные или корпоративные самолеты.

Но в этом слое уже начинает развиваться новый вид воздушного транспорта. У него много названий - городская или персональная авиация, авиатранспортная система будущего, небесное такси и так далее. Но суть его была сформулирована еще в начале XIX века художниками-футурологами: каждый получит возможность пользоваться небольшим летательным аппаратом для полетов на небольшие расстояния.

• Над какими проектами работают авиаконструкторы по всему миру

Инженеры никогда не расставались с этой мечтой. Но до сих пор мешало отсутствие прочных и легких материалов и несовершенная электроника, без которой нельзя запустить множество небольших аппаратов. С появлением высокопрочного и легкого углепластика и развитием портативных компьютеров все изменилось.

Нынешний этап создания городского аэромобильного транспорта чем-то напоминает 1910-е годы, самое начало истории самолетостроения. Тогда конструкторы не сразу нашли оптимальную форму самолета и смело экспериментировали, создавая причудливые конструкции.

Сейчас общая задача - сделать летательный аппарат для городской среды - также позволяет строить самые разнообразные аппараты.

Корпорация Airbus, к примеру, разрабатывает сразу три крупных проекта - пилотируемый одноместный Vahana, который, по планам корпорации, сможет полететь уже в следующем году, а к 2021 году будет готов к коммерческим полетам. Два других проекта: CityAirbus, беспилотное такси-квадрокоптер на несколько человек, и Pop.Up, который корпорация разрабатывает совместно с Italdesign. Это одноместный беспилотный модуль, который можно будет использовать на колесном шасси для поездок по городу, а также подвешивать к квадрокоптеру для полетов.

Airbus Pop.Up и CityAirbus используют принцип квадрокоптера, а Vahana - конвертоплан (то есть аппарат, который взлетает по-вертолетному, а затем разворачивает двигатели и дальше движется как самолет).

Схемы квадрокоптера и конвертоплана - сейчас основные для пассажирских дронов. Квадрокоптеры гораздо более стабильны во время полета. А конвертопланы позволяют развивать большую скорость. Но обе схемы позволяют вертикально взлетать и садиться. Это ключевое требование для городской авиации, поскольку обычному самолету нужна взлетно-посадочная полоса. А это значит, что понадобится строительство дополнительной инфраструктуры для города.

Среди других заметных проектов - Volocopter германской компании eVolo, который представляет собой мультикоптер с 18 пропеллерами. Это пока что самый успешный проект воздушного такси, осенью 2017 года в Дубае уже приступили к его тестированию. В июне управляющая транспортная компания Дубая об этом с eVolo.

Еще один проект из Германии - Lilium - интересен необычной компоновкой. Это электрический конвертоплан на 36 небольших турбин, установленных двумя блоками вдоль крыла, и с еще двумя блоками в передней части аппарата. Компания уже начала тестовые полеты в беспилотном режиме.

Японский автопроизводитель Toyota инвестирует в проект Cartivator.

А онлайн-сервис такси Uber также разрабатывает свою беспилотную систему, в этом проекте он тесно сотрудничает с НАСА по разработке технологий и программного обеспечения сервиса в городах с высокой плотностью населения.

Среди авиационных экспертов немало как сторонников беспилотных городских пассажирских перевозок, так и скептиков.

Среди последних - главный редактор Avia.ru Роман Гусаров. Главная проблема, по его мнению - невысокая мощность электродвигателей и аккумуляторов. И эффективные пассажирские дроны вряд ли появятся в обозримом будущем, несмотря на то, что в их разработку вкладывается много средств.

"Технологии еще достаточно сыры и создаваемые с их использованием системы подвержены техническим сбоям", - отметил в интервью Би-би-си главный редактор портала uav.ru Денис Федутинов.

По его словам, подобные проекты могут быть просто красивым рекламным ходом и возможностью показать, что компания занимается передовыми исследованиями. Он также не исключает, что на фоне восторженных публикаций в прессе может возникнуть много стартапов, которые, найдя деньги инвесторов, так и не смогут создать летающий пассажирский дрон.

Исполнительный директор Infomost Consulting (компания занимается консалтингом в области транспорта) Борис Рыбак считает, что пока самой большой проблемой в этой сфере является страх. Люди будут еще долго бояться доверять свою жизнь летательному аппарату без пилота.

"Когда появились первые самодвижущиеся бензиновые повозки, с чадом, дымом и грохотом ехали они рядом с лошадками, и народ разбегался. Но это нормально, тогда было страшно, и сейчас страшно", - сказал Рыбак.

Между дом ами и птиц ами

В настоящее время НАСА и Федеральное управление гражданской авиации США работают над программой "Управление движением беспилотных авиационных систем" (Unmanned Aircraft System (UAS) Traffic Management (UTM)). Именно в рамках этой программы с НАСА и ФАА сотрудничает компания Uber.

Развитие технологий в этой области сильно опережает разработку правил их регулирования. Американскую программу начали разрабатывать в 2015 году, но в "дорожной карте" ее разработки пока даже не отмечен срок создания правил для полетов в густонаселенных городских районах.

При этом имеются в виду полеты дронов по доставке почты и новостной видеосъемке. А о перевозке пассажиров в программе пока вообще ничего не говорится.

Судя по данным презентаций, изученных Русской службой Би-би-си, в будущем полеты пассажирских дронов в городах будут регулироваться через выстраивание маршрутов в воздушных коридорах. Такой же принцип действует в современной гражданской авиации. При этом дроны будут активно взаимодействовать между собой и мониторить воздушное пространство вокруг, чтобы избежать столкновений с другими дронами и прочими объектами в воздухе (например, с птицами).

Однако, как полагает Борис Рыбак, гораздо более эффективной была бы система, построенная по принципу свободного полета, где маршруты выстраивались бы компьютерами с учетом местонахождения всех аппаратов в воздухе.

• Британия начинает испытания беспилотных грузовиков
• Движения кенгуру запутали беспилотные автомобили

Останется ли Россия в стороне?

В России власти также пытаются делать осторожные шаги по регулированию полетов беспилотников в городской среде. Так, уже давно интересуется беспилотниками компания "Ростелеком". Она является подрядчиком компании "Российские космические системы", которая в ноябре 2015 года выиграла конкурс Роскосмоса на 723 млн рублей (12,3 млн долларов) на создание инфраструктуры Федерального сетевого оператора.

Эта инфраструктура должна будет обеспечить наблюдение за транспортом и беспилотными аппаратами (включая летательные), наземным и водным пилотируемым и беспилотным транспортом, железнодорожным транспортом, объяснял представитель "Ростелекома". Оператор создает опытный образец инфраструктуры, которая будет контролировать движение транспорта, прежде всего дронов, и готов потратить на субподрядчиков около 100 млн рублей (1,7 млн долларов).

Замглавы департамента науки, промышленной политики и предпринимательства города Москвы Андрей Тихонов рассказал Би-би-си, что в российской столице пока нет условий для появления пассажирских дронов.

"Во-первых, не до конца проработана нормативная база для беспилотных летательных и наземных аппаратов. Во-вторых, московская инфраструктура пока не приспособлена для массовой транспортировки грузов и пассажиров на беспилотных аппаратах. В-третьих, большинство аппаратов, предназначенных для перевозки людей и больших грузов, пока находятся на стадии тестирования и должны получить соответствующую документацию для работы в городских условиях. Опять же возникают вопросы обязательного страхования пассажиров и многие другие", - объяснил он.

Правда, по его словам, эти проблемы не столько останавливают власти города, сколько заставляют искать пути их решения.

Быстрее звука

Другое направление, над которым работают во многих авиастроительных корпорациях - сверхзвуковые пассажирские перевозки.

Эта идея совсем не нова. 22 ноября исполняется 40 лет началу регулярных коммерческих рейсов между Нью-Йорком, Парижем и Лондоном на самолетах "Конкорд". В 1970-х идею сверхзвуковых перевозок воплотили British Airways вместе с Air France, а также "Аэрофлот" на Ту-144. Но на практике выяснилось, что технологии того времени не годились для гражданской авиации.

В итоге советский проект свернули после семи месяцев эксплуатации, а британо-французский - после 27 лет.

Главной причиной, по которой были свернуты проекты Concorde и Ту-144, обычно называют финансы. Эти самолеты были дорогим удовольствием.

Двигатели таких аппаратов потребляют гораздо больше горючего. Для таких самолетов необходимо было создавать свою инфраструктуру. Ту-144, например, использовал свой вид авиационного топлива, гораздо более сложный по составу, он нуждался в особом техническом обслуживании, более тщательном и дорогостоящем. Для этого самолета приходилось держать даже отдельные трапы.

Ещё одной серьезной проблемой, помимо сложности и стоимости обслуживания, стал шум. Во время полета на сверхзвуковой скорости на всех передних кромках элементов самолета возникает сильное воздушное уплотнение, которое порождает ударную волну. Она тянется за самолетом в виде огромного конуса, и когда достигает земли, то человек, через которого она проходит, слышит оглушающий звук, похожий на взрыв. Именно из-за этого полеты "Конкордов" над территорией США на сверхзвуковой скорости были запрещены.

И именно с шумом сейчас, прежде всего, пытаются бороться конструкторы.

После прекращения полетов "Конкорда" попытки построить новый, более эффективный сверхзвуковой пассажирский самолет не прекращались. И с появлением новых технологий в области материалов, двигателестроения и аэродинамики о них стали говорить все чаще.

В мире разрабатывается сразу несколько крупных проектов в области сверхзвуковой гражданской авиации. В основном, это бизнес-джеты. То есть проектировщики изначально стараются нацелиться на тот сегмент рынка, где стоимость билетов и обслуживания играет меньшую роль, чем на маршрутных перевозках.

НАСА совместно с корпорацией Lockheed Martin разрабатывает сверхзвуковой самолет, пытаясь, в первую очередь, решить проблему звукового барьера. Технология QueSST включает в себя поиск особой аэродинамической формы летательного аппарата, которая как бы "размазывала" жесткий звуковой барьер, делая его нерезким и менее шумным. В настоящее время в НАСА уже разработали облик самолета, а его летные испытания могут начаться в 2021 году.

Еще один заметный проект - AS2, который разрабатывает компания Aerion в партнерстве с Airbus.

Airbus также работает над проектом Concord 2.0. Этот самолет планируется оснастить тремя типами двигателей - ракетным в хвостовой части и двумя обычными реактивными, при помощи которых самолет сможет взлетать почти вертикально, а также одним прямоточным, который уже будет разгонять аппарат до скорости в 4,5 Маха.

Правда, подобными проектами в Airbus занимаются довольно осторожно.

"Airbus продолжает исследования в области сверхзвуковых/гиперзвуковых технологий, мы также изучаем рынок, чтобы понять, будут ли такого рода проекты жизнеспособны и осуществимы, - говорится в официальном комментарии Airbus для Русской службы Би-би-си. - Мы не видим рынка для таких самолетов в настоящий момент и в обозримом будущем из-за высоких издержек таких систем. Это может измениться с появлением новых технологий, либо с изменением экономической или социальной обстановки. В общем, пока что это скорее область изучения, а не приоритетное направление".

Media playback is unsupported on your device

Предсказать, будет ли спрос на такие самолеты, действительно сложно. Борис Рыбак отмечает, что параллельно с авиационными развивались и информационные технологии, и теперь бизнесмен, которому необходимо быстро решить вопрос на другой стороне Атлантики, часто может сделать это не лично, а по интернету.

"Лететь бизнес-классом или в бизнес-джете шесть часов из Лондона до Нью-Йорка. А так ты технически потратишь четыре, ну три сорок. Стоит ли эта [овчинка] выделки?" - сказал Рыбак по поводу сверхзвуковых перелетов.

По опыту Ту-144

Однако другие российские авиационные специалисты считают иначе. Сверхзвуковые самолеты смогут занять свое место на рынке, считает ректор Московского авиационного института Михаил Погосян, бывший руководитель Объединенной авиастроительной корпорации.

"Сверхзвуковой самолет дает возможность выйти на качественно другой уровень, он позволяет экономить глобально время - сутки. Прогнозы рынка говорят о том, что внедрение такого рода технологий и такого рода проектов будет связано со стоимостью такого полета. Если такая стоимость будет приемлемой и не будет в разы отличаться от стоимости полета на дозвуковом самолете, то я вас уверяю, что рынок есть", - сказал он Русской службе Би-би-си.

Погосян выступил на форуме Aerospace Science Week в МАИ, где он, в частности, рассказал о перспективах создания сверхзвукового самолета с участием российских специалистов. Российские предприятия (ЦАГИ, МАИ, ОАК) участвуют в большой европейской научно-исследовательской программе Horizon 2020, одно из направлений которой - разработка сверхзвукового пассажирского самолета.

Погосян перечислил главные свойства такого самолета - низкий уровень звукового удара (иначе самолет не сможет летать над населенными территориями), двигатель изменяемого цикла (ему необходимо хорошо работать на дозвуковой скорости и на сверхзвуковой), новые термостойкие материалы (на сверхзвуковой скорости самолет сильно нагревается), искусственный интеллект, а также то, что управлять таким самолетом может один пилот.

При этом ректор МАИ убежден, что проект сверхзвукового самолета можно создать только на международном уровне.

Руководитель Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) Сергей Чернышев рассказал на форуме, что российские специалисты участвуют в трех международных проектах в области сверхзвуковой пассажирской авиации - Hisac, Hexafly и Rumble. Все три проекта не ставят целью создать конечный коммерческий продукт. Их главная задача - исследовать свойства сверхзвукового и гиперзвукового аппарата. По его словам, сейчас авиастроители создают еще только концепцию такого самолета.

В интервью Би-би-си Сергей Чернышев сказал, что сильной стороной российских авиастроителей является опыт создания сверхзвуковых самолетов и их эксплуатации. По его словам, это сильная аэродинамическая школа, большой опыт проведения испытаний, в том числе и в экстремальных условиях. В России также "традиционно сильная школа материаловедов", - добавил он.

"Мой субъективный прогноз: на горизонте 2030-35 года появится [бизнес-джет]. Академик Погосян считает, что между 2020-м и 2030 годом. Десять лет он им дал. Это так, но все-таки ближе к 2030 году", - сказал Сергей Чернышев.

"Обычные" необычные лайнеры

Главная задача авиаконструкторов сегодня - добиваться увеличения топливной эффективности самолета, снижая при этом вредные выхлопы и шум. Вторая задача - разрабатывать новые системы управления, где компьютер будет выполнять все больше задач.

Сейчас уже никого не удивить электродистанционной системой управления самолетом, когда сигналы от ручки управления или штурвала, педалей и прочих органов передаются к рулям и прочим элементам механизации в виде электросигналов. Подобная система позволяет бортовому компьютеру контролировать действия летчика, внося коррективы и исправляя ошибки. Однако эта система - уже вчерашний день.

• Последний сверхзвуковой "Конкорд" сдали в музей
• Первый в мире авиалайнер с термоядерным реактором: как скоро?
• Почему авиастроительные корпорации делают одинаковые самолеты?

Как рассказал Би-би-си вице-президент корпорации "Иркут" по маркетингу и продажам Кирилл Будаев, российская компания работает над системой, когда самолетом будет управлять всего один пилот, а функции второго при взлете и посадке будет выполнять специально подготовленный старший бортпроводник. Во время полета самолета на эшелоне одного пилота вполне достаточно, считают в "Иркуте".

По законам природы

Еще одно серьезное нововведение, появившееся в последнее десятилетие - композитные материалы. Разработку легкого и прочного пластика можно сравнить с применением алюминия в послевоенной авиации. Этот материал вместе с появлением эффективных турбореактивных двигателей изменил облик самолетов. Теперь точно такая же революция происходит с композитом, который постепенно вытесняет металл из конструкций самолетов.

При проектировке самолетов все чаще используется трехмерная печать, которая позволяет создавать более сложные формы с высокой точностью. И добиваться снижения потребления топлива.

К примеру, Airbus и Boeing используют новейшие двигатели семейства LEAP производства CFM International. Форсунки в этих двигателях напечатаны на трехмерном принтере. И это позволило повысить топливную эффективность на 15%.

Кроме того, сейчас авиационная промышленность начала активнее осваивать бионический дизайн.

Бионика - прикладная наука, которая изучает возможности практического применения в различных технических устройствах принципов и структур, которые появились в природе благодаря эволюции.

Вот простой пример - на снимке выше изображен кронштейн, аналогичный тому, что используется в самолете Airbus. Обратите внимание на его форму - обычно такой элемент представляет собой сплошной кусок металла треугольной формы. Однако, рассчитав на компьютере силы, которые будут приложены к различным его частям, инженеры выяснили, какие части можно удалить, а какие - видоизменить таким образом, чтобы не только облегчить, но и усилить такой компонент.

Гораздо более сложная работа была проведена группой ученых во главе с профессором Технического университета Дании Нильсом Ааге. В октябре 2017 года они опубликовали в журнале Nature доклад , в котором рассказали о том, как они рассчитали на французском суперкомпьютере Curie силовой набор крыла авиалайнера Boeing 777 - сложную структуру довольно тонких перемычек и распорок.

В результате, как считают исследователи, вес двух крыльев самолета можно было бы снизить на 2-5%, не потеряв при этом прочности. С учетом того, что оба крыла в сумме весят 20 тонн, это дало бы экономию до 1 тонны, что соответствует предполагаемому сокращению расхода топлива 40-200 тонн в год. А ведь это уже существенно, не правда ли?

При этом бионический дизайн в будущем, как считают в авиастроительных корпорациях, будет применяться все больше и больше. Самолет на первой иллюстрации к этому тексту - лишь эскиз инженеров Airbus, но на нем уже видно, по какому принципу будет создаваться силовой набор самолетов будущего.

Электричество

Двигатель - самая главная и самая дорогая часть самолета. И именно он определяет конфигурацию любого самолета. В настоящее время большинство авиационных двигателей - либо газогенераторные, либо внутреннего сгорания, бензиновые или дизельные. Лишь самая малая часть из них работает на электричестве.

По словам Бориса Рыбака, все десятилетия существования реактивной авиации разработка принципиально новых авиационных моторов не велась. Он видит в этом проявление лобби нефтяных корпораций. Так это или нет, но за все послевоенное время эффективного двигателя, который бы не сжигал углеводородное топливо, так и не появилось. Хотя испытывались даже атомные.

Сейчас в мировой авиационной индустрии отношение к электричеству сильно меняется. В мировой авиации появилась концепция "Более электрический самолет". Она подразумевает большую по сравнению с современными электрификацию узлов и механизмов аппарата.

В России технологиями в рамках этой концепции занимается холдинг "Технодинамика", входящий в "Ростех". Компания разрабатывает электроприводы реверса для будущего российского двигателя ПД-14, приводы топливной системы, уборки-выпуска шасси.

"В долгосрочной перспективе мы, конечно, рассматриваем проекты больших коммерческих самолетов. И в этих больших самолетах мы, скорее всего, будем использовать гибридную двигательную установку, прежде чем перейти полностью на электротягу, - говорится в комментарии Airbus. - Дело в том, что отношение мощности к весу в современных аккумуляторах пока еще очень далеко от того, что нам нужно. Но мы готовимся к будущему, в котором это возможно".

Малые беспилотные летательные аппараты с каждым годом получают все большее распространение - их используют в съемках телепередач и музыкальных клипов, для патрулирования территорий или просто ради удовольствия. Управление дронами не требует специального разрешения, а их стоимость постоянно снижается. В итоге авиационные власти некоторых стран решили изучить, представляют ли эти устройства опасность для пассажирских самолетов. Результаты первых исследований получились противоречивыми, но в целом регуляторы пришли к выводу, что полеты частных дронов следует взять под контроль.

В июле 2015 года самолет авиакомпании Lufthansa, заходивший на посадку в аэропорту Варшавы, чуть было не столкнулся с мультикоптером, пролетев на расстоянии менее ста метров от него. В апреле 2016 года пилоты пассажирского самолета компании British Airways, приземлившегося в аэропорту Лондона, доложили диспетчерам о столкновении с дроном при заходе на посадку. Позднее, правда, следствие пришло к выводу, что никакого дрона не было, а то, что летчики приняли за него, скорее всего было обычным пакетом, поднятым ветром с земли. Впрочем уже в июле 2017 года в британском аэропорту «Гатвик» самолет чуть было не столкнулся с дроном, после чего диспетчеры вынуждены были закрыть для посадки одну полосу и перенаправить пять рейсов на резервные полосы.

По данным британской исследовательской организации UK Airprox Board, в 2016 году в Великобритании был зафиксирован 71 случай опасного сближения пассажирских самолетов с дронами. Опасным сближением в авиации считается сближение самолета с другим самолетом на расстояние менее 150 метров. С начала текущего года случаев подлета дронов к самолетам в Великобритании было зафиксировано уже 64. В США в прошлом году авиационные власти зарегистрировали чуть менее 200 случаев опасного сближения. При этом насколько именно малые беспилотники могут быть опасны для пассажирских самолетов, авиационные власти пока представляют себе плохо. Некоторые специалисты ранее предполагали, что столкновение с дроном для пассажирского лайнера будет не опаснее обычного столкновения с птицами.

По данным специализированного издания Aviation Week & Space Technology, с 1998 года во всем мире из-за столкновения в воздухе пассажирских рейсов с птицами погибли 219 человек, причем заметная часть из них выполняла полеты на небольших частных самолетах. При этом ежегодно авиакомпании по всему миру тратят в общей сложности 625–650 миллионов долларов на устранение повреждений, полученных пассажирскими самолетами из-за столкновения с птицами. Кстати, в целом пассажирские лайнеры считаются устойчивыми к прямому попаданию пернатых. При разработке и испытании новых самолетов даже проводятся специальные проверки - самолет обстреливают тушками различных птиц (уток, гусей, кур), чтобы определить его устойчивость к таким повреждениям. Проверка двигателей на заброс в них птицы вообще является обязательной.

В середине марта прошлого года исследователи из американского Университета Джорджа Мейсона , в которой объявили, что угроза дронов для авиации сильно преувеличена. Они изучили статистику столкновения самолетов с птицами за период с 1990 по 2014 год, включая эпизоды, закончившиеся человеческими жертвами. В итоге ученые пришли к выводу, что реальная вероятность опасного столкновения дрона с самолетом не так велика: всего один случай за 187 миллионов лет должен закончиться масштабной катастрофой.

Чтобы попытаться определить, действительно ли дроны представляют угрозу для пассажирских самолетов, в 2016 году авиационные власти Европейского Союза и Великобритании заказали два независимых исследования. Инженеры, которые проводят эти исследования, обстреливают разные фрагменты самолетов дронами различной конструкции или их деталями с целью вызвать реальные повреждения, которые пассажирские летательные аппараты могут получить при столкновении. Параллельно проводится математическое моделирование таких столкновений. Исследования проводятся в несколько этапов, первые из которых уже завершены, а результаты представлены заказчикам. Как ожидается, после полного завершения работ авиационные власти разработают новые правила регистрации и эксплуатации дронов частными лицами.

Дрон врезается в ветровое стекло пассажирского самолета во время испытаний, проводившихся в Великобритании

Сегодня в разных странах единых правил полетов дронов не существует. Так, в Великобритании не требуется регистрировать и лицензировать дроны массой менее 20 килограммов. При этом эти аппараты должны выполнять полеты в зоне прямой видимости оператора. Частным беспилотникам с камерами нельзя подлетать к людям, зданиям и автомобилям на расстояние ближе 50 метров. В Италии вообще практически нет специальных правил для беспилотников, кроме одного - дронам нельзя летать на большим скоплением людей. А в Ирландии, например, все дроны массой более одного килограмма должны быть зарегистрированы в Управлении гражданской авиации страны. К слову, в Евросоюзе Ирландия является одним из ярых сторонников ужесточения правил использования дронов.

Между тем, пока в Европе планируют закручивать гайки, в США, наоборот, полеты дронов намерены сделать более свободными. Так, в начале этого года Федеральное управление гражданской авиации США пришло к выводу, что легкие потребительские квадрокоптеры не представляют большой угрозы для самолетов, хотя их полеты вблизи аэропортов и недопустимы. В феврале американские компании 3DR, Autodesk и Atkins уже получили разрешение на управление полетами дронов в самом загруженном аэропорту мира - Международном аэропорту Хартсфилд-Джексон Атланта, ежегодно пропускающем через себя около ста миллионов пассажиров. Здесь квадрокоптеры использовались для составления трехмерных карт аэропорта в высоком разрешении. Они выполняли полеты в прямой видимости оператора и под контролем авиадиспетчеров.

Первой результаты исследования в октябре прошлого года опубликовала рабочая группа Европейского агентства по авиационной безопасности. Эти исследователи пришли к выводу, что серьезной угрозы любительские дроны для пассажирских самолетов не представляют. Участники рабочей группы во время работы сосредоточились на изучении последствий воздушных столкновений пассажирских самолетов с дронами массой до 25 килограммов. Для исследования беспилотники были разделены на четыре категории: крупные (массой более 3,5 килограмма), средние (до 1,5 килограмма), малые (до 0,5 килограмма) и «безвредные» (до 250 граммов). Для каждой категории специалисты определили степень опасности, которая оценивалась по пятибалльной шкале: 1-2 - высокая, 3-5 - низкая. Безопасными считались аппараты, получившие четыре-пять баллов.

Для определения степени опасности исследователи использовали данные о высотах полета аппаратов по категориям, учитывали вероятность их появления в едином воздушном пространстве с самолетами, а также результаты компьютерного и натурного испытаний столкновения дронов и лайнеров. Кроме того, индивидуальная степень опасности оценивалась для каждого беспилотного аппарата по четырем пунктам: повреждения корпуса, угроза жизни пассажиров, угроза жизни экипажа, угроза нарушения расписания полетов. Для упрощения оценки исследователи вели расчеты для самолетов, летящих на скорости в 340 узлов (630 километров в час) на высоте трех тысяч метров и более и на скорости в 250 узлов на меньшей высоте.

По итогам всех вычислений участники европейской рабочей группы пришли к выводу, что малые дроны на высоте до трех тысяч метров практически не представляют угрозы для пассажирских самолетов. Дело в том, что такие аппараты на большую высоту, где они могут столкнуться с самолетом, поднимаются крайне редко. Кроме того, они имеют очень маленькую массу. Средние дроны, по оценке специалистов, не представляют серьезной угрозы для лайнеров. Лишь если аппарат массой 1,5 килограмма (такую массу имеет большая часть любительских дронов) столкнется с самолетом на высоте более трех тысяч метров, он может угрожать безопасности полетов. Крупные аппараты признаны опасными для пассажирских самолетов на всех высотах полетов.

По итогам натурных испытаний выяснилось, что в случае столкновения с дронами наибольшие повреждения могут получить ветровые стекла лайнеров, носовые обтекатели, передние кромки крыла, а также двигатели. В целом же ущерб от дронов массой до 1,5 килограмма может быть сопоставим с ущербом от птиц, с которыми самолеты регулярно сталкиваются в воздухе. Теперь же европейские специалисты готовятся к расширенному исследованию. На этот раз будут изучаться повреждения, которые дроны могут наносить двигателям пассажирских самолетов, а также оцениваться вероятность попадания аккумуляторов в технологические отверстия.

К слову, ранее ученые из Политехнического университета Вирджинии провели компьютерное моделирование ситуаций, в которых различные дроны попадают в работающий авиационный двигатель. Исследователи пришли к выводу, что серьезную опасность для движков представляют аппараты массой более 3,6 килограмма. Попав в двигатель, они будут разрушать лопатки вентилятора и разрушаться сами. Затем фрагменты лопаток вентилятора и дрона попадут во внешний воздушный контур, откуда их выбросит наружу, а также во внутренний контур - компрессор, камеру сгорания и зону турбины. Скорость обломков внутри движка может достигать 1150 километров в час. Таким образом, при столкновении при взлете с беспилотником массой 3,6 килограмма двигатель полностью перестанет работать меньше чем за секунду.

Между тем итоги британского исследования были подведены в середине текущего года - в июле компания QinetiQ, проводившая работы, передала отчет Национальной службе управления воздушным движением Великобритании. В исследовании, проводившемся британской компанией, использовалась специально спроектированная пневматическая пушка, которая с заданными скоростями выстреливала дронами и их деталями в передние части списанных самолетов и вертолетов. Для стрельбы использовались квадрокоптеры массой 0,4, 1,2 и 4 килограмма, а также беспилотники самолетного типа массой до 3,5 килограмма. По итогам стрельб специалисты пришли к выводу, что любые дроны опасны для легких самолетов и вертолетов, не имеющих специального сертификата защищенности от столкновений с птицами.

Пассажирские самолеты с защитой от птиц могут получить серьезные повреждения от дронов при полете на крейсерской скорости, которая составляет от 700 до 890 километров в час. К серьезным повреждениям исследователи отнесли разрушение ветровых стекол при столкновении с тяжелыми частями дронов - металлическими деталями корпуса, камерой и аккумулятором. Эти детали, пробив ветровое стекло, могут залететь в кабину пилотов, повредить панели управления и ранить летчиков. Опасными для лайнеров были сочтены аппараты массой от двух до четырех килограммов. Следует отметить, что крейсерскую скорость пассажирские самолеты развивают уже на большой высоте (обычно около десяти тысяч метров), на которую любительские дроны подниматься просто неспособны.

По данным компании QinetiQ, дроны массой четыре килограмма могут быть опасными для пассажирских самолетов на небольших скоростях полета, например при заходе на посадку. При этом тяжесть повреждений самолета во многом зависит от конструкции дрона. Так, во время испытаний выяснилось, что беспилотники с камерой, размещенной на подвесе под корпусом, имеют небольшие шансы пробить ветровое стекло пассажирского самолета. Дело в том, что при столкновении о стекло сперва ударится камера на подвесе, а затем уже корпус беспилотника. При этом камера и ее подвес сыграют роль своего рода амортизатора, приняв на себя часть энергии удара. Как ожидается, британские авиационные власти, выступающие за резкое ужесточение правил полетов дронов, закажут проведение дополнительного исследования.

Часть серийно выпускаемых сегодня дронов уже имеет функцию геозонирования. Это означает, что аппарат постоянно обновляет базу данных зон, закрытых для полетов беспилотников. В такой зоне беспилотник просто не взлетит. Однако помимо серийных аппаратов существуют и самодельные дроны, которые могут залетать в воздушное пространство аэропортов. И их довольно много. В целом же до сих пор ни одного случая столкновения самолета с дроном зарегистрировано не было, но это всего лишь вопрос времени. И даже если малые беспилотники и не представляют серьезной угрозы для пассажирских самолетов, они все равно могут оказать негативное влияние на авиацию, увеличив и без того немалые расходы компаний на ремонт лайнеров.

Василий Сычёв

Удивительное зрелище – конус пара, появляющийся вокруг самолета, который летит на околозвуковой скорости. Этот удивительный эффект, известный как эффект Прандтля - Глоерта, заставляет глаза широко раскрыться, а челюсть – отвиснуть. Но в чем его суть?

(Всего 12 фото)

1. Вопреки всеобщему мнению, этот эффект появляется не тогда, когда самолет преодолевает звуковой барьер. Эффект Прандтля - Глоерта также часто ассоциируют со сверхзвуковым хлопком, что тоже не верно. Двигатели самолетов со сверхвысоким обходом могут создавать этот эффект на скорости взлета, потому что входное устройство двигателя имеет низкое давление, а лопатки вентилятора сами по себе работают на околозвуковой скорости.

2. Причина его возникновения заключается в том, что летящий на высокой скорости самолёт создает область повышенного давления воздуха впереди себя и область пониженного давления позади. После пролёта самолёта область пониженного давления начинает заполняться окружающим воздухом. При этом в силу достаточно высокой инерции воздушных масс сначала вся область низкого давления заполняется воздухом из близлежащих областей, прилегающих к области низкого давления.

3. Представьте объект, движущийся на околозвуковой скорости. Околозвуковая скорость отличается от скорости звука. Звуковой барьер преодолевается на скорости 1235 км/час. Околозвуковая скорость ниже, выше или около скорости звука и может варьироваться от 965 до 1448 км/час. Поэтому этот эффект может появиться, когда самолет движется со скоростью, меньшей скорости звука или равной ей.

4. И все же все дело в звуке – именно от него зависит «видимость» этого парового конуса за самолетом. Форма конуса образуется силой звука (в случае с самолетами), движущейся быстрее, чем звуковые волны, которые она производит. Эффект Прандтля - Глоерта возникает в результате волновой природы звуков.

5. Опять же, подумайте о самолете, как об источнике, а о звуке – как о гребне волны. Эти гребни звуковых волн представляют собой серию или оболочку накладывающихся друг на друга кругов. Когда волны накладываются друг на друга, создается форма конуса, а ее кончик – источник звука. Пока что невидимого.

6. Чтобы эффект стал видимым человеческому глазу, нужна еще одна вещь – влажность. Когда влажность достаточно высокая, воздух вокруг конуса конденсирует и образует облако, которое мы видим. Как только давление воздуха возвращается в нормальное состояние, облако исчезает. Эффект почти всегда возникает у самолетов, летящих летом над океаном – комбинация воды и жары дает нужный уровень влажности.

7. Здесь можно разрушить еще один . Некоторые считают, что эффект Прандтля - Глоерта возникает в результате сгорания топлива.

8. Наверное, вас можно понять, если вы считаете, что этот эффект – инверсионный след, то есть неестественное облако, появляющееся из конденсированного водяного пара, который производится выхлопами двигателя. Однако это не одно и то же. Водяной пар уже есть там – он уже в воздухе, еще до того, как через него пройдет самолет.

9. Стоит также упомянуть давление воздуха. Когда самолет движется на околозвуковой скорости, давление воздуха вокруг называется N-волной, потому что когда давление зависит от времени, результат похож на букву N.

10. Если бы мы могли замедлить взрывную волну, проходящую через нас, мы бы увидели ведущий компонент сжатия. Это начало N. Горизонтальная палочка возникает, когда давление опускается, а когда нормальное давление атмосферы возвращается в финальную точку, создается буква N.

11. Эффект назван в честь двух выдающихся ученых, открывших это явление. Людвиг Прандтль (1875 – 1953) был немецким ученым, изучавшим развитие систематического математического анализа в аэродинамике. Герман Глоерт (1892 – 1934) был британским ученым-аэродинамиком.

12. Хотите верьте, хотите нет, но вы сами можете создать этот эффект. Вам нужно всего две вещи: кнут и день с высокой влажностью воздуха. Если вы сможете лихо хлестнуть кнутом, как Индиана Джонс, вы увидите подобный эффект. Хотя, дома это пробовать не стоит.

Прошел звуковой барьер:-)...

Прежде чем пуститься в разговоры по теме, внесем некоторую ясность в вопрос о точности понятий (то, что мне нравится:-)). Сейчас в достаточно широком употреблении находятся два термина: звуковой барьер и сверхзвуковой барьер . Звучат они похоже, но все же неодинаково. Однако, строгости особой разводить смысла нет: по сути это одно и то же. Определением звуковой барьер пользуются чаще всего люди более сведущие и более близкие к авиации. А вторым определением обычно все остальные.

Я думаю, что с точки зрения физики (и русского языка:-)) более правильно говорить все же звуковой барьер. Здесь простая логика. Ведь существует понятие скорость звука , а фиксированного понятия скорость сверхзвука, строго говоря, нет. Чуть забегая вперед скажу, что когда летательный аппарат летит на сверхзвуке, то он уже этот барьер прошел, а когда он его проходит (преодолевает), то он при этом проходит некое пороговое значение скорости, равное скорости звука (а не сверхзвука).

Вот как-то так:-). При этом первое понятие употребляется значительно реже, чем второе. Это, видимо, оттого, что слово сверхзвуковой звучит более экзотично и привлекательно. А в сверхзвуковом полете экзотика безусловно присутствует и, естественно, привлекает многих. Однако далеко не все люди, смакующие слова «сверхзвуковой барьер » понимают на самом деле, что же такое. Не раз уже в этом убеждался, заглядывая на форумы, читая статьи даже смотря телевизор.

Вопрос этот на самом деле с точки зрения физики достаточно сложен. Но мы в сложности, конечно, не полезем. Просто постараемся, как обычно, прояснить ситуацию используя принцип «объяснения аэродинамики на пальцах»:-).

Итак, к барьеру (звуковому:-))!… Самолет в полете, воздействуя на такую упругую среду, как воздух, становится мощным источником звуковых волн . Что такое звуковые волны в воздухе знают, я думаю, все:-).

Звуковые волны (камертон).

Это чередование областей сжатия и разрежения, распространяющихся в разные стороны от источника звука. Примерно как круги на воде, которые тоже как раз волнами и являются (только не звуковыми:-)). Именно такие области, воздействуя на барабанную перепонку уха, позволяют нам слышать все звуки этого мира, от человеческого шепота до грохота реактивных двигателей.

Пример звуковых волн.

Точками распространения звуковых волн могут быть различные узлы самолета. Например двигатель (его звук известен любому:-)), или детали корпуса (например, носовая часть), которые, уплотняя перед собой воздух при движении, создают определенного вида волны давления (сжатия), бегущие вперед.

Все эти звуковые волны распространяются в воздушной среде с уже известной нам скоростью звука. То есть если самолет дозвуковой, да еще и летит на малой скорости, то они от него как бы убегают. В итоге при приближении такого самолета мы слышим сначала его звук, а потом уже пролетает он сам.

Оговорюсь, правда, что это справедливо, если самолет летит не очень высоко. Ведь скорость звука – это не скорость света:-). Величина ее не столь велика и звуковым волнам нужно время, чтобы дойти до слушателя. Поэтому очередность появления звука для слушателя и самолета, если тот летит на большой высоте может измениться.

А раз звук не так уж и быстр, то с увеличением собственной скорости самолет начинает догонять волны им испускаемые. То есть, если бы он был неподвижен, то волны расходились бы от него в виде концентрических окружностей , как круги на воде от брошенного камня. А так как самолет движется, то в секторе этих кругов, соответствующем направлению полета, границы волн (их фронты ) начинают сближаться.

Дозвуковое движение тела.

Соответственно, промежуток между самолетом (его носовой частью) и фронтом самой первой (головной) волны (то есть это та область, где происходит постепенное, в известной степени, торможение набегающего потока при встрече с носовой частью самолета (крыла, хвостового оперения) и, как следствие, увеличение давления и температуры ) начинает сокращаться и тем быстрее, чем больше скорость полета.

Наступает такой момент, когда этот промежуток практически исчезает (или становится минимальным), превращаясь в особого рода область, которую называют скачком уплотнения . Это происходит тогда, когда скорость полета достигает скорости звука, то есть самолет движется с той же скоростью, что и волны им испускаемые. Число Маха при этом равно единице (М=1 ).

Звуковое движение тела (М=1).

Скачок уплотнения , представляет собой очень узкую область среды (порядка 10 -4 мм ), при прохождении через которую происходит уже не постепенное, а резкое (скачкообразное) изменение параметров этой среды - скорости, давления, температуры, плотности . В нашем случае скорость падает, давление, температура и плотность растут. Отсюда такое название - скачок уплотнения.

Несколько упрощенно обо всем этом я бы еще сказал так. Сверхзвуковой поток резко затормозить невозможно, но ему это делать приходится, ведь уже нет возможности постепенного торможения до скорости потока перед самым носом самолета, как на умеренных дозвуковых скоростях. Он как бы натыкается на участок дозвука перед носом самолета (или носком крыла) и сминается в узкий скачок, передавая ему большую энергию движения, которой обладает.

Можно, кстати, сказать и наоборот, что самолет передает часть своей энергии на образование скачков уплотнения, чтобы затормозить сверхзвуковой поток.

Сверхзвуковое движение тела.

Есть для скачка уплотнения и другое название. Перемещаясь вместе с самолетом в пространстве, он представляет собой по сути дела фронт резкого изменения вышеуказанных параметров среды (то есть воздушного потока). А это есть суть ударная волна .

Скачок уплотнения и ударная волна, вобщем-то, равноправные определения, но в аэродинамике более употребимо первое.

Ударная волна (или скачок уплотнения) могут быть практически перпендикулярными к направлению полета, в этом случае они принимают в пространстве приблизительно форму круга и называются прямыми . Это обычно бывает на режимах, близких к М=1 .

Режимы движения тела. ! - дозвук, 2 - М=1, сверхзвук, 4 - ударная волна (скачок уплотнения).

При числах М > 1 они уже располагаются под углом к направлению полета. То есть самолет уже перегоняет собственный звук. В этом случае они называются косыми и в пространстве принимают форму конуса, который, кстати, носит название конуса Маха , по имени ученого, занимавшегося исследованиями сверхзвуковых течений (упоминал о нем в одной из ).

Конус Маха.

Форма этого конуса (его так сказать «стройность») как раз и зависит от числа М и связана с ним соотношением: М= 1/sin α , где α – это угол между осью конуса и его образующей. А коническая поверхность касается фронтов всех звуковых волн, источником которых стал самолет, и которые он «обогнал», выйдя на сверхзвуковую скорость.

Кроме того скачки уплотнения могут быть также присоединенными , когда они примыкают к поверхности тела, двигающегося со сверхзвуковой скоростью или же отошедшими , если они с телом не соприкасаются.

Виды скачков уплотнения при сверхзвуковом обтекании тел различной формы.

Обычно скачки становятся присоединенными, если сверхзвуковой поток обтекает какие-либо остроконечные поверхности. Для самолета это, например, может быть заостренная носовая часть, ПВД, острый край воздухозаборника. При этом говорят «скачок садится », например, на нос.

А отошедший скачок может получиться при обтекании закругленных поверхностей, например, передней закругленной кромки толстого аэродинамического профиля крыла.

Различные узлы корпуса летательного аппарата создают в полете довольно сложную систему скачков уплотнения. Однако, наиболее интенсивные из них – два. Один головной на носовой части и второй – хвостовой на элементах хвостового оперения. На некотором расстоянии от летательного аппарата промежуточные скачки либо догоняют головной и сливаются с ним, либо их догоняет хвостовой.

Скачки уплотнения на модели самолета при продувке в аэродинамической трубе (М=2).

В итоге остаются два скачка, которые, вобщем-то, воспринимаются земным наблюдателем как один из-за небольших размеров самолета по сравнению с высотой полета и, соответственно,т небольшим промежутком времени между ними.

Интенсивность (другими словами энергетика ) ударной волны (скачка уплотнения) зависит от различных параметров (скорости движения летательного аппарата, его конструктивных особенностей, условий среды и др.) и определяется перепадом давления на ее фронте.

По мере удаления от вершины конуса Маха, то есть от самолета, как источника возмущений ударная волна ослабевает, постепенно переходит в обычную звуковую волну и в конечном итоге совсем исчезает.

А от того, какой степени интенсивностью будет обладать скачок уплотнения (или ударная волна), достигший земли зависит эффект, который он может там произвести. Ведь не секрет, что всем известный «Конкорд» летал на сверхзвуке только над Атлантикой, а военные сверхзвуковые самолеты выходят на сверхзвук на больших высотах или в районах, где отсутствуют населенные пункты (по крайней мере вроде как должны это делать:-)).

Эти ограничения очень даже оправданы. Для меня, например, само определение ударная волна ассоциируется со взрывом. И дела, которые достаточно интенсивный скачок уплотнения может наделать, вполне могут ему соответствовать. По крайней мере стекла из окон могут повылетать запросто. Свидетельств этому существует достаточно (особенно в истории советской авиации, когда она была достаточно многочисленной и полеты были интенсивными). Но ведь можно наделать дел и похуже. Стоит только полететь пониже:-)…

Однако в большинстве своем то, что остается от скачков уплотнения при достижении ими земли уже неопасно. Просто сторонний наблюдатель на земле может при этом услышать звук, схожий с грохотом или взрывом. Именно с этим фактом связаны одно расхожее и довольно стойкое заблуждение.

Люди, не слишком искушенные в авиационной науке, услышав такой звук, говорят, что это самолет преодолел звуковой барьер (сверхзвуковой барьер ). На самом деле это не так. Это утверждение не имеет ничего общего с действительностью по крайней мере по двум причинам.

Ударная волна (скачок уплотнения).

Во-первых, если человек, находящийся на земле, слышит высоко в небе гулкий грохот, то это означает, всего лишь, (повторяюсь:-)) что его ушей достиг фронт ударной волны (или скачок уплотнения ) от летящего где-то самолета. Этот самолет уже летит на сверхзвуковой скорости, а не только что перешел на нее.

И если этот же человек смог бы вдруг оказаться в нескольких километрах впереди по следованию самолета, то он опять бы услышал тот же звук от того же самолета, потому что попал бы под действие той же ударной волны, движущейся вместе с самолетом.

Она перемещается со сверхзвуковой скоростью, и по сему приближается бесшумно. А уже после того, как она окажет свое не всегда приятное воздействие на барабанные перепонки (хорошо, когда только на них:-)) и благополучно пройдет дальше, становится слышен гул работающих двигателей.

Примерная схема полета самолета при различных значениях числа М на примере истребителя Saab 35 "Draken". Язык, к сожалению, немецкий, но схема вобщем понятна.

Более того сам переход на сверхзвук не сопровождается никакими единовременными «бумами» , хлопками , взрывами и т.п. На современном сверхзвуковом самолете летчик о таком переходе чаще всего узнает только по показанию приборов. При этом происходит, однако, некий процесс, но он при соблюдении определенных правил пилотирования ему практически не заметен.

Но и это еще не все:-). Скажу больше. в виде именно какого-то ощутимого, тяжелого, труднопересекаемого препятствия, в который самолет упирается и который нужно «прокалывать» (слышал я и такие суждения:-)) не существует.

Строго говоря, вообще никакого барьера нет. Когда-то на заре освоения больших скоростей в авиации это понятие сформировалось скорее как психологическое убеждение о трудности перехода на сверхзвуковую скорость и полете на ней. Появились даже высказывания о том, что это вообще невозможно, тем более, что предпосылки к такого рода убеждениям и высказываниям были вполне конкретные.

Однако, обо всем по порядку…

В аэродинамике существует другой термин, который достаточно точно описывает процесс взаимодействия с воздушным потоком тела, движущегося в этом потоке и стремящегося перейти на сверхзвук. Это волновой кризис . Именно он как раз и делает некоторые нехорошие вещи, которые традиционно ассоциируют с понятием звуковой барьер .

Итак кое-что о кризисе:-). Любой летательный аппарат состоит из частей, обтекание которых воздушным потоком в полете может быть не одинаково. Возьмем, к примеру, крыло, точнее обыкновенный классический дозвуковой профиль .

Из основ знаний о том, как образуется подъемная сила нам хорошо известно, что скорость потока в прилежащем слое верхней криволинейной поверхности профиля разная. Там где профиль более выпуклый она больше общей скорости потока, далее, когда профиль уплощается она снижается.

Когда крыло движется в потоке на скоростях, близких к скорости звука, может наступить момент, когда в такой вот, к примеру, выпуклой области скорость слоя воздуха, которая уже итак больше общей скорости потока, становится звуковой и даже сверхзвуковой.

Местный скачок уплотнения, возникающий на трансзвуке при волновом кризисе.

Дальше по профилю эта скорость снижается и в какой-то момент опять становится дозвуковой. Но, как мы уже говорили выше, быстро затормозиться сверзвуковое течение не может, поэтому неизбежно возникновение скачка уплотнения .

Такие скачки появляются на разных участках обтекаемых поверхностей, и первоначально они достаточно слабы, но количество их может быть велико, и с ростом общей скорости потока увеличиваются зоны сверхзвука, скачки «крепнут» и сдвигаются к задней кромке профиля. Позже такие же скачки уплотнения появляются на нижней поверхности профиля.

Полное сверхзвуковое обтекание профиля крыла.

Чем все это чревато? А вот чем. Первое – это значительный рост аэродинамического сопротивления в диапазоне трансзвуковых скоростей (около М=1, более или менее). Это сопротивление растет за счет резкого увеличения одной из его составляющих – волнового сопротивления . Того самого, которое мы ранее при рассмотрении полетов на дозвуковых скоростях во внимание не принимали.

Для образования многочисленных скачков уплотнения (или ударных волн) при торможении сверхзвукового потока, как я уже говорил выше, тратится энергия, и берется она из кинетической энергии движения летательного аппарата. То есть самолет элементарно тормозится (и очень ощутимо!). Это и есть волновое сопротивление.

Более того, скачки уплотнения из-за резкого торможения потока в них, способствуют отрыву пограничного слоя после себя и превращения его из ламинарного в турбулентный . Это еще более увеличивает аэродинамическое сопротивление.

Отекание профиля при различных числах М. Скачки уплотнения, местные зоны сверхзвука, турбулентные зоны.

Второе . Из-за появления местных сверхзвуковых зон на профиле крыла и дальнейшем их сдвиге к хвостовой части профиля с увеличением скорости потока и, тем самым, изменения картины распределения давления на профиле, точка приложения аэродинамических сил (центр давления) тоже смещается к задней кромке. В результате появляется пикирующий момент относительно центра масс самолета, заставляющий его опустить нос.

Во что все это выливается… Из-за довольно резкого роста аэродинамического сопротивления самолету требуется ощутимый запас мощности двигателя для преодоления зоны трансзвука и выхода на, так сказать, настоящий сверхзвук.

Резкое возрастание аэродинамического сопротивления на трансзвуке (волновой кризис) за счет роста волнового сопротивления. Сd - коэффициент сопротивления.

Далее. Из-за возникновения пикирующего момента появляются сложности в управлении по тангажу. Кроме того из-за неупорядоченности и неравномерности процессов, связанных с возникновением местных сверхзвуковых зон со скачками уплотнения тоже затрудняется управление . Например по крену, из-за разных процессов на левой и правой плоскостях.

Да еще плюс возникновение вибраций , часто довольно сильных из-за местной турбулизации.

Вобщем, полный набор удовольствий, который носит название волновой кризис . Но, правда, все они имеют место (имели,конкретное:-)) при использовании типичных дозвуковых самолетов (с толстым профилем прямого крыла) с целью достижения сверхзвуковых скоростей.

Первоначально, когда еще не было достаточно знаний, и не были всесторонне исследованы процессы выхода на сверхзвук, этот самый набор считался чуть ли не фатально непреодолимым и получил название звуковой барьер (или сверхзвуковой барьер , если хотите:-)).

При попытках преодоления скорости звука на обычных поршневых самолетах было немало трагических случаев. Сильная вибрация порой приводила к разрушениям конструкции. Самолетам не хватало мощности для требуемого разгона. В горизонтальном полете он был невозможен из-за эффекта , имеющего ту же природу, что и волновой кризис .

Поэтому для разгона применяли пикирование. Но оно вполне могло стать фатальным. Появляющийся при волновом кризисе пикирующий момент делал пике затяжным , и из него, иной раз, не было выхода. Ведь для восстановления управления и ликвидации волнового кризиса необходимо было погасить скорость. Но сделать это в пикировании крайне трудно (если вообще возможно).

Затягивание в пикирование из горизонтального полета считается одной из главных причин катастрофы в СССР 27 мая 1943 года известного экспериментального истребителя БИ-1 с жидкостным ракетным двигателем. Проводились испытания на максимальную скорость полета, и по оценкам конструкторов достигнутая скорость была больше 800 км/ч . После чего произошло затягивание в пике, из которого самолет не вышел.

Экспериментальный истребитель БИ-1.

В наше время волновой кризис уже достаточно хорошо изучен и преодоление звукового барьера (если это требуется:-)) особого труда не составляет. На самолетах, которые предназначены для полетов с достаточно большими скоростями применены определенные конструктивные решения и ограничения, облегчающие их летную эксплуатацию.

Как известно, волновой кризис начинается при числах М, близких к единице. Поэтому практически все реактивные дозвуковые лайнеры (пассажирские, в частности) имеют полетное ограничение по числу М . Обычно оно находится в районе 0,8-0,9М . Летчику предписывается следить за этим. Кроме того на многих самолетах при достижении уровня ограничения , после чего скорость полета должна быть снижена.

Практически все самолеты, летающие на скоростях как минимум 800 км/ч и выше имеют стреловидное крыло (по крайней мере по передней кромке:-)). Оно позволяет отодвинуть начало наступления волнового кризиса до скоростей, соответствующих М=0,85-0,95 .

Стреловидное крыло. Принципиальное действие.

Причину такого эффекта можно объяснить достаточно просто. На прямое крыло воздушный поток со скоростью V набегает практически под прямым углом, а на стреловидное (угол стреловидности χ ) под некоторым углом скольжения β . Скорость V можно в векторном отношении разложить на два потока: Vτ и Vn .

Поток Vτ не влияет на распределение давления на крыле, зато это делает поток Vn, как раз и определяющий несущие свойства крыла. А он заведомо меньше по величине общего потока V. Поэтому на стреловидном крыле наступление волнового кризиса и рост волнового сопротивления происходит ощутимо позже, чем на прямом крыле при той же скорости набегающего потока.

Экспериментальный истребитель Е-2А (предшественник МИГ-21). Типичное стреловидное крыло.

Одной из модификаций стреловидного крыла стало крыло со сверхкритическим профилем (упоминал о нем ). Оно тоже позволяет сдвинуть начало волнового кризиса на большие скорости, кроме того позволяет повысить экономичность, что немаловажно для пассажирских лайнеров.

SuperJet 100. Стреловидное крыло со сверхкритическим профилем.

Если же самолет предназначен для перехода звукового барьера (проходя и волновой кризис тоже:-)) и полета на сверхзвуке, то он обычно всегда отличается определенными конструктивными особенностями. В частности, обычно имеет тонкий профиль крыла и оперения с острыми кромками (в том числе ромбовидный или треугольный) и определенную форму крыла в плане (например, треугольную или трапециевидную с наплывом и т.д.).

Сверхзвуковой МИГ-21. Послелователь Е-2А. Типичное треугольное в плане крыло.

МИГ-25. Пример типичного самолета, созданного для полета на сверхзвуке. Тонкие профили крыла и оперения, острые кромки. Трапециевидное крыло. профиль

Прохождение пресловутого звукового барьера , то есть переход на сверхзвуковую скорость такие самолеты осуществляют на форсажном режиме работы двигателя в связи с ростом аэродинамического сопротивления, ну и, конечно, для того, чтобы быстрее проскочить зону волнового кризиса . И сам момент этого перехода чаще всего никак не ощущается (повторяюсь:-)) ни летчиком (у него разве что может снизиться уровень звукового давления в кабине), ни сторонним наблюдателем, если бы, конечно, он мог за этим наблюдать:-).

Однако, здесь стоит сказать еще об одном заблуждении, со сторонними наблюдателями связанным. Наверняка многие видели такого рода фотографии, подписи под которыми гласят, что это есть момент преодоления самолетом звукового барьера , так сказать, визуально.

Эффект Прандтля-Глоэрта. Не связан с прохождением звукового барьера.

Во-первых , мы уже знаем, что звукового барьера, как такового-то и нет, и сам переход на сверхзвук ничем таким сверхординарным (в том числе и хлопком или взрывом) не сопровождается.

Во-вторых . То, что мы видели на фото – это так называемый эффект Прандтля-Глоэрта . Я о нем уже писал . Он никак напрямую не связан с переходом на сверхзвук. Просто на больших скоростях (дозвуковых, кстати:-)) самолет, двигая перед собой определенную массу воздуха создает сзади некоторую область разрежения . Сразу после пролета эта область начинает заполняться воздухом из близлежащего пространства с естественным увеличением объема и резким падением температуры.

Если влажность воздуха достаточна и температура падает ниже точки росы окружающего воздуха, то происходит конденсация влаги из водяных паров в виде тумана, который мы и видим. Как только условия восстанавливаются до исходных, этот туман сразу исчезает. Весь этот процесс достаточно скоротечен.

Такому процессу на больших околозвуковых скоростях могут способствовать местные скачки уплотнени я, иногда помогая формировать вокруг самолета нечто похожее на пологий конус.

Большие скорости благоприятствуют этому явлению, однако, если влажность воздуха окажется достаточной, то оно может возникнуть (и возникает) на довольно малых скоростях . Например, над поверхностью водоемов. Большинство, кстати, красивых фото такого характера сделаны с борта авианосца, то есть в достаточно влажном воздухе.

Вот так и получается. Кадры, конечно, классные, зрелище эффектное:-), но это совсем не то, чем его чаще всего называют. здесь совсем не при чем (и сверхзвуковой барьер тоже:-)). И это хорошо, я думаю, иначе наблюдателям, которые делают такого рода фото и видео могло бы не поздоровиться. Ударная волна , знаете ли:-)…

В заключении один ролик (ранее я его уже использовал), авторы которого показывают действие ударной волны от самолета, летящего на малой высоте со сверхзвуковой скоростью. Определенное преувеличение там, конечно, присутствует:-), но общий принцип понятен. И опять же эффектно:-)…

А на сегодня все. Спасибо, что дочитали статью до конца:-). До новых встреч…

Фотографии кликабельны.

Многие люди боятся летать самолетами. Психологи утверждают, что существует даже такое понятие, как «аэрофобия». Пациенты с таким диагнозом испытывают настоящий ужас от одной только мысли о том, чтобы подняться в воздух. Самые сильные негативные эмоции вызывают попадания в воздушные ямы и турбулентность. Подобные моменты неприятны даже для тех, кто не испытывает страха перед полетами. Однако пилоты утверждают, что на самом деле это вполне обычное природное явление, которое можно объяснить научным языком, и никакой беды оно пассажирам авиалайнера не принесет. Сегодня мы решили рассказать вам, что такое на самом деле воздушная яма, и стоит ли ее бояться.

Объяснение термина

Обычному человеку довольно сложно понять, что же на самом деле представляет собой воздушная яма. Каждый понимает, что в небе не существует шоссе и дорожное покрытие, а, следовательно, не может быть никаких ям. К примеру, когда речь идет об управлении автомобилем любому абсолютно ясно, что на дороге может возникнуть препятствие либо яма, которую опытный водитель сможет обрулить. А вот как быть, если вы попали в воздушную яму? Можно ли ее миновать? И насколько она опасна? На все эти вопросы мы ответим в следующих разделах статьи. Но давайте разбираться в этой непростой теме постепенно.

Ученые уже давно выяснили, что воздушные потоки неоднородны. Они имеют разную направленность, температуру и даже плотность. Все это сказывается на авиалайнерах, следующих по определенным маршрутам. В случае когда самолет встречает на пути потоки более низкой температуры, создается полная иллюзия кратковременного падения. Тогда мы обычно говорим, что судно провалилось в воздушную яму. Однако на самом деле это всего лишь иллюзия, которую легко объяснить с помощью современной науки.

Нисходящие и восходящие потоки

Чтобы понять, как образуются воздушные ямы, необходимо получить полное представление о движении воздушных потоков. Согласно законам физики, нагретый воздух всегда поднимается вверх, а охлажденный опускается вниз. Теплые потоки называют восходящими, они всегда стремятся ввысь. А холодный воздух принято считать нисходящим, и он подобно воронке тянет вниз все, что попадается ему на пути.

Именно из-за движения этих потоков образуются столь нелюбимые пассажирами воздушные ямы при полете. Они заставляют путешественников испытать очень неприятные ощущения, которые многие долго не могут забыть.

Принцип образования воздушных ям

Несмотря на то что современная авиастроительная промышленность уже давно оснастила свои новые лайнеры обилием технологических новинок, призванных сделать полет комфортным и безопасным, до сих пор никому не удалось избавить пассажиров от неприятных ощущений, вызванных нисходящими воздушными массами. Итак, самолет попал в воздушную яму. Что происходит с ним в этот момент?

Даже во время полета в хороших погодных условиях авиалайнер может натолкнуться на поток холодного воздуха. Так как он является нисходящим, то начинает существенно тормозить скорость подъема самолета. Примечательно, что по прямой он идет с прежними показателями, однако немного теряет высоту. Обычно это длится всего лишь несколько мгновений.

Затем авиалайнер встречается с восходящим потоком, который начинает выталкивать его вверх. Это позволяет воздушному судну набрать прежнюю высоту и продолжить полет в штатном режиме.

Ощущения пассажиров

Тем, кто никогда не попадал в воздушные ямы довольно сложно понять, что чувствуют пассажиры самолетов. Обычно люди жалуются на то, что они испытывают спазмы в желудке, подступающую к горлу тошноту и даже, длящуюся доли секунд, невесомость. Все это сопровождается иллюзией падения, которая воспринимается максимально реалистично. Совокупность ощущений приводит к неконтролируемому страху, именно он в дальнейшем не позволяет большинству людей спокойно переносить перелеты и вызывает аэрофобию.

Стоит ли паниковать?

К сожалению, ни один самый высокопрофессиональный пилот не сможет миновать воздушную яму. Ее невозможно облететь и даже марка и класс самолета не смогут уберечь пассажиров от неприятных впечатлений.

Пилоты утверждают, что в момент попадания в нисходящий поток самолет на время теряет управление. Но паниковать из-за этого не стоит, подобная ситуация длится не более нескольких секунд и кроме неприятных ощущений ничем не грозит путешественникам.

Однако необходимо знать, что в воздушной яме авиалайнер испытывает серьезное давление. В этот момент самолет попадает в «болтанку» или турбулентность, которая, в свою очередь, добавляет испуганным пассажирам неприятных ощущений.

Кратко о турбулентности

Данное явление доставляет путешественникам массу неудобств, но на самом деле оно не опасно и не может привести к крушению авиалайнера. Считается, что нагрузки на самолет во время турбулентности ничуть не выше чем на автомобиль, который движется по неровной дороге.

Зона турбулентности образуется тогда, когда встречаются воздушные потоки с разной скоростью. В этот момент образуются вихревые волны, которые вызывают «болтанку». Примечательно, что на некоторых маршрутах турбулентность возникает регулярно. Например, во время полетов над горами самолет всегда трясет. Подобные зоны бывают довольно продолжительными, и «болтанка» может длиться от нескольких минут до получаса.

Причины турбулентности

О самой распространенной причине возникновения «болтанки» мы уже рассказали, но, помимо этого, вызвать ее могут и другие факторы. К примеру, пролетевший впереди воздушный лайнер часто способствует образованию завихрений, а они, в свою очередь, формируют зону турбулентности.

Недалеко от поверхности земли воздух прогревается неравномерно, поэтому и создаются вихревые потоки, которые становятся причиной турбулентности.

Примечательно, что пилоты сравнивают полеты в облаках движению по шоссе с ямами и ухабами. Поэтому в облачную погоду пассажиры чаще всего испытывают все «прелести» перелета в трясущемся самолете.

Опасности турбулентности

Большинство пассажиров на полном серьезе считают, что турбулентность может нарушить герметичность салона и привести к крушению. Но на самом деле это самое безопасное явление из всех возможных. История авиаперевозок не знает случая, когда попадание в «болтанку» привело бы к фатальным последствиям.

Авиаконструкторы всегда закладывают в корпус самолета определенный запас прочности, который вполне спокойно выдержит и турбулентность, и грозу. Конечно, подобное явление вызывает у пассажиров тревогу, неприятные эмоции и даже панику. Но на самом деле необходимо просто спокойно переждать этот момент, не поддаваясь собственному страху.

Как вести себя во время полета: несколько простых правил

Если вы очень боитесь летать, а мысли о воздушных ямах и турбулентности вызывают у вас чувство ужаса, то постарайтесь соблюдать ряд простых правил, которые существенно облегчат ваше состояние:

• не употребляйте алкоголь во время полета, он только усугубит неприятные эмоции;
• постарайтесь пить воду с лимоном, она снимет приступы тошноты при попадании в воздушные ямы;
• перед путешествием настройте себя на позитивный лад, иначе вы все время будете мучиться от предчувствий и негативных эмоций;
• обязательно пристегивайтесь ремнями, во время прохождения зоны турбулентности пассажиры могут быть травмированы;
• если вы очень сильно боитесь летать, то выбирайте более крупные модели самолетов, которые менее чувствительны к разного рода тряскам.

Надеемся, что после прочтения нашей статьи ваш страх перед перелетами станет менее острым, а ваше следующее воздушное путешествие пройдет легко и приятно.