В материале, опубликованном учёными из Stevens Institute of Technology со ссылкой на исследование в журнале Nature Communications, показано, что турбулентность на скорости около шести чисел Маха ведёт себя почти так же, как и на низких скоростях, что открывает путь к созданию гиперзвуковых самолётов нового поколения, пишет КТРК.
Гиперзвуковые перелёты долгое время оставались на уровне фантастики, однако новое экспериментальное подтверждение гипотезы Морковина делает перспективу часовых полётов между континентами куда более реальной. Если расчёты подтвердятся в инженерных испытаниях, путешествие из Сиднея в Лос-Анджелес, которое сейчас занимает до пятнадцати часов, может сократиться до скорости обычного фильма.
Как гиперзвук превращается из теории в практику
Концепция гиперзвуковых полётов опирается на способность воздушных судов преодолевать скорости от пяти до десяти чисел Маха. Военные самолёты уже достигают в два или три раза скорости звука, однако для межконтинентального перелёта за час требуется совершенно иной уровень технологий. Вопрос не только в мощности двигателя — главная проблема заключается в нагреве и турбулентности, возникающих на экстремальных скоростях.
На сверхвысоких скоростях воздух начинает вести себя иначе, переходя из несжимаемого в сжимаемый режим. Это изменяет плотность, температуру и давление в окружающих потоках, что влияет на подъёмную силу, сопротивление и манёвренность. Инженерам приходится учитывать эти эффекты, создавая модели, которые далеко выходят за рамки обычных аэродинамических расчётов.
Почему гипотеза Морковина стала ключом к прорыву
Гипотеза Морковина, предложенная в середине XX века, утверждает, что структура турбулентности в потоках на высоких скоростях остаётся похожей на турбулентность при низких скоростях, несмотря на перемены в плотности и температуре воздуха. Если это так, то инженерам не нужно создавать принципиально новые подходы для расчёта поведения самолёта на гиперзвуке: достаточно адаптировать существующие модели.
До последнего времени не существовало убедительных экспериментальных доказательств этой гипотезы. Новое исследование восполнило этот пробел, используя лазеры и криптон — газ, который помогает «подсветить» структуру турбулентного потока. Учёные воссоздали условия, при которых можно наблюдать изгибы и вихревые структуры воздуха на скорости около шести чисел Маха, и результаты оказались удивительно близки к поведению потока при малых скоростях.
Как работает эксперимент с лазером и криптоном
Чтобы проверить гипотезу, исследователи подали криптон в воздушный поток внутри аэродинамической установки, а затем ионизировали его лазером, превращая газ в яркую светящуюся линию. При движении потока криптон искривлялся, разрывался и закручивался, позволяя зафиксировать мельчайшие особенности турбулентности с помощью высокоскоростных камер.
Этот метод оказался настолько точным, что позволил учёным отслеживать микроскопические изменения в структуре потока. После одиннадцати лет работы над установкой исследователи пришли к выводу, что на скорости шесть чисел Маха турбулентность действительно очень похожа на несжимаемый поток. Это означает, что вычислительные модели могут быть упрощены, а значит, станет легче проектировать новые воздушные суда.
Путь к гиперзвуковым самолётам и новым способам выхода в космос
Если гипотеза Морковина действительно подтвердится в дальнейших исследованиях, создание гиперзвуковых самолётов станет значительно проще. Сейчас моделирование каждого мини-вихря вокруг корпуса самолёта требует огромных вычислительных ресурсов, и такие симуляции невозможны даже для самых современных суперкомпьютеров. Но упрощённые модели позволят ускорить разработку и приблизить технологию к коммерческому использованию.
Более того, гиперзвуковые аппараты могут изменить подход к покорению космоса. Если самолёт сможет двигаться со скоростью шесть–десять чисел Маха, то он сможет выходить в космос «планирующим» способом, что сделает транспортировку грузов на низкую околоземную орбиту дешевле и безопаснее. Это может стать переломным моментом как для авиации, так и для освоения космического пространства.
Какие препятствия предстоит преодолеть
Несмотря на значительный прогресс, разработчикам гиперзвукового транспорта ещё предстоит решить множество задач. Среди них — защита корпуса от экстремального нагрева, подбор материалов, способных выдерживать температурные и механические нагрузки, а также разработка новых двигательных систем. Но главное — подтверждение экспериментальных данных в реальных условиях.
Учёные уверены: если гипотеза Морковина будет окончательно подтверждена, человечество окажется на пороге новой транспортной эпохи, где сутки пути заменит один короткий перелёт, а границы между континентами станут почти незаметными.
Напомним, ранее мы писали про то, что, учёные опровергли слухи о взрыве космического корабля «Комета-3И Атлас».
