Перспектива сокращения многочасовых перелетов до всего одного часа стала значительно ближе. Группа исследователей под руководством профессора Николоса Парциале из Технологического института Стивенса в США представила экспериментальное подтверждение давней гипотезы, которая может упростить конструкцию гиперзвуковых самолетов. Гиперзвуковой полет определяется как движение со скоростью, в пять раз превышающей скорость звука (Маха 5) или более. Это может кардинально изменить глобальные путешествия. Например, длительный перелет из Сиднея в Лос-Анджелес можно будет сократить с 15 часов до одного. Как отметил Парциале, это действительно сожмет планету, сделает путешествия быстрее, проще и приятнее.
Для достижения таких результатов, как перелет из Лос-Анджелеса в Сидней за час, самолеты должны достигать скорости Маха 10. Главное препятствие на этом пути заключается в понимании поведения воздуха на сверхвысоких скоростях. На обычных скоростях плотность воздуха остается относительно постоянной, что известно как несжимаемое течение. Однако на скоростях выше скорости звука воздух становится сжимаемым, его плотность значительно меняется в зависимости от давления и температуры. Это изменяет взаимодействие самолета с воздухом, влияя на такие факторы, как подъемная сила, сопротивление и тяга. Как пояснил Парциале, газ способен «сжиматься», и эта сжимаемость усложняет проектирование самолетов.
Ключевой теоретической основой долгое время служила гипотеза Морковина, сформулированная в середине XX века. Она предполагает, что базовая турбулентная структура течения остается схожей при низких и высоких скоростях, несмотря на изменения плотности и температуры на высоких скоростях. Если гипотеза верна, это означает, что для понимания турбулентности на высоких скоростях не требуются совершенно новые подходы — можно использовать те же концепции, что и для более медленных течений.
До сих пор экспериментальные доказательства в подтверждение гипотезы Морковина отсутствовали. Новое исследование Парциале было направлено на заполнение этого пробела. Его команда использовала специально построенную установку, создание которой заняло почти 11 лет, для наблюдения за потоком воздуха на скорости Маха 6. Чтобы визуализировать турбулентность на высоких скоростях, исследователи вводили газ криптон в поток в аэродинамической трубе и ионизировали его с помощью лазеров. Это создавало временную светящуюся прямую линию из атомов криптона. Сверхвысокочувствительные камеры фиксировали, как эта флуоресцентная линия двигалась, изгибалась и скручивалась в воздухе. Данная методика визуализации позволила изучить тонкую структуру турбулентности потока. Как отметил Парциале, полученные данные показали, что на скорости Маха 6 поведение турбулентности довольно близко к поведению в несжимаемом потоке.
В настоящее время эта гипотеза еще не полностью подтверждена для всех условий эксплуатации. Тем не менее, полученные результаты свидетельствуют о том, что будущие гиперзвуковые самолеты, возможно, не потребуют принципиально иных конструктивных решений, что может упростить сложный инженерный процесс. Упрощенная конструкция гиперзвуковых летательных аппаратов также может принести пользу космическим путешествиям. Такие аппараты можно будет использовать для полетов в космос, а не полагаться исключительно на запуски ракет. Эта инновация может значительно облегчить путешествия в низкую околоземную орбиту и обратно, став «революционным» шагом как для глобального, так и для орбитального транспорта.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
