Группа российских учёных из Санкт-Петербургского государственного университета и Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ разработала теоретическую модель для описания условий формирования плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах, что открывает путь к управляемому аэродинамическому полёту на сверхзвуковых скоростях в атмосфере Земли и других планет.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

При движении в плотных слоях атмосферы сверхзвуковое воздушное судно или космический спускаемый аппарат омывается потоками газа на сверхвысоких скоростях. Очевидно, что управляемое изменение плотности газа по курсу судна приведёт к его отклонению в ту или иную сторону. Сделать этот процесс управляемым означает добиться возможности управлять направлением полёта или, по крайней мере, повысить его устойчивость, а значит, безопасность.

Как известно, вблизи движущихся со сверхзвуковой скоростью летательных аппаратов возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа. Для контроля движения аппарата необходимо уметь управлять потоками нагретого газа. Это возможно сделать с помощью заряженных газовых областей — плазменных структур, которые с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов будут формироваться на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.

При этом СВЧ-разряд может возникнуть в двух режимах — в виде диффузного облака заряжённых частиц, либо в виде нитевидного разряда. Нетрудно догадаться, что нитевидный разряд приводит к наибольшему нагреву газа, как более плотное образование, что, в свою очередь, оказывает наибольшее воздействие на плотность набегающего воздушного потока. Плотность воздуха перед аппаратом снижается и это облегчает его движение в атмосфере.

Учёные создали модель для описания физики явления. «Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде “облака” заряжённых и возбуждённых частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного “сгустка”. При таком переходе резко возрастает концентрация заряжённых частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида», — говорится в отчёте по работе, опубликованной в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Согласно модели, температура плазмоида увеличивается по мере его роста от 185 °С до 830 °С за 10–15 мкс. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбуждённых частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, что также снижает его плотность. Азот был выбран для моделирования по той причине, что это один из основных компонентов земной атмосферы. При включении в модель молекул кислорода, кстати, процесс ускорялся ещё на 4 мкс. В дальнейшем учёные более плотно займутся влиянием молекул кислорода на формирование СВЧ-разрядов.

Результат моделирования: распределение электрического поля в СВЧ-антенне. Источник изображения: Saifutdinov and Kustova / Plasma Sources Science and Technology, 2023.

«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, поскольку позволяет описать, как меняются параметры СВЧ-разрядов, и воспроизвести их различные формы, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения», — пояснил участник проекта доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ Алмаз Сайфутдинов.

Когда-нибудь на сверхзвуковых самолётах появятся формирующие плазменные разряды накладки, экономящие топливо и повышающие управляемость судами, что сегодня кажется образом будущего. Останется только придумать антигравитацию. Но это уже другая история.

Сегодня в 00:00 по московскому времени NASA и Lockheed Martin впервые показали экспериментальный сверхзвуковой самолёт проекта X-59. Самолёт выступил в белой ливрее с красными полосами на крыльях и эмблемой NASA. Это воздушное средство станет полигоном для отработки тихого полёта на сверхзвуковой скорости, что откроет путь к гражданской сверхзвуковой авиации, не создающей звукового загрязнения над городами.

Источник изображений: NASA

Первый полёт самолёта X-59 состоится позже в этом году. До этого он пройдёт всестороннее тестирование бортовых систем и проверку совместимости с наземным оборудованием. Затем будет рулёжка по взлётной полосе и лишь к концу весны или в начале лета состоится первый полёт. В конце испытаний будет выбрано несколько американских городов, над которыми X-59 совершит пробные полёты. Специалисты NASA расставят датчики шума на земле и после полётов проведут опрос местного населения об испытанных ощущениях во время пролётов X-59.

Собранные данные будут переданы в регулирующие органы. Считается, что сверхзвуковая гражданская авиация не смогла развиваться в том числе и по причине высокого уровня шума, создаваемого двигателями при преодолении звукового барьера и во время полётов на сверхзвуковой скорости. Преодоление звукового барьера самолётом X-59 будет не громче хлопка автомобильной дверцей, сообщают в NASA. Будущие сверхзвуковые гражданские самолёты не должны беспокоить слух людей, даже проносясь над их головами.

Самолёт X-59 спроектирован для проверки дизайна, снижающего уровень шума в полёте. Почти треть 30,4-метрового фюзеляжа самолёта занимает нос. По этой причине кабина пилота находится почти в середине самолёта, что делает невозможным обзор по курсу. В этом направлении кабина даже не имеет остекления. Ориентироваться пилоту помогают внешние камеры высокого разрешения. На максимальной скорости X-59 будет развивать 1,4 Маха (1715 км/ч). Это серьёзно не дотягивает до крейсерских скоростей Ту-144 и «Конкордов», но всё равно более чем в два раза быстрее крейсерских скоростей современных авиалайнеров.

Американский стартап Boom Supersonic приступил к рулёжным испытаниям прототипа сверхзвукового самолёта XB-1. Это приближает первый испытательный полёт двухместного самолёта, способного летать на скорости до 1,7 Маха. Ожидается, что первый пилотируемый полёт XB-1 состоится до конца текущего года. Федеральное агентство гражданской авиации США уже выдало компании соответствующее разрешение.

Источник изображения: Boom Supersonic

Прототип XB-1 в три раза меньше будущего сверхзвукового пассажирского лайнера «Увертюра» (Overture), который компания надеется создать для возрождения коммерческой сверхзвуковой авиации. Летом прошлого года компания American Airlines заключила с Boom Supersonic предварительный контракт на изготовление 20 таких самолётов. Но пройдёт ещё много лет, прежде чем они поднимутся в небо. В свой первый полёт прототип XB-1 обещал отправиться в далёком 2017 году, но произойдёт это только сейчас спустя шесть лет после первоначальных планов.

Рендер сверхзвукового самолёта «Увертюра»

Если XB-1 поднимется в небо в этом году, то такое событие станет своего рода данью юбилею последнего полёта «Конкорда». Европейские сверхзвуковые лайнер Concorde вывели из эксплуатации в 2003 году. Целый спектр недостатков «Конкордов» оказался весомее достоинств скоростных гражданских перелётов. Дизайн и конструктивные особенности XB-1 и будущей «Увертюры» ликвидируют один из них — громкий переход на сверхзвуковой режим полёта. Переход звукового барьера у «Увертюры» должен быть не громче хлопка закрывающейся двери автомобиля.

Прототип XB-1 прошёл все наземные испытания (кроме рулёжных) и это позволило FAA выдать компании экспериментальный сертификат лётной годности и, тем самым, открыл ему дорогу в небо. Пилотировать прототип будет лётчик-испытатель компании Тристан «Гепетто» Бранденбург (Tristan «Gepetto» Brandenburg). Вторым пилотом будет лётчик-испытатель Билл «Док» Шумейкер (Bill «Doc» Shoemaker).

Наземные испытания и первые полёты пройдут в аэрокосмическом порту Мохаве (штат Калифорния), где испытывают свои решения множество компаний из США. Прототип XB-1 оснащён тремя двигателями General Electric J85, работающими на экологически чистом авиационном топливе. Для самолёта «Увертюра» разрабатываются свои двигатели, над которыми компании приходится работать самостоятельно. Ведущие разработчики с мировым именем посчитали этот проект неперспективным и отказались работать с Boom Supersonic.

Возможно, первый полёт аппарата изменит отношение гигантов к проекту. Осталось его дождаться и это событие явно не за горами.