Защо аеродинамиката на ЦАГИ опитва да заобиколи ударната вълна, вместо да я разбива

Физиката на сгъстяването и границите на N-вълната

Разпространено е схващането, че акустичният скок настъпва единствено в момента на преминаване на звуковата бариера. В действителност, докато летателният апарат се движи със скорост, надвишаваща тази на звука, той непрекъснато генерира конус от сгъстен въздух. Носът, кабината, челото на крилото и опашното оперение създават отделни вълни на сгъстяване, които при движение през атмосферата се обединяват в т.нар. N-вълна – скапообразно покачване на налягането, последвано от спад и рязко възстановяване. При Ту-144 и Concorde това скапообразно изменение достигаше нива над 105–110 dB на земната повърхност, което водеше до механични щети по остъкляването на сгради и пълна забрана за свръхзвукови граждански полети над сухоземни трасета от страна на международните органи.

Решението, заложено в патент RU2855196C1, разчита на пространствено разпределяне на източниците на сгъстяване. Вземете за пример изследванията на аеродинамиката при високи скорости от средата на миналия век: базовото правило на Уиткомб за площадите на напречните сечения показва, че забавянето на смущенията изисква плавна промяна в обема. В новия проект на ЦАГИ геометрията на фюзелажа е изчислена чрез методи на изчислителната хидродинамика (CFD) така, че вълната от носовата част да интерферира с тази от корена на крилото. Целта е налягането да не се сплита в единен висок пик, а да се разпредели в поредица от по-малки амплитуди, които отслабват при преминаване през тропосферата.

Инженерни профили и изчислителни модели

При фиксирана крейсерска скорост от Мах 1,7 (приблизително 1800–1900 км/ч в зависимост от височината и температурата на въздуха) геометрията на крилото изисква силна стреловидност и променлив профил по размаха. Научният ръководител на ЦАГИ академик Сергей Чернишев посочва, че математическият модел на еквивалентното тяло с минимален звуков удар разчита на точна настройка на механизацията. Предкрилките и клапите при полет генерират специфични вихрови структури. Когато тези вихри се управляват цифрово, нискочестотният компонент на шума може да бъде частично потушен преди да достигне плътните слоеве на атмосферата.

Въпреки това, намаляването на акустичния отпечатък до 95 PL dB съдържа в себе си сериозен материален компромис. Оптимизирането на фюзелажа за тиха N-вълна води до увеличаване на омокрената повърхност и съответно до нарастване на триенето. Това означава повишен специфичен разход на гориво на пътникокилометър. За да бъде постигнат обсег от 8500 километра без презареждане, летателният апарат трябва да носи висок процент гориво спрямо максималното си излетно тегло. При подобно съотношение структурата трябва да бъде изключително олекотена, което тласка конструкторите към интензивно използване на въглеродни композити и титанови сплави в зоните с високо термично натоварване.