Сокращение продолжительности длительных перелетов до всего одного часа стало более реальной перспективой. Группа ученых во главе с профессором Николосом Парциале из Технологического института Стивенса в США предоставила экспериментальные данные, подтверждающие давнюю теорию, которая потенциально может упростить конструкцию гиперзвуковых самолетов. Гиперзвуковой полет определяется как скорость, превышающая пять раз от скорости звука (Маха 5) или выше. Это может привести к существенным изменениям в сфере международных путешествий. К примеру, полет из Сиднея в Лос-Анджелес, занимающий сейчас 15 часов, можно будет совершить всего за один час. По словам Парциале, это существенно уменьшит расстояния, сделает путешествия более быстрыми, доступными и комфортными.
Чтобы обеспечить возможность перелета из Лос-Анджелеса в Сидней всего за один час, авиации потребуется достичь скорости, равной Маху 10. Ключевая сложность на пути к этой цели – необходимость понять, как ведет себя воздух при сверхвысоких скоростях. При обычных режимах полета плотность воздуха остается в целом стабильной, что описывается как несжимаемое течение. Однако при скоростях, превышающих скорость звука, воздух становится сжимаемым, и его плотность существенно меняется под воздействием давления и температуры. Это трансформирует взаимодействие самолета с воздушной средой, оказывая влияние на такие параметры, как подъемная сила, сопротивление и тяга. По словам Парциале, газ обладает свойством «сжиматься», и эта сжимаемость создает трудности в процессе разработки летательных аппаратов.
Долгое время основополагающей теоретической отправной точкой являлась гипотеза Морковина, разработанная в середине XX века. Согласно ей, базовая турбулентная структура потока сохраняет свою схожесть как при низких, так и при высоких скоростях, несмотря на изменения плотности и температуры, возникающие при высоких скоростях. Если данная гипотеза подтверждается, то для изучения турбулентности на высоких скоростях не нужны принципиально новые методы — можно применять те же самые концепции, что и при анализе более медленных потоков.
До настоящего времени не было получено экспериментальных подтверждений гипотезы Морковина. Новое исследование, проведенное Парциале, было призвано восполнить этот недостаток. Его группа использовала разработанную специально для этой цели установку, создание которой потребовало около 11 лет, для наблюдения за воздушным потоком на скорости Маха 6. Для визуализации турбулентности на высоких скоростях исследователи подавали газ криптон в поток в аэродинамической трубе и ионизировали его с помощью лазеров. Это приводило к образованию кратковременной светящейся линии из атомов криптона. Сверхчувствительные камеры регистрировали движение, изгибы и скручивания этой флуоресцентной линии в воздухе. Примененный метод визуализации позволил детально изучить структуру турбулентности потока. По словам Парциале, полученные результаты продемонстрировали, что на скорости Маха 6 турбулентность ведет себя схожим образом с турбулентностью в несжимаемом потоке.
На данный момент гипотеза не получила полного подтверждения во всех условиях применения. Однако, имеющиеся данные указывают на то, что перспективные гиперзвуковые самолеты, вероятно, не нуждаются в кардинально новых конструктивных решениях, что способно упростить сложный процесс разработки. Облегченная конструкция гиперзвуковых летательных аппаратов может оказаться полезной и для космических путешествий, позволяя использовать их для вывода грузов и людей в космос, а не только ракетные запуски. Данное новшество может существенно облегчить перемещение в ближнем околоземном пространстве и возвращение обратно, представляя собой важный прорыв в области глобальных и орбитальных перевозок.
Исследование и его результаты были обнародованы в журнале Nature Communications.