เครื่องบินเหนือเป็นเครื่องบินที่สามารถบินได้เร็วกว่าความเร็วของเสียง ( เลขมัค 1)
เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงได้รับการพัฒนาในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ยี่สิบและถูกนำมาใช้เกือบทั้งหมดเพื่อการวิจัยและการทหาร เพียงสองตูโปเลฟตู -144 (เที่ยวบินแรก - 31 ธันวาคม 1968) และConcorde (เที่ยวบินแรก - 2 มีนาคม 1969)
ที่เคยเข้ามาให้บริการสำหรับการใช้งานทางแพ่งเป็นสายการบินเครื่องบินขับไล่เป็นตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียง อากาศพลศาสตร์ของการบินเหนือเสียงเรียกว่าการไหลแบบอัดได้เนื่องจากการบีบอัดที่เกี่ยวข้องกับคลื่นกระแทกหรือ " โซนิคบูม " ที่สร้างขึ้นโดยวัตถุใด ๆ ที่เดินทางเร็วกว่าเสียง เครื่องบินที่บินด้วยความเร็วเหนือ Mach 5 มักจะเรียกว่าเป็นเครื่องบินความเร็ว ประวัติศาสตร์เครื่องบินลำแรกที่บินด้วยความเร็วเหนือเสียงในการบินระดับคือเครื่องบินทดลองAmerican Bell X-1ซึ่งขับเคลื่อนด้วยจรวดขับดันขนาด 6000 ปอนด์ที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจนเหลวและเอทิลแอลกอฮอล์ เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงส่วนใหญ่เป็นเครื่องบินทหารหรือเครื่องบินทดลอง ในช่วงทศวรรษที่ 1960 และ 1970 มีการศึกษาออกแบบเครื่องบินโดยสารความเร็วเหนือเสียงหลายครั้งและในที่สุดก็มีสองประเภทเข้าประจำการคือTupolev Tu-144ของโซเวียต(1968) และ Anglo-French Concorde (1969) อย่างไรก็ตามอุปสรรคทางการเมืองสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจและการชนคองคอร์ดครั้งร้ายแรงทำให้พวกเขาไม่สามารถใช้งานได้เต็มศักยภาพทางการค้า หลักการออกแบบการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงทำให้เกิดความท้าทายทางเทคนิคอย่างมากเนื่องจากอากาศพลศาสตร์ของการบินความเร็วเหนือเสียงนั้นแตกต่างอย่างมากจากการบินแบบเปรี้ยงปร้าง (กล่าวคือบินด้วยความเร็วช้ากว่าเสียง) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อเครื่องบินผ่านระบบทรานโซนิกซึ่งต้องใช้กำลังเครื่องยนต์ที่มากขึ้นและเฟรมเครื่องบินที่มีความคล่องตัวมากขึ้น ปีกเพื่อให้การลากต่ำลงต้องมีการ จำกัด ปีกนกซึ่งจะช่วยลดประสิทธิภาพด้านอากาศพลศาสตร์เมื่อบินช้าๆ เนื่องจากเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงต้องบินขึ้นและลงจอดด้วยความเร็วที่ค่อนข้างช้าการออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์จึงต้องมีการประนีประนอมระหว่างข้อกำหนดสำหรับปลายทั้งสองด้านของช่วงความเร็ว แนวทางหนึ่งในการแก้ไขปัญหาการประนีประนอมนี้คือการใช้ปีกรูปทรงเรขาคณิตแปรผันหรือที่เรียกกันทั่วไปว่า "ปีกแกว่ง" ซึ่งแผ่กว้างสำหรับการบินความเร็วต่ำแล้วกวาดอย่างรวดเร็วโดยปกติจะถอยหลังสำหรับการบินด้วยความเร็วเหนือเสียง อย่างไรก็ตามการแกว่งมีผลต่อการตัดแต่งตามยาวของเครื่องบินและกลไกการแกว่งจะเพิ่มน้ำหนักและค่าใช้จ่าย การใช้ปีกเดลต้าเช่นที่ใช้กับAerospatiale-BAC Concordeจะสร้างกระแสน้ำวนที่กระตุ้นการไหลบนพื้นผิวด้านบนของปีกด้วยความเร็วสูงและมุมโจมตีชะลอการแยกการไหลและทำให้เครื่องบินมีมุมคอกที่สูงมาก. นอกจากนี้ยังแก้ปัญหาของการบีบอัดของไหลที่ความเร็วทรานโซนิกและความเร็วเหนือเสียง แต่ก็เป็นที่แน่นอนไม่มีประสิทธิภาพที่ความเร็วต่ำเนื่องจากความต้องการของมุมสูงของการโจมตีและดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการใช้งานของอวัยวะเพศหญิง เครื่องทำความร้อนปัญหาอีกประการหนึ่งคือความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานขณะที่อากาศไหลผ่านเครื่องบิน การออกแบบที่เปรี้ยงปร้างส่วนใหญ่ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมเช่นDuraluminซึ่งมีราคาถูกและใช้งานง่าย แต่สูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิสูง สิ่งนี้ จำกัด ความเร็วสูงสุดไว้ที่ประมาณ Mach 2.2 เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงส่วนใหญ่รวมถึงเครื่องบินขับไล่ทางทหารจำนวนมากได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้เวลาส่วนใหญ่ในการบินด้วยความเร็วต่ำกว่าปกติและเกินความเร็วของเสียงในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้นเช่นเมื่อสกัดกั้นเครื่องบินข้าศึก มีจำนวนน้อยกว่าเช่นเครื่องบินลาดตระเวนLockheed SR-71 Blackbirdและเครื่องบินโดยสารความเร็วเหนือเสียงของ Concorde ได้รับการออกแบบให้ล่องเรืออย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วเหนือความเร็วของเสียงและด้วยการออกแบบเหล่านี้ปัญหาของการบินเหนือเสียงจึงรุนแรงมากขึ้น เครื่องยนต์เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงในยุคแรก ๆ รวมถึงเครื่องบินรุ่นแรกอาศัยพลังของจรวดในการส่งแรงผลักดันที่จำเป็นแม้ว่าจรวดจะเผาผลาญเชื้อเพลิงจำนวนมากและเวลาในการบินจึงสั้น เทอร์โบเจ็ตในยุคแรกนั้นประหยัดน้ำมันมากกว่า แต่ไม่มีแรงขับเพียงพอและเครื่องบินทดลองบางรุ่นก็ติดตั้งเทอร์โบเจ็ทสำหรับการบินความเร็วต่ำและเครื่องยนต์จรวดสำหรับการบินด้วยความเร็วเหนือเสียง การประดิษฐ์afterburnerซึ่งเชื้อเพลิงส่วนเกินถูกเผาไหม้ในไอเสียเครื่องบินทำให้โรงไฟฟ้าแบบผสมเหล่านี้ล้าสมัย turbofanเครื่องยนต์ผ่านอากาศเพิ่มเติมเย็นรอบแกนเครื่องยนต์ต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและเครื่องบินเหนือในวันนี้จะขับเคลื่อนโดย turbofans พอดีกับ afterburners เครื่องบินความเร็วเหนือเสียงมักใช้turbofans บายพาสต่ำเนื่องจากมีประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ต่ำกว่าความเร็วของเสียงเช่นเดียวกับด้านบน หรือหากต้องการsupercruiseเครื่องยนต์turbojetอาจเป็นที่ต้องการเนื่องจากให้การลาก nacelleน้อยลงด้วยความเร็วเหนือเสียง Pratt & Whitney J58เครื่องยนต์ของบริษัท Lockheed SR-71 Blackbirdดำเนินการใน 2 วิธีการออกและเชื่อมโยงไปถึงเป็น turbojets ไม่มีบายพาส แต่ผ่านบางส่วนของคอมเพรสเซอร์แอร์ที่จะกระตือรือร้นที่ความเร็วสูง สิ่งนี้ทำให้ Blackbird สามารถบินได้ในช่วง Mach 3 เร็วกว่าเครื่องบินผลิตอื่น ๆ ผลกระทบจากแรงเสียดทานของอากาศด้วยความเร็วเหล่านี้หมายความว่าต้องมีการพัฒนาเชื้อเพลิงชนิดพิเศษที่ไม่สลายตัวในความร้อนและไปอุดตันท่อเชื้อเพลิงระหว่างทางไปยังหัวเผา อีก powerplant ความเร็วสูงเป็นวิญญาณต้องบินเร็วพอสมควรก่อนถึงจะใช้งานได้ เที่ยวบิน Transonicการไหลเวียนของอากาศสามารถเพิ่มความเร็วหรือชะลอตัวลงในจุดต่างๆของเครื่องบินได้ ในภูมิภาครอบ ๆ มัค 1 บางพื้นที่อาจมีการไหลของความเร็วเหนือเสียงในขณะที่พื้นที่อื่น ๆ เปรี้ยงปร้าง ระบอบนี้เรียกว่าการบินแบบทรานโซนิก เมื่อความเร็วของเครื่องบินเปลี่ยนไปคลื่นความดันจะก่อตัวหรือเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ สิ่งนี้อาจส่งผลต่อการตัดแต่งเสถียรภาพและความสามารถในการควบคุมของเครื่องบินและผู้ออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเอฟเฟกต์เหล่านี้ถูกนำมาพิจารณาในทุกความเร็ว เที่ยวบิน Hypersonicการบินด้วยความเร็วสูงกว่า Mach 5 มักเรียกว่าความเร็วเหนือเสียง ในภูมิภาคนี้ปัญหาการลากและความร้อนรุนแรงมากยิ่งขึ้น เป็นเรื่องยากที่จะสร้างวัสดุที่สามารถทนต่อแรงและอุณหภูมิที่เกิดจากแรงต้านอากาศด้วยความเร็วเหล่านี้และการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงก็ยังไม่บรรลุผล โซนิคบูมแหล่งกำเนิดเสียงเดินทางด้วยความเร็ว 1.4 เท่าของความเร็วเสียง (Mach 1.4) เนื่องจากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เร็วกว่าคลื่นเสียงที่สร้างขึ้นจึงนำไปสู่หน้าคลื่นที่ก้าวหน้า บูมโซนิคที่ผลิตโดยเครื่องบินเคลื่อนที่ที่ M = 2.92 คำนวณจากมุมกรวย 20 องศา ผู้สังเกตการณ์ไม่ได้ยินอะไรเลยจนกระทั่งคลื่นกระแทกที่ขอบกรวยข้ามตำแหน่งของพวกมัน ข้อมูลของ NASA แสดงลายเซ็น N-wave [1] โซนิคบูมเป็นเสียงที่เกี่ยวข้องกับคลื่นช็อกสร้างขึ้นเมื่อใดก็ตามที่วัตถุเดินทางผ่านอากาศเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วของเสียง โซนิคบูมสร้างพลังงานเสียงจำนวนมากซึ่งฟังดูคล้ายกับการระเบิดหรือเสียงฟ้าร้องที่หูของมนุษย์ รอยแตกของกระสุนความเร็วเหนือเสียงที่ผ่านเหนือศีรษะหรือรอยแตกของบูลวิปเป็นตัวอย่างของโซนิคบูมในขนาดเล็ก [2] โซนิคบูมเนื่องจากเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงขนาดใหญ่อาจดังและน่าตกใจเป็นพิเศษมีแนวโน้มที่จะปลุกผู้คนและอาจทำให้เกิดความเสียหายเล็กน้อยกับโครงสร้างบางส่วน พวกเขานำไปสู่การห้ามการบินเหนือเสียงเป็นประจำบนบก แม้ว่าจะไม่สามารถป้องกันได้อย่างสมบูรณ์ แต่การวิจัยชี้ให้เห็นว่าการสร้างยานพาหนะอย่างระมัดระวังความรำคาญอาจลดลงจนถึงจุดที่การบินด้วยความเร็วเหนือเสียงทางบกอาจกลายเป็นทางเลือกที่ใช้ได้จริง SupercruiseSupercruiseคือการบินด้วยความเร็วเหนือเสียงอย่างต่อเนื่องของเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงที่มีการบรรทุกสินค้าผู้โดยสารหรืออาวุธที่มีประโยชน์ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะป้องกันการใช้afterburners ที่ไม่มีประสิทธิภาพสูงหรือ "อุ่นเครื่อง" เครื่องบินทหารความเร็วเหนือเสียงที่รู้จักกันดีจำนวนมากที่ไม่มีความสามารถในการล่องเรือสามารถรักษาการบินMach 1+ ได้ในระยะสั้น ๆ เท่านั้นโดยทั่วไปจะใช้ afterburners เครื่องบินเช่นSR-71 Blackbirdได้รับการออกแบบให้ล่องเรือด้วยความเร็วเหนือเสียงโดยเปิดใช้งาน afterburners หนึ่งในตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดของเครื่องบินความสามารถในการเป็น supercruise คองคอร์ด เนื่องจากการให้บริการในฐานะสายการบินพาณิชย์มายาวนาน Concorde จึงถือเป็นประวัติการณ์ที่ใช้เวลามากที่สุดในการล่องเรือ มากกว่าเครื่องบินอื่น ๆ ทั้งหมดรวมกัน [3] การขนส่งความเร็วเหนือเสียงลำตัวของ Concorde มีสูงมาก อัตราส่วนความวิจิตร ขนส่งเหนือ (SST)เป็นพลเรือน เครื่องบินที่ออกแบบมาเพื่อการขนส่งผู้โดยสารที่ความเร็วสูงกว่าความเร็วของเสียง เครื่องบินพลเรือนเหนือเสียงเพียงลำเดียวที่ให้บริการคือโซเวียตผลิตTupolev Tu-144ซึ่งบินครั้งแรกในปี 2511 และปลดประจำการในปี 2540 และฝรั่งเศส - อังกฤษผลิตเครื่องบินคองคอร์ดซึ่งบินครั้งแรกในปี 2512 และยังคงให้บริการจนถึงปี 2546 ตั้งแต่ปี 2546 เป็นต้นมาไม่มีเครื่องบินพลเรือนที่มีความเร็วเหนือเสียงให้บริการ คุณลักษณะสำคัญของการออกแบบเหล่านี้คือความสามารถในการรักษาการล่องเรือความเร็วเหนือเสียงเป็นเวลานานดังนั้นการลากที่ต่ำจึงเป็นสิ่งสำคัญในการ จำกัด การใช้เชื้อเพลิงให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้จริงและประหยัด ด้วยเหตุนี้โครงเครื่องบินเหล่านี้จึงมีความคล่องตัวสูงและปีกมีช่วงสั้นมาก ข้อกำหนดสำหรับความเร็วต่ำเมื่อบินขึ้นและลงจอดสามารถทำได้โดยใช้ vortex lift: ในขณะที่เครื่องบินเคลื่อนที่ช้าจะต้องเพิ่มการยกโดยการยกจมูกเพื่อเพิ่มมุมการโจมตีของปีก ขอบนำที่กวาดอย่างรวดเร็วทำให้อากาศบิดเมื่อไหลผ่านปีกเร่งการไหลเวียนของอากาศในพื้นที่และรักษาระดับการยก โครงการ SST อื่น ๆ ได้แก่ :
เครื่องบินเจ็ทธุรกิจความเร็วเหนือเสียงเครื่องบินไอพ่นธุรกิจความเร็วเหนือเสียง (SSBJ) เป็นเครื่องบินขนาดเล็กที่นำเสนอในระดับความเร็วเหนือเสียง ยังไม่มีการบิน โดยปกติแล้วมีจุดมุ่งหมายเพื่อขนส่งผู้โดยสารประมาณสิบคน SSBJs มีขนาดเท่ากับเครื่องบินเจ็ตธุรกิจแบบเปรี้ยงปร้าง โครงการสำหรับเครื่องบินเจ็ทขนาดใหญ่และเครื่องบินธุรกิจ (ดูด้านล่าง) สำหรับเครื่องบินโดยสารความเร็วเหนือเสียงและไฮเปอร์โซนิก ( Aerion SBJ , Spike S-512 , HyperMach SonicStar , Next Generation Supersonic Transport , Tupolev Tu-444 , Gulfstream X-54 , LAPCAT , Reaction Engines LAPCAT A2 , Zero Emission Hyper Sonic Transport , SpaceLinerและอื่น ๆ ) และตอนนี้อยู่ระหว่างการพัฒนา เครื่องบินทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์ความเร็วเหนือเสียงทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์จะต้องดำเนินการวางระเบิดขนาดใหญ่ในระยะทางไกล ดังนั้นจึงเป็นเครื่องบินขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักตัวเปล่าเกิน 25,000 กก. บางส่วนได้รับการออกแบบมาสำหรับบทบาทที่เกี่ยวข้องเช่นการลาดตระเวนเชิงกลยุทธ์และการประท้วงต่อต้านการเดินเรือ โดยปกติแล้วเครื่องบินจะล่องไปตามปกติสำหรับเที่ยวบินส่วนใหญ่เพื่อประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงก่อนที่จะเร่งความเร็วเหนือเสียงสำหรับการทิ้งระเบิด [4] เครื่องบินทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์ความเร็วเหนือเสียงไม่กี่ลำที่เข้าประจำการ ประเภทที่เก่าแก่ที่สุดที่แวร์ B-58 Hustler , บินครั้งแรกในปี 1956 และส่วนใหญ่ที่ผ่านมาRockwell B-1B แลนเซอร์ในปี 1983 แม้ว่านี้และประเภทอื่น ๆ มีไม่กี่คนยังคงให้บริการในวันนี้ยังคงไม่มีผู้ใดในการผลิต ประเภทอื่น ๆ ที่จะบิน ได้แก่ :
จากสิ่งเหล่านี้มีเพียงTu-22 , Tu-22M , FB-111A , B-1BและTu-160 เท่านั้นที่เข้าสู่การผลิต การลาดตระเวนเชิงกลยุทธ์ความเร็วเหนือเสียงเครื่องบินทิ้งระเบิดทางยุทธศาสตร์ความเร็วเหนือเสียงบางรุ่นเช่นSukhoi T-4ยังมีความสามารถในบทบาทการลาดตระเวน (แม้ว่า Sukhoi จะยังคงเป็นต้นแบบ) บริษัท Lockheed SR-71 Blackbirdได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับบทบาทและการพัฒนาขนาดใหญ่ของล็อกฮีด A-12เครื่องบินลาดตระเวนซึ่งทำการบินครั้งแรกในปี 1962 เครื่องบินขับไล่ / โจมตีความเร็วเหนือเสียงเครื่องบินรบความเร็วเหนือเสียงและเครื่องบินที่เกี่ยวข้องบางครั้งเรียกว่าเครื่องบินไอพ่นเร็ว เครื่องบินเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงส่วนใหญ่และบางรุ่นเช่นMikoyan-Gurevich MiG-21 , Lockheed F-104 StarfighterและDassault Mirage IIIได้รับการผลิตจำนวนมาก เครื่องบินรบความเร็วเหนือเสียงทางทหารจำนวนมากและเครื่องบินรุ่นเดียวกันในยุคที่สี่และห้าอยู่ระหว่างการพัฒนาในหลายประเทศรวมถึงรัสเซียจีนญี่ปุ่นเกาหลีใต้อินเดียอิหร่านและสหรัฐอเมริกา สหรัฐ
สหภาพโซเวียต / รัสเซีย
สวีเดน
ประเทศอังกฤษ
ฝรั่งเศส
ประเทศจีน
แคนาดา
อินเดีย
เยอรมนี
อียิปต์
อิตาลี
ฝรั่งเศส / สหราชอาณาจักร
ญี่ปุ่น
อิสราเอล
เยอรมนี / อิตาลี / สหราชอาณาจักร
แอฟริกาใต้
ไต้หวัน
เยอรมนี / อิตาลี / สเปน / สหราชอาณาจักร
อิหร่าน
เกาหลีใต้
ปากีสถาน
เครื่องบินวิจัยความเร็วเหนือเสียง
ดูสิ่งนี้ด้วย
อ้างอิง
|