Мог ли самолет времен Второй мировой в пике разогнаться до скорости звука?

Максимальная скорость самолета достигается в вертикальном пикировании с наибольшей тягой двигателя. Крылья самолета здесь не работают, их подъемная сила не нужна и не формирует траекторию. Аэродинамика полета превращается в атмосферную баллистику, в гравитационное движение. В ней пикирование со скоростью звука не новость: например, сверхзвуковое пикирование выполняли немецкие Фау-2. Их пустые корпуса с боевой частью входили в плотные слои атмосферы с запасом сверхзвуковой скорости, и, постепенно тормозясь, сохраняли сверхзвук до земли.

А вот авиабомбы свободного падения разгоняются в падении на околовертикальном участке только до скоростей 230 — 250 м/с. Дальше разгоняться не даёт растущая со скоростью сила сопротивления воздуха. Когда она равна весу бомбы, разгон прекращается. До скорости звука бомбам не хватает 80 м/с, довольно прилично. В зависимости от обтекаемости бомб их скорость разная, но до скорости звука явно не дотягивает.

Это, однако, не отменяет возможности разгона в падении до звуковой и сверхзвуковой скорости. Всё решает соотношение гравитации и плотности среды (воздуха). При мощной гравитации и слабой атмосфере сверхзвуковое падение — норма. В разреженной стратосфере на высоте 35 — 30 км в свободном падении плашмя Феликс Баумгартнер в 2012 г. достиг сверхзвуковой скорости 1358 км/ч, это 377 м/с и примерно М=1,26 для тамошних условий.

Самолеты Второй мировой войны были самыми разными, включая скоростные истребители, в том числе и реактивные (они появились под конец войны). Максимальная скорость серийного боевого турбореактивного Messerschmitt Me-262 достигала 900 км/ч, а британский боевой турбореактивный Gloster Meteor развивал скорость 970 км/ч — это их скорости в горизонтальном полете. В пикировании же с большой высоты с максимальным режимом двигателей эти самолеты вполне, и достаточно легко, могли развить скорость звука и перейти на сверхзвуковой режим полета. Но здесь важны несколько аспектов такого движения.

Считается, что 3 февраля 1959 года пассажирский Boeing 707-121 бортовой номер N712PA авиакомпании Pan American достиг сверхзвуковой скорости в крутом пикировании, развив 1100 км/ч. Это 305,5 м/с; при скорости звука на этих высотах 295 — 300 м/с значение числа Маха составило М=1,04 — 1,02. Пилотам удалось вывести самолёт из пикирования (видимо, ниже, с торможением в плотных слоях до дозвукового режима), однако лайнер получил множественные повреждения. Как пишет Вики, «были погнуты оба стабилизатора, повреждены обшивка в задней части крыла и оба зализа крыла, в том числе сорвало обшивку в отдельных местах, деформировались подвесы всех четырёх двигателей, а в задней части лонжеронов крыла даже пошли гофрой».

И тут мы вернемся к винтовым самолетам, их во время Второй мировой войны было большинство. Их максимальные скорости достигали 720-760 км/ч. В крутом и длительном пикировании с максимальными оборотами винта они тоже, вероятно, могли бы приближаться к скорости звука. Но винт накладывает свой отпечаток на динамику полета с околозвуковыми скоростями. Отметим рост силовой аэродинамической нагрузки на лопасти винта с приближением полета к скорости звука. Обтекание винта встречным потоком с М=1 даст сложную картину и сильно изменит его работу, обтекание и силовое нагружение лопастей. Винт превратится в аэродинамический тормоз, а почти поперечный к лопастям звуковой поток создаст на их передней поверхности (по всей длине лопасти) зоны скачков уплотнения, то есть газодинамического сжатия потока и поэтому — высокого местного давления. Моменты этих сил давления, распределенных по лопасти, отогнут ее назад, возможно до полного разрушения: отлома части или отрыва от ступицы винта. С разрушением винта исчезнет тяга, и режим пикирования сместится к дозвуковому. Но вряд ли без винта самолет сможет благополучно продолжать далее свой полет.

Нельзя забывать и про так называемый волновой кризис — глубокие, критические изменения картины обтекания самолета при приближении его скорости к М=1. Его скорость – это движение его центра масс относительно невозмущенного (отдалённого) потока. Но движение самолета и его обтекание — разные процессы. Дозвуковое движение центра масс самолета может сопровождаться сверхзвуковым обтеканием окружающей средой его конструкции, сначала локальным, а с ростом скорости расползающимся по поверхности аппарата.

Уже при М=0,85 на выпуклых элементах конструкции возникают местные зоны звуковых течений, с ростом скорости они множатся, расширяясь и сливаясь. С приближением скорости самолета к М=1 скорости локальных течений на поверхностях самолета превышают скорость звука, достигая М=1,2 и более. В основании мощного скачка за такими течениями часто видно лежащий впереди маленький наклонный скачок возле обтекаемой поверхности. Это косой скачок, после которого поток остается сверхзвуковым; он демонстрирует здесь большую скорость обтекания.

Обложенный с разных сторон такими локальными сверхзвуковыми течениями, самолет очень слабо реагирует на попытки управления (теряет управляемость), и проявляет так называемое «затягивание в пикирование». Вывод дозвукового самолета из звукового пикирования сильно затруднен или вообще невозможен. Так погиб Григорий Бахчиванджи 27 марта 1943. Его ракетный самолет на скорости свыше 900 км/ч в горизонтальном полете затянуло в пике с углом 50º, выйти из которого не удалось, а запаса высоты (2000 м) было недостаточно для долгих попыток.

Отметим и немаловажные практические обстоятельства пикирования: время года и широту, дающие местную температуру воздуха в нижних слоях тропосферы. В мороз – 40°С скорость звука будет лишь 303 м/с, на 40 м/с меньше, чем при +20°С. Это снижение звукового порога на 144 км/ч упростит и ускорит достижение скорости звука.

Подытоживая, можно сказать: да, в крутом пикировании с запасом высоты в подходящих метеоусловиях самолеты Второй мировой войны могли бы развить скорость звука, а некоторые и превысить ее. После чего следовало бы разрушение самолета — либо еще в полете возросшими аэродинамическими нагрузками, либо пикированием с невозможностью вывести самолет из него (и падением на землю в конце). Какие именно самолеты могли бы достичь скорости звука в пикировании — это вопрос оценки их конкретных конструкций, аэродинамических и прочностных свойств, тяговооруженности и других факторов.