Полмира за три часа Есть ли будущее у сверхзвуковых пассажирских самолетов?

Конструкторы начали мечтать о сверхбыстрых и комфортабельных пассажирских перелетах в 1950-х годах. Это было время, когда боевой авиации стали доступны полеты на сверхзвуковой скорости, а развитие реактивных двигателей шло очень быстро. Реализовать проект гражданского сверхзвукового самолета удалось в 1970-х, когда начали полеты советский Ту-144 и французский Concorde.

Казалось, что за подобными разработками будущее, но других сверхзвуковых лайнеров построено так и не было. Ту-144 на пассажирских маршрутах использовали в общей сложности меньше года; Concorde эксплуатировался до 2003 года, но им пользовались лишь несколько авиакомпаний.

Причина неудачи программы Ту-144 и Concorde одна и та же — дороговизна. Билет на французский лайнер из Парижа до Нью-Йорка обходился в 20 тысяч долларов в пересчете на современные цены; полет на Ту-144 стоил дороже обычных авиабилетов в 2,3-3 раза. После того как советский лайнер сняли с гражданских маршрутов, он еще какое-то время использовался в испытательных полетах — в том числе по контракту с NASA.

Казалось, что сверхзвуковых гражданских самолетов больше не будет никогда, но в 2010-х появилось сразу несколько проектов, которые намерены продолжить дело Ту-144 и Concorde. Чтобы разобраться, что именно они предлагают, нам придется ввести несколько терминов.

Сверхзвук — это очень громко

Сверхзвуковая скорость — это движение быстрее звука. Скорость звука различается в зависимости от среды распространения и ее температуры. Для простоты принято считать, что в нормальных условиях в воздухе она составляет 331 метр в секунду, или 1191 километр в час. В авиации для измерения скорости введено понятие числа Маха. Оно представляет собой отношение скорости течения газового потока к скорости звука в движущейся среде. Опять же для простоты одно число Маха принято считать равным 1,2 тысячи километров в час.

Впервые звуковой барьер был преодолен в 1947 году американским летчиком Чаком Йегером. После его полета конструкторам пришлось решать массу новых задач, о которых они и не подозревали раньше — например, волнового кризиса и флаттера (эти явления проявляются сильными вибрациями и потерей управления на разных скоростях полета).

Другая проблема — шум. В военной авиации проблему слишком громких самолетов можно и не решать, а вот для гражданского самолетостроения она является критической. В 2006-м и 2008 годах Международная организация гражданской авиации приняла новые стандарты авиационного шума, помимо прочего запретившие сверхзвуковые полеты над населенной сушей.

Именно с решения проблемы шума и началась новая волна интереса к сверхзвуковым самолетам. Проекты разных разработчиков называется по-разному (у NASA это QueSST, у Японского агентства аэрокосмических исследований — D-SEND-2), но смысл один — надо таким образом рассчитать аэродинамику самолета, чтобы он создавал как можно меньше шума при полете.

Когда какой-либо объект движется в воздухе на скорости, превосходящей скорость звука, на перепадах его поверхности образуются ударные волны. В случае с самолетом ударные волны появляются на передних кромках его аэродинамических поверхностей. Ударная волна представляет собой небольшую область, в которой давление, плотность и температура среды испытывают резкий и сильный скачок. Когда над человеком на высоте на сверхзвуковой скорости пролетает самолет, через некоторое время слышится очень громкий хлопок, звуковой удар: это ударные волны долетели от самолета до наблюдателя.

Суть разрабатываемых новых технологий сводится к решению двух задач. Первая заключается в разработке планера самолета такой конструкции, которая бы создавала как можно меньшее количество ударных волн. Вторая — расчет аэродинамики таким образом, чтобы ударные волны были менее интенсивными, а соответственно и звуковой удар не доставлял бы людям на земле дискомфорта.

В NASA уверяют, что технология QueSST поможет снизить интенсивность шума сверхзвукового авиалайнера до уровня мягких пульсаций. В начале марта текущего года NASA заключило контракт с компанией Lockheed Martin на создание тихого сверхзвукового авиалайнера, выделив ей на проект 20 миллионов долларов. На эскизное проектирование быстрого самолета американская компания получила 17 месяцев.

В июле прошлого года японское агентство уже испытало модель планера, сконструированного с применением технологии D-SEND 2. Испытания проводились на ракетном полигоне в Швеции и были признаны успешными.

Суть испытаний D-SEND 2 заключалась в том, чтобы сбросить планер без двигателей с воздушного шара с высоты 30,5 тысячи метров. Во время падения планер длиной 7,9 метра набрал скорость в 1,39 числа Маха. Он пролетел мимо расположенных на разной высоте привязных аэростатов с микрофонами. При этом производился не только замер интенсивности и числа ударных волн, но и анализ влияния состояния атмосферы на раннее их возникновение.

По оценке японского агентства, звуковой удар от летательных аппаратов, сопоставимых по размерам со сверхзвуковыми пассажирскими самолетами Concorde и выполненных по схеме D-SEND 2, при полете на сверхзвуковой скорости будет вдвое менее интенсивным. От обычных планеров, выполненных по схеме продольного биплана (все классические пассажирские самолеты), D-SEND 2 отличается не осесимметричным расположением носовой части. Кроме того, киль аппарата смещен к носовой части, а горизонтальное хвостовое оперение выполнено цельноповоротным и имеет отрицательный угол установки по отношению к продольной оси планера. Это означает, что законцовки оперения находятся ниже точки крепления оперения, а не выше, как в обычных самолетах.

Крыло планера имеет нормальную стреловидность, но выполнено ступенчатым: оно плавно сопрягается с фюзеляжем, а часть его передней кромки расположена к фюзеляжу под острым углом, но ближе к задней кромке этот угол резко увеличивается. Японские конструкторы посчитали, что такая схема позволяет значительно уменьшить количество и интенсивность ударных волн.

Не только шум

И Concorde, и Ту-144 потерпели неудачу из-за неэкономичности, поэтому чтобы разработать конкурентоспособный сверхзвуковой лайнер, необходимо прежде всего произвести такой двигатель, который бы расходовал меньше топлива.

В последнее время в этой сфере также был достигнут большой прогресс — благодаря редукторам, керамическим материалам и введению дополнительного воздушного контура двигатели дозвуковых самолетов уже стали намного экономичнее.

Со сверхзвуком все гораздо сложнее. Например, европейский проект сверхзвукового/гиперзвукового (гиперзвуковыми называются самолеты, которые развивают скорость в районе 5 числа Маха) лайнера Zero Emission HyperSonic Transport (ZEHST) будет использовать два типа двигателей — турбореактивные и прямоточные. Удельный расход турбореактивных двигателей оценивается в 720 граммов на килограмм-силы в час, что сопоставимо с удельным расходом топлива двигателями, например, истребителя Су-27.

Прямоточные двигатели будут «жрать» еще больше. Поэтому их планируется «кормить» смесью растительного биотоплива, водорода и кислорода. Теоретически при масштабном производстве биотоплива такая смесь будет стоить дешевле обычного авиакеросина Jet-A, но это пока лишь теоретически.

Бум сверхзвука

Несмотря на существующие ограничения, многие компании верят, что будущее за сверхзвуком. Например, испанская Aernnova совместно со Spike Aerospace создает «тихий» сверхзвуковой бизнес-джет S-512, способный летать на скорости в 1,6 числа Маха. Компания Aerion работает над бизнес-джетом AS2, который сможет летать на 1,5 числа Маха.

Летом прошлого года европейский концерн Airbus запатентовал проект пассажирского гиперзвукового самолета Concorde-2. На этот самолет планируется устанавливать три типа двигателей. В передней части фюзеляжа будут размещаться обычные турбовентиляторные реактивные двигатели, под консолями крыла — гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели, а в хвостовой части — ракетные силовые установки. Каждый из двигателей должен участвовать в определенном этапе набора высоты и скорости полета.

В том же проекте компания предложила элегантное решение полетов на сверхзвуковой скорости над населенной частью суши. Предполагается, что новый самолет, если его когда-нибудь создадут в металле, будет набирать высоту и преодолевать звуковой барьер строго вертикально. Это означает, что все ударные волны от фюзеляжа будут расходиться параллельно земле и поверхности не достигнут. Дальше сверхзвуковой и гиперзвуковой полет будут проходить на высоте 30-35 тысяч метров (против сегодняшних стандартных «пассажирских» десяти тысяч). С этой высоты ударные волны будут достигать поверхности уже значительно ослабленными и никому беспокойства не причинят.

Еще один перспективный проект был представлен совсем недавно. Стартап Boom Technologies в марте 2016 года объявил, что готовы создать сверхзвуковой самолет уже в 2017-м. Компания предполагает, что билеты по маршруту Нью-Йорк — Лондон будут стоить около пяти тысяч долларов. В самолет будут вмещаться всего 40 пассажиров. Над населенной частью суши проект Boom будет летать на дозвуковой скорости, а на сверхзвуке — над океаном на скорости 2,2 Маха. Они называют свой проект экономичнее Concorde на 30%.

У Boom Technologies пока много скептиков — стартаперы не имеют опыта создания самолетов, и неизвестно, как пройдут опыты компании не при компьютерном моделировании, а в железе. Тем не менее, и в Boom Technologies, и в десятке других компаний по всему миру уверены, что за сверхзвуком будущее. Осталось понять, насколько далекое.

Источник: Meduza