Ровно 15 лет назад три последних сверхзвуковых пассажирских самолета Concorde британской авиакомпании British Airways совершили прощальный полет. В тот день, 24 октября 2003 года, эти самолеты, пролетев на малой высоте над Лондоном, приземлились в «Хитроу» и тем завершили недолгую историю сверхзвуковой пассажирской авиации. Тем не менее, сегодня авиаконструкторы по всему миру вновь задумываются о возможности быстрых перелетов - из Парижа в Нью-Йорк за 3,5 часа, из Сиднея в Лос-Анджелес - за 6 часов, из Лондона в Токио - за 5 часов. Но прежде чем сверхзвуковые самолеты вернутся на международные пассажирские маршруты, разработчикам придется решить множество задач, среди которых одна из важнейших - уменьшение шумности быстрых летательных аппаратов.
Короткая история быстрых полетов
Пассажирская авиация начала формироваться в 1910-х годах, когда появились первые самолеты, специально спроектированные для перевозки людей по воздуху. Самым первым из них стал французский Bleriot XXIV Limousine компании Bleriot Aeronautique. Он использовался для увеселительных воздушных прогулок. Спустя два года в России появился С-21 «Гранд», созданный на базе тяжелого бомбардировщика «Русский витязь» Игоря Сикорского. Его построили на Русско-Балтийском вагонном заводе. Дальше авиация начала развиваться семимильными шагами: сперва начались перелеты между городами, потом между странами, а затем и между континентами. Самолеты позволяли добраться до места назначения быстрее, чем на поезде или корабле.
В 1950-х годах прогресс в разработке реактивных двигателей значительно ускорился, и для боевой авиации стали доступны, пусть и кратковременно, полеты на сверхзвуковой скорости. Сверхзвуковой скоростью принято называть движение до пяти раз быстрее скорости звука, которая меняется в зависимости от среды распространения и ее температуры. При нормальном атмосферном давлении на уровне моря звук распространяется со скоростью 331 метр в секунду, или 1191 километр в час. По мере набора высоты плотность и температура воздуха снижается, снижается и скорость звука. Например, на высоте 20 тысяч метров она составляет уже около 295 метров в секунду. Но уже на высоте около 25 тысяч метров и по мере ее набора до более чем 50 тысяч метров температура атмосферы начинает понемногу увеличиваться по сравнению с нижними слоями, а вместе с ней увеличивается и местная скорость звука.
Рост температуры на этих высотах объясняется, в том числе, высокой концентрацией в воздухе озона, образующего озоновый щит и поглощающего часть солнечной энергии. В результате скорость звука на высоте 30 тысяч метров над морем составляет около 318 метров в секунду, а на высоте 50 тысяч - почти 330 метров в секунду. В авиации для измерения скорости полета широко используется число Маха. Если говорить упрощенно, оно выражает местную скорость звука для конкретной высоты, плотности и температуры воздуха. Так, скорость условного полета, равная двум числам Маха, на уровне моря будет составлять 2383 километра в час, а на высоте 10 тысяч метров - 2157 километров в час. Впервые звуковой барьер на скорости 1,04 числа Маха (1066 километров в час) на высоте 12,2 тысячи метров преодолел американский летчик Чак Йегер в 1947 году. Это был важный шаг на пути освоения сверхзвуковых полетов.
В 1950-х годах авиаконструкторы в нескольких странах мира начали работать над проектами сверхзвуковых пассажирских самолетов. В итоге в 1970-х появились французский Concorde и советский Ту-144. Это были первые и пока еще единственные пассажирские сверхзвуковые самолеты в мире. Оба типа летательных аппаратов использовали обычные турбореактивные двигатели, оптимизированные для длительной работы в сверхзвуковом режиме полета. Ту-144 эксплуатировались до 1977 года. Самолеты летали на скорости в 2,3 тысячи километров в час и могли перевозить до 140 пассажиров. Однако билеты на их рейсы стоили в среднем в 2,5–3 раза дороже обычных. Низкий спрос на быстрые, но дорогостоящие перелеты, а также общие сложности в эксплуатации и обслуживании Ту-144 привели к тому, что их просто сняли с пассажирских рейсов. Однако самолеты еще какое-то время использовались в испытательных полетах, в том числе и по контракту с NASA.
Concorde прослужили заметно дольше - до 2003 года. Перелеты на французских лайнерах тоже стоили дорого и большой популярностью не пользовались, но Франция и Великобритания продолжали их эксплуатировать. Стоимость одного билета на такой перелет составляла, в пересчете на сегодняшние цены, около 20 тысяч долларов. Французский Concorde совершал полеты на скорости чуть более двух тысяч километров в час. Расстояние от Парижа до Нью-Йорка самолет мог покрыть за 3,5 часа. В зависимости от конфигурации Concorde могли перевозить от 92 до 120 человек.
История «Конкордов» закончилась неожиданно и быстро. В 2000 году произошла авиакатастрофа Concorde, в которой погибли 113 человек. Спустя год в пассажирских авиаперевозках начался кризис, вызванный терактами 11 сентября 2001 года (два угнанных террористами самолета с пассажирами врезались в башни Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, еще один, третий, - в здание Пентагона в округе Арлингтон, а четвертый упал в поле недалеко от Шенксвилла в Пеннсильвании). Затем истек срок гарантийного обслуживания самолетов Concorde, которым занималась компания Airbus. Все эти факторы вместе сделали эксплуатацию сверхзвуковых пассажирских самолетов крайне невыгодными, и летом-осенью 2003 года авиакомпании Air France и British Airways по очереди списали все «Конкорды».
После закрытия программы Concorde в 2003 году надежда на возвращение сверхзвуковой пассажирской авиации в строй еще оставалась. Конструкторы надеялись на новые экономичные двигатели, аэродинамические расчеты и системы автоматизированного проектирования, способные сделать перелеты на сверхзвуковой скорости экономически доступными. Но в 2006 и 2008 году Международная организация гражданской авиации приняла новые стандарты авиационного шума, запретившие, помимо прочего, любые сверхзвуковые полеты над населенными участками суши в мирное время. Этот запрет не распространяется на специально выделенные для военной авиации воздушные коридоры. Работы над проектами новых сверхзвуковых самолетов затормозились, но сегодня снова начали набирать обороты.
Тихий сверхзвук
Сегодня разработкой сверхзвуковых пассажирских самолетов занимаются несколько предприятий и правительственных организаций в мире. Такие проекты, в частности, ведут российские компании «Сухой» и «Туполев», Центральный аэрогидродинамический институт имени Жуковского, французская Dassault, Японское агентство аэрокосмических исследований, европейский концерн Airbus, американские Lockheed Martin и Boeing, а также несколько стартапов, включая Aerion и Boom Technologies. В целом конструкторы условно разделились на два лагеря. Представители первого из них считают, что разработать «тихий», соответствующий по шумности дозвуковым лайнерам, сверхзвуковой самолет в ближайшее время не удастся, а значит, нужно построить быстрый пассажирский летательный аппарат, который будет переходить на сверхзвук там, где это разрешено. Такой подход, полагают конструкторы из первого лагеря, все равно позволит сократить время перелета из одной точки в другую.
Конструкторы из второго лагеря преимущественно сосредоточились на борьбе с ударными волнами. В полете на сверхзвуковой скорости планер самолета образует множество ударных волн, наиболее значимые из которых возникают в носовой части и в зоне хвостового оперения. Кроме того, ударные волны обычно появляются на передней и задней кромках крыла, на передних кромках хвостового оперения, в зонах завихрителей потока и на кромках воздухозаборников. Ударная волна представляет собой область, в которой давление, плотность и температура среды испытывают резкий и сильный скачок. Наблюдателями на земле такие волны воспринимаются как громкий хлопок или даже взрыв - именно из-за этого сверхзвуковые полеты над населенной частью суши запрещены.
Эффект взрыва или очень громкого хлопка производят ударные волны так называемого N-типа, образующиеся при взрыве бомбы или на планере сверхзвукового истребителя. На графике роста давления и плотности такие волны напоминают букву N латинского алфавита из-за резкого повышения давления на фронте волны с резкими же падением давления после него и последующей нормализацией. В ходе лабораторных экспериментов исследователи Японского агентства аэрокосмических исследований выяснили, что изменение формы планера может сглаживать пики на графике ударной волны, превращая ее в волну S-типа. Такая волна имеет плавный и не столь значительный, как у N-волны, перепад давления. Специалисты NASA полагают, что S-волны будут восприниматься наблюдателями как далекий хлопок автомобильной дверью.
N-волна (красная) до аэродинамической оптимизации сверхзвукового планера и подобие S-волны после оптимизации
В 2015 году японские конструкторы собрали беспилотный планер D-SEND 2, чья аэродинамическая форма была спроектирована таким образом, чтобы уменьшать количество возникающих на нем ударных волн и их интенсивность. В июле 2015 года разработчики испытали планер на ракетном полигоне «Эсрейндж» в Швеции и отметили существенное уменьшение количества ударных волн, образующихся на поверхности нового планера. Во время испытания D-SEND 2, не оснащенный двигателями, сбросили с воздушного шара с высоты 30,5 тысячи метров. Во время падения планер длиной 7,9 метра набрал скорость в 1,39 числа Маха и пролетел мимо расположенных на разной высоте привязных аэростатов, оборудованных микрофонами. При этом исследователи замеряли не только интенсивность и число ударных волн, но и анализировали 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, чем раньше. От планеров обычных современных самолетов японский D-SEND 2 отличается не осесимметричным расположением носовой части. Киль аппарата смещен к носовой части, а горизонтальное хвостовое оперение выполнено цельноповоротным и имеет отрицательный угол установки по отношению к продольной оси планера, то есть законцовки оперения находятся ниже точки крепления, а не выше, как обычно. 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.
По похожей схеме в настоящее время создается сверхзвуковой американского стартапа Aerion и , разрабатываемый Lockheed Martin по заказу NASA. С упором на уменьшение количества и интенсивности ударных волн проектируется и российский (Сверхзвуковой Деловой Самолет/Сверхзвуковой Пассажирский Самолет). Некоторые из проектов быстрых пассажирских самолетов планируется завершить в первой половине 2020-х годов, однако авиационные правила к тому времени пересмотрены все же еще не будут. Это означает, что новые самолеты первое время будут выполнять сверхзвуковые полеты только над водой. Дело в том, что для снятия ограничения на сверхзвуковые полеты над населенной частью суши разработчикам придется провести множество испытаний и представить их результаты на рассмотрение авиационных властей, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по безопасности полетов.
S-512 / Spike Aerospace
Новые двигатели
Еще одним серьезным препятствием на пути создания серийного пассажирского сверхзвукового самолета являются двигатели. Конструкторы уже сегодня нашли множество способов сделать турбореактивные двигатели экономичнее, чем они были десять-двадцать лет назад. Это и использование редукторов, убирающих жесткую сцепку вентилятора и турбины в двигателе, и применение керамических композиционных материалов, позволяющих оптимизировать температурный баланс в горячей зоне силовой установки, и даже введение дополнительного - третьего - воздушного контура вдобавок к уже существующим двум, внутреннему и внешнему. В области создания экономичных дозвуковых двигателей конструкторы уже достигли потрясающих результатов, а ведущиеся новые разработки обещают и вовсе существенную экономию. Подробнее о перспективных исследованиях вы можете почитать в нашем материале .
Но, несмотря на все эти разработки, сверхзвуковой полет экономичным назвать пока еще сложно. Например, перспективный сверхзвуковой пассажирский самолет стартапа Boom Technologies получит три турбовентиляторных двигателя семейства JT8D компании Pratt & Whitney или J79 компании GE Aviation. В крейсерском полете удельный расход топлива этими двигателями составляет около 740 граммов на килограмм-силы в час. При этом двигатель J79 может быть оснащен форсажной камерой, при использовании которой расход топлива увеличивается до двух килограммов на килограмм-силы в час. Такой расход сопоставим с расходом топлива двигателями, например, истребителя Су-27, задачи которого существенно отличаются от перевозки пассажиров.
Для сравнения, удельный расход топлива единственных в мире серийных турбовинтовентиляторных двигателей Д-27, установленных на украинском транспортнике Ан-70, составляет всего 140 граммов на килограмм-силы в час. Американский двигатель CFM56, «классика» лайнеров Boeing и Airbus, имеет удельный расход топлива в 545 граммов на килограмм-силы в час. Это означает, что без серьезной переработки конструкции реактивных авиационных двигателей сверхзвуковые полеты не станут достаточно дешевыми, чтобы получить широкое распространение, и будут востребованы разве что в деловой авиации - большой расход топлива ведет к росту цен на билеты. Снизить высокую стоимость сверхзвуковых авиаперевозок объемами тоже не получится - проектируемые сегодня самолеты рассчитаны на перевозку от 8 до 45 пассажиров. Обычные же самолеты вмещают больше сотни человек.
Тем не менее, в начале октября текущего года GE Aviation проект нового турбовентиляторного реактивного двигателя Affinity. Эти силовые установки планируется монтировать на перспективный сверхзвуковой пассажирский самолет AS2 компании Aerion. Новая силовая установка конструктивно объединяет в себе особенности реактивных двигателей с малой степенью двухконтурности для боевых самолетов и силовых установок с большой степенью двухконтурности для пассажирских самолетов. При этом каких-либо новых и прорывных технологий в Affinity нет. Новый двигатель GE Aviation относит к силовым установкам со средней степенью двухконтурности.
Основу двигателя составляет модифицированный газогенератор турбовентиляторного двигателя CFM56, который, в свою очередь, конструктивно основан на газогенераторе от F101, силовой установки для сверхзвуковых бомбардировщиков B-1B Lancer. Силовая установка получит модернизированную электронно-цифровую систему управления двигателем с полной ответственностью. Какие-либо подробности о конструкции перспективного двигателя разработчики не раскрыли. Тем не менее, в GE Aviation ожидают, что удельный расход топлива двигателями Affinity будет не намного выше или даже сопоставим с расходом топлива современными турбовентиляторными двигателями обычных дозвуковых пассажирских самолетов. Каким образом этого удастся добиться для сверхзвукового полета, не ясно.
Boom / Boom Technologies
Проекты
Несмотря на множество проектов сверхзвуковых пассажирских самолетов в мире (включая даже нереализуемый проект переделки стратегического бомбардировщика Ту-160 в пассажирский сверхзвуковой лайнер, предложенный президентом России Владимиром Путиным), наиболее близкими к летным испытаниям и мелкосерийному производству можно считать AS2 американского стартапа Aerion, S-512 испанского Spike Aerospace и Boom американского Boom Technologies. Планируется, что первый будет выполнять полеты на скорости 1,5 числа Маха, второй - 1,6 числа Маха, а третий - 2,2 числа Маха. Самолет X-59, создаваемый Lockheed Martin по заказу NASA, будет демонстратором технологий и летающей лабораторией, запускать его в серию не планируется.
В Boom Technologies уже заявили, что постараются сделать перелеты на cверхзвуковых самолетах очень дешевыми. Например, стоимость перелета по маршруту Нью-Йорк - Лондон в Boom Technologies оценили в пять тысяч долларов. Столько сегодня стоит перелет по этому маршруту в бизнес-классе обычного дозвукового лайнера. Лайнер Boom над населенной сушей будет летать на дозвуковой скорости и переходить на сверхзвук над океаном. Самолет при длине 52 метра и размахе крыла 18 метров сможет перевозить до 45 пассажиров. До конца 2018 года Boom Technologies планирует выбрать один из нескольких проектов нового самолета для реализации в металле. Первый полет лайнера планируется на 2025 год. Эти сроки компания перенесла; изначально Boom планировалось поднять в воздух в 2023 году.
По предварительным расчетам, длина самолета AS2, рассчитанного на 8-12 пассажиров, будет равняться 51,8 метра, а размах крыла - 18,6 метра. Максимальная взлетная масса сверхзвукового самолета составит 54,8 тонны. AS2 будет выполнять полеты над водой на крейсерской скорости в 1,4-1,6 числа Маха, замедляясь до 1,2 над сушей. Несколько меньшая скорость полета над сушей вкупе с особой аэродинамической формой планера позволит, как рассчитывают разработчики, почти полностью избегать формирования ударных волн. Дальность полета самолета на скорости в 1,4 числа Маха составит 7,8 тысячи километров и 10 тысяч километров - на скорости в 0,95 числа Маха. Первый полет самолета планируется на лето 2023 года, а на октябрь того же года - первый трансатлантический перелет. Его разработчики приурочат к 20-летию со дня последнего полета «Конкорда».
Наконец, Spike Aerospace планирует начать летные испытания полноценного прототипа S-512 не позднее 2021 года. Поставки первых серийных самолетов заказчикам запланированы на 2023 год. Согласно проекту, S-512 сможет перевозить до 22 пассажиров на скорости до 1,6 числа Маха. Дальность полета этого самолета составит 11,5 тысячи километров. С октября прошлого года Spike Aerospace нескольких уменьшенных моделей сверхзвукового самолета. Их целью является проверка конструкторских решений и эффективности элементов управления полетом. Все три перспективных пассажирских самолета создаются с упором на особую аэродинамическую форму, которая позволит уменьшить интенсивность ударных волн, образующихся при сверхзвуковом полете.
В 2017 году объем авиационных пассажирских перевозок во всем мире составил четыре миллиарда человек, из которых 650 миллионов совершили длительные перелеты протяженностью от 3,7 до 13 тысяч километров. 72 миллиона «дальнобойных» пассажиров летали первым и бизнес-классом. Именно на эти 72 миллиона человек разработчики сверхзвуковых пассажирских самолетов и нацеливаются в первую очередь, полагая, что они с удовольствием заплатят немного больше денег за возможность провести в воздухе примерно вдвое меньше времени, чем обычно. Тем не менее, сверхзвуковая пассажирская авиация, вероятнее всего, начнет активно развиваться после 2025 года. Дело в том, что исследовательские полеты лаборатории X-59 начнутся только в 2021 году и продлятся несколько лет.
Результаты исследований, полученные во время полетов X-59, в том числе и над населенными пунктами - добровольцами (их жители согласились, чтобы над ними в будние дни летали сверхзвуковые самолеты; после полетов наблюдатели будут рассказывать исследователям о своем восприятии шума), планируется передать на рассмотрение Федерального управления гражданской авиации США. Как ожидается, на их основе оно может пересмотреть запрет на сверхзвуковые полеты над населенной частью суши, но случится это не раньше 2025 года.
Василий Сычёв
После того как человек начал осваивать небесные просторы, он всегда стремился максимально усовершенствовать летательные аппараты, сделать их надежнее, быстрее, вместительнее. Одним из наиболее передовых изобретений человечества в данном направлении являются сверхзвуковые пассажирские самолеты. Но, к сожалению, за редким исключением, большинство разработок было закрыто или в настоящее время находятся на стадии проекта. Одним из таких проектов является сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-244, о котором мы поговорим ниже.
Быстрее звука
Но прежде чем начать разговор непосредственно о Ту-244, давайте сделаем краткий экскурс в историю преодоления человечеством рубежа скорости звука, ведь этот самолет будет являться непосредственным продолжением научных разработок в данном направлении.
Значительный толчок в развитии авиации был дан Второй мировой войной. Именно тогда появились реальные проекты самолетов с способными развивать скорость больше винтовых. Со второй половины 40-х годов прошлого века они активно стали примется как в военной, так и в гражданской авиации.
Следующей задачей стояло максимально увеличить Если выйти на сверхзвуковой барьер не составляло особого труда, просто увеличив мощность двигателей, то преодоление его было значительной проблемой, так как законы аэродинамики на таких скоростях меняются.
Тем не менее первая победа в гонке со звуком была достигнута уже в 1947 году на американском экспериментальном самолете, но массово использоваться сверхзвуковые технологии начались только с конца 50-х - начала 60-х годов XX века в военной авиации. Появились такие серийные модели, как МиГ-19, North American A-5 Vigilante, Convair F-102 Delta Dagger и многие другие.
Пассажирская сверхзвуковая авиация
А вот гражданской авиации так не повезло. Первые сверхзвуковые пассажирские самолеты появились только в конце 60-х годов. Причем по настоящее время было создано только две серийных модели - советский Ту-144 и франко-британский «Конкорд». Это были типичные дальнемагистральные самолеты. Ту-144 был в эксплуатации с 1975 по 1978 годы, а «Конкорд» - с 1976 по 2003 год. Таким образом, в настоящий момент при пассажирских авиаперевозках не используется ни один сверхзвуковой самолет.
Было множество проектов по постройке сверх- и гиперзвуковых авиалайнеров, но одни из них были в итоге закрыты (Douglas 2229, Super-Caravelle, Т-4 и др.), а реализация других растянулась на неопределенно долгое время (Reaction Engines A2, SpaceLiner, Next Generation Supersonic Transport). К последним относится и проект самолета Ту-244.
Начало разработок
Проект по созданию самолета, который должен был прийти на смену Ту-144, запущен ОКБ Туполева ещё в советское время, в начале 70-х годов прошлого века. При проектировании нового авиалайнера, конструкторы использовали разработки его предшественника, «Конкорда», а также материалы американских коллег, принимавших участие в работах. Все разработки проводились под руководством Алексея Андреевича Туполева.
В 1973 году проектируемый самолет получил название Ту-244.
Задачи проекта
Главной задачей данного проекта было создать действительно конкурентный сверхзвуковой самолет для пассажирских перевозок в сравнении с дозвуковыми реактивными авиалайнерами. Чуть ли не единственным преимуществом первых над вторыми был выигрыш в скорости. Во всем остальном сверхзвуковые авиалайнеры проигрывали своим более медленным конкурентам. Пассажирские перевозки на них просто экономически не окупались. К тому же полеты на них были опаснее, чем на простых самолетах с реактивным двигателем. Последний фактор, кстати, стал официальной причиной, по которой была прекращена эксплуатация первого сверхзвукового самолета Ту-144 всего через несколько месяцев после её начала.
Таким образом, именно решение данных проблем и было поставлено перед разработчиками Ту-244. Самолет должен быть надежным, быстрым, но, одновременно, его эксплуатация в целях перевозки пассажиров должна была быть экономически выгодной.
Технические характеристики
Окончательная модель самолета Ту - 244, принятая в разработку должна была иметь нижеперечисленные технические и эксплуатационные характеристики.
Экипаж авиалайнера включал троих человек. Вместимость салона бралась из расчета 300 пассажиров. Правда, в окончательной версии проекта её пришлось сократить до 254 человек, но в любом случае это было намного больше, чем у Ту-154, вмещавшего всего 150 пассажиров.
Планируемая крейсерская скорость составляла 2,175 тыс. км/ч, что двукратно превышало Для сравнения, аналогичный показатель на Ту-144 был равен 2,300 тыс. км/ч, а «Конкорда» - 2,125 тыс. км/ч. То есть самолет планировалось сделать немного медленнее своего предшественника, но за счет этого, значительно повысить его вместимость, что должно было обеспечить экономическую выгоду от перевозок пассажиров. Движение обеспечивали четыре Дальность полета нового самолета должна была составлять 7500-9200 км. Грузоподъемность - 300 тонн.
Авиалайнер должен был иметь в длину 88 м, в высоту 15 м, при этом размах его крыла составлял 45 м, а площадь рабочей поверхности - 965 м 2 .
Главным внешним отличием от Ту-144 должно было стать изменение конструкции носа.
Продолжение разработок
Проект постройки сверхзвукового авиалайнера второго поколения Ту-244 принял довольно затяжной характер и несколько раз претерпевал существенных изменений. Тем не менее даже после распада СССР ОКБ Туполева не прекращало разработок в данном направлении. Например, уже в 1993 году на авиасалоне во Франции была предоставлена подробная информация о разработке. Впрочем, экономическое положение страны в 90-х годах не смогло не сказаться на судьбе проекта. Фактически его участь зависла в воздухе, хотя проектные работы продолжались, да и официального сообщения об его закрытии не было. Именно в это время, к проекту активно стали подключатся американские специалисты, хотя контакты с ними проводились ещё во времена СССР.
Для продолжения исследований по созданию пассажирских сверхзвуковых авиалайнеров второго поколения, в 1993 году два самолета Ту-144 были переоборудованы под летающие лаборатории.
Закрытие или заморозка?
На фоне продолжающихся разработок и заявлений, что к 2025 году самолеты ТУ-244 поступят в эксплуатацию гражданской авиации в количестве 100 единиц, весьма неожиданным стало отсутствие данного проекта в государственной программе по развитию авиации на 2013-2025 гг., которая была принята в 2012 году. Нужно сказать, что в данной программе отсутствовали и ряд других заметных разработок, которые до того времени считались перспективными в авиастроении, например, сверхзвуковой самолет деловой авиации Ту-444.
Данный факт мог говорить о том, что проект Ту-244 либо окончательно закрыт, либо заморожен на неопределенное время. В последнем случае, выпуск этих сверхзвуковых самолетов возможен будет только гораздо позже 2025 года. Впрочем, никаких официальных разъяснений по этому поводу так и не было дано, что оставляет довольно широкое поле для различных интерпретаций.
Перспективы
Учитывая все вышеизложенное, можно заявить, что проект Ту-244 в настоящее время как минимум завис в воздухе, а, возможно, вообще закрыт. Официального объявления о судьбе проекта пока не было. Также не озвучиваются причины, по которым он был приостановлен или навсегда закрыт. Хотя можно предположить, что они могут заключаться в недостатке государственных средств для финансирования подобных разработок, экономической невыгодности проекта, или тем фактором, что за 30 лет он мог просто морально устареть, и теперь на повестке дня стоят более перспективные задачи. Впрочем, вполне возможно влияние всех трех факторов одновременно.
В 2014 году в средствах массовой информации были высказаны предположения о возобновлении проекта, но пока они не получили официального подтверждения, как, впрочем, и опровержения.
Нужно отметить, что и зарубежные разработки сверхзвуковых пассажирских самолетов второго поколения ещё не вышли на финишную прямую, а реализация многих из них под большим вопросом.
В то же время пока нет официального заявления уполномоченных лиц, не стоит полностью ставить крест на проекте самолета Ту-244.
M = 1,2-5).
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
В наши дни появляются новые самолёты, в том числе выполненные по технологии снижения заметности «Стелс ».
Пассажирские сверхзвуковые самолёты
Известны всего два серийно выпускавшихся пассажирских сверхзвуковых самолёта, выполнявших регулярные рейсы: советский самолёт Ту-144 , совершивший первый полёт 31 декабря 1968 года и бывший в эксплуатации с по 1978 год и выполнивший двумя месяцами позже - 2 марта 1969 года - свой первый полёт англо-французский «Конкорд» (фр. Concorde - «согласие»), совершавший трансатлантические рейсы с по 2003 год . Их эксплуатация позволяла не только значительно сократить время перелёта на дальних рейсах, но и использовать незагруженное воздушное пространство на больших высотах (≈18 км), в то время как основное используемое лайнерами воздушное пространство (высоты 9-12 км) уже в те годы было сильно загруженным. Также сверхзвуковые самолёты совершали полёты по спрямлённым маршрутам (вне воздушных трасс).
Несмотря на неосуществление нескольких других бывших и существующих проектов пассажирских сверхзвуковых и околозвуковых самолётов (Boeing 2707 , Boeing Sonic Cruiser , Douglas 2229 , Lockheed L-2000, Ту-244 , Ту-344 , Ту-444 , SSBJ и др.) и вывод из эксплуатации самолётов двух реализованных проектов, разрабатывались ранее и существуют современные проекты гиперзвуковых (в том числе суборбитальных) пассажирских авиалайнеров (напр., ZEHST , SpaceLiner) и военно-транспортных (десантных) самолётов быстрого реагирования. На разрабатываемый пассажирский бизнес-джет Aerion AS2 в ноябре 2015 был сделан твердый заказ на 20 единиц суммарной стоимость 2,4 миллиарда долларов с началом поставок в 2023 году.
Теоретические проблемы
Полёт на сверхзвуковой скорости, в отличие от дозвукового, протекает в условиях иной аэродинамики, поскольку при достижении воздушным судном скорости звука качественно меняется аэродинамика обтекания, из-за чего резко возрастает аэродинамическое сопротивление , также растёт кинетический нагрев конструкции от трения набегающего на большой скорости воздушного потока, смещается аэродинамический фокус, что ведёт к утрате устойчивости и управляемости самолёта. Кроме того, проявилось такое неизвестное до создания первых сверхзвуковых самолётов явление, как «волновое сопротивление».
Поэтому достижение скорости звука и эффективный стабильный полёт на около- и сверхзвуковых скоростях были невозможны за счёт простого увеличения мощности двигателей - потребовались новые конструктивные решения. Как следствие, изменился внешний облик самолёта: появились характерные прямые линии, острые углы, в отличие от «гладких» форм дозвуковых самолётов.
Следует отметить, что проблему создания эффективного сверхзвукового самолёта нельзя считать разрешённой до сих пор. Создателям приходится идти на компромисс между требованием увеличения скорости и сохранением приемлемых взлётно-посадочных характеристик. Таким образом, завоевание авиацией новых рубежей по скорости и высотности связано не только с использованием более совершенной или принципиально новой двигательной установки и новой конструктивной компоновки самолётов, но также с изменениями их геометрии в полёте. Такие изменения, улучшая характеристики самолёта на больших скоростях, не должны ухудшать их качества на малых скоростях, и наоборот. В последнее время создатели отказываются от уменьшения площади крыла и относительной толщины их профилей, а также увеличения угла стреловидности крыла у самолётов с изменяемой геометрией, возвращаясь к крыльям малой стреловидности и большой относительной толщины, если уже достигнуты удовлетворительные величины максимальной скорости и практического потолка. В таком случае считается важным, чтобы сверхзвуковой самолёт имел хорошие лётные данные на малых скоростях и малое сопротивления при больших скоростях, особенно на малых высотах.
Скорость звуковой волны величина не постоянная даже при условии, что рассматриваемая среда распространения звука является воздухом. Скорость звука при фиксированной температуре воздуха и атмосферного давления изменяется с ростом высоты над уровнем моря.
По мере увеличения высоты над уровнем моря скорость звука уменьшается. Условной точкой отсчета величины является нулевой уровень моря. Итак, скорость с которой звуковая волна стелится по водной глади равняется 340.29 м/с при условии температуры окружающего воздуха в 15 0 С и атмосферного давления 760 мм. рт.ст. Итак, самолеты летающие со скоростью выше, чем скорость звука, называют сверхзвуковыми.
Первые достижение сверхзвуковой скорости
Сверхзвуковыми самолетами называют летательные аппараты исходя из их физической способности передвигаться со скоростью выше чем звуковые волны. В привычных для нас километрах в час этот показатель грубо равен 1200 км/ч.
Еще самолеты времен Второй мировой войны с поршневыми ДВС и создающими воздушный поток пропеллерами при пикировании уже достигали отметки скорости в 1000 км/ч. Правда по рассказам пилотов, в эти моменты самолет начинало жутко трясти вследствие сильной вибрации. Ощущение было такое, что крылья могут попросту оторваться от фюзеляжной части самолета.
Впоследствии при создании сверхзвуковых самолетов инженеры-проектировщики учитывали влияние воздушных потоков на конструкцию самолетов при достижении скорости звука.
Преодоление сверхзвукового барьера самолетом
Когда самолет передвигается среди воздушных масс он буквально рассекает воздух во все стороны, создавая шумовой эффект и расходящиеся во все направления волны воздушного давления. При достижении летательного аппарата скорости звука возникает момент, когда звуковая волна не способна обогнать самолет. Из-за этого перед фронтальной частью самолета возникает ударная волна в виде плотного барьера из воздуха.
Возникший впереди самолета слой воздуха в момент достижения летательным аппаратом скорости звука создает резкий рост сопротивления, что и служит источником изменения характеристик устойчивости самолета.
Когда самолет летит, звуковые волны распространяются от него во все стороны со скоростью звука. Когда самолет достигает скорости М=1, то есть скорости звук, звуковые волны скапливаются перед ним и образуют слой уплотненного воздуха. При скоростях выше скорости звука эти волны образуют ударную волну, которая достигает земли. Ударная волна воспринимается как звуковой удар, акустически воспринимаемый человеческим ухом внизу на земной поверхности как глухой взрыв.
Этот эффект можно постоянно наблюдать при проведении учений сверхзвуковых самолетов гражданским населением в районе полетов.
Еще одним интересным физическим явлением при полете сверхзвуковых самолетов — это визуальное опережение летательных аппаратов их собственного звука. Звук наблюдается с некоторым опозданием за хвостом самолета.
Число Маха в авиации
Теорию с подтверждающим экспериментальным процессом образования ударных волн был продемонстрировал еще задолго до первого полета сверхзвукового самолета австрийский физик Эрнст Мах (1838 — 1916). Величину, выражающую отношение скорости летательного аппарата к скорости звуковой волны называют сегодня в честь ученого - Махом.
Как мы уже оговорились в водной части, на скорость звука в воздушной среде влияют такие метеорологические условия как давление, влажность и температура воздуха. Температура в зависимости от высоты полета самолета меняется от +50 на поверхностях Земли до -50 в слоях стратосферы. Поэтому на разных высотах для достижения сверхзвуковых скоростей обязательно учитываются местные метеоусловия.
Для сравнения над нулевой отметкой уровня моря скорость звука составляет 1240 км/ч, тогда как на высоте более 13 тыс. км. эта скорость снижается до 1060 км/ч.
Если принять соотношение скорости летательного аппарата к скорости звукова за М, то при значении М>1, это будет всегда сверхсвуковая скорость.
Самолеты с дозвуковой скоростью имеют значение М = 0.8. Вилка значений Маха от 0,8 до 1,2 задают околозвуковую скорость. А вот гиперзвуковые летательные аппараты имеют число Маха более 5. Из известных военных российских сверхзвуковых самолетов можно выделить СУ-27 — истребитель перехватчик, Ту-22М — бомбардировщик ракетоносец. Из американских известен SR-71 — самолет разведчик. Первым сверхзвуковым самолетом в рамках серийного производства стал американский истребитель F-100 в 1953 году.
Модель космического челнока во время испытаний в сверхзвуковой аэродинамической трубе. Специальная методика теневой фотографии позволила запечатлеть, где возникают ударные волны.
Первый сверхзвуковой самолет
За 30 лет с 1940 по 1970 скорость самолетов выросла в несколько раз. Первый перелет с околозвуковой скоростью был совершен 14 октября 1947 года на американском самолете Bell XS-1 в штате Калифорния над авиабазой.
Пилотировал реактивный самолет Bell XS-1 капитан американских ВВС Чак Йиге. Ему удалось разогнать аппарат до скорости 1066 км/ч. В ходе данного испытания был получен существенный срез данных для дальнейшего толчка в развитии сверхзвуковых самолетов.
Конструкция крыльев сверхзвуковых самолетов
Подъемная сила и лобовое сопротивление со скоростью увеличиваются, поэтому крылья становятся меньше, тоньше и приобретали стреловидную форму, улучшая обтекаемость.
У самолетов, приспособленных к сверхзвуковым полетам крылья в отличии от обычных дозвуковых самолетов вытягивались под острым углом назад, напоминая наконечник стрелы. Внешне крылья образовывали треугольник в единой плоскости с его остроугольной вершиной в передней части самолета. Треугольная геометрия крыла позволяла управлять самолетом предсказуемо в момент перехода звукового барьера и как следствие избежать вибраций.
Существуют модели, в которых применялись крылья с изменяемой геометрией. В момент взлета и посадки угол крыла относительно самолета равнялся 90 градусам, то есть перпендикулярен. Это необходимо для создания максимальной подъемной силы в момент взлета и посадки, то есть в тот момент когда скорость снижается и подъемная сила при остром угле при неизменной геометрии достигает своего критического минимума. С ростом скорости геометрия крыла изменяется до максимально острого угла у основания треугольника.
Самолеты-рекордсмены
В ходе гонки за рекордными скоростями в небе самолетом Bell-X15, на борту которого был установлен ракетный двигатель, была достигнута рекордная скорость 6,72 или 7200 км/ч в 1967 году. Этот рекорд не могли побить спустя долгое время.
И только в 2004 году беспилотный гиперзвуковой летательный аппарат NASA X-43, который разрабатывался для полета с гиперзвуковой скоростью, удалось в рамках его третьего полета разогнать до рекордных 11 850 км/ч.
Первые два полета закончились неудачно. На сегодняшний день эта самая высокая цифра скорости самолета.
Испытания сверхзвукового автомобиля
На этом реактивном сверхзвуковом автомобиле Thrust SSC установлены 2 авиационных двигателя. В 1997 году он стал первым наземным транспортным средством, преодолевшим звуковой барьер. Как и при сверхзвуковом полете, перед автомобилем возникает ударная волна.
Приближение автомобиля беззвучно, потому, что весь создаваемый шум сосредоточен в идущей за ним ударной волне.
Сверхзвуковые самолеты в гражданской авиации
Что касается гражданских сверхзвуковых самолетов, то всего известны 2 серийных самолета, выполняющих регулярные рейсы: советский ТУ-144 и французский Concorde. ТУ-144 осуществил свой дебютный вылет в 1968 году. Данные аппараты были предназначены для дальних трансатлантических перелетов. Время перелета были значительно сокращены в сравнении с дозвуковыми аппаратами за счет увеличения высоты перелета до 18 км, где самолет использовал незагруженный воздушный коридор и миновал облачную загрузку.
Первый гражданский сверхзвуковой самолет СССР ТУ-144 завершил свои полеты в 1978 году по причине их нерентабельности. Окончательную точку в решении об отказе эксплуатировать в регулярных рейсах было принято из-за катастрофы опытного экземпляра ТУ-144Д во время его испытания. Хотя стоит отметить, что за рамками гражданской авиации самолет ТУ-144 продолжали эксплуатировать для срочной почтовой и грузовой доставки с Москвы в Хабаровск вплоть до 1991 года.
Тем временем несмотря на дорогие билеты, французский сверхзвуковой самолет «Конкорд» продолжал оказывать услуги аваиарейсов для своих европейских клиентов до 2003 года. Но в конце концов, несмотря на более богатый социальный слой европейских жителей, вопрос нерентабельности был все равно неминуем.
Подумать над созданием сверхзвукового пассажирского самолета. По его мнению, лайнер можно было бы построить на основе военного стратегического бомбардировщика Ту-160.
В начале 2018 года Путин уже предлагал вернуться к строительству подобных самолетов в России. Однако тогда специалисты скептически отнеслись к идее президента, посчитав проект слишком дорогим. Позже в компании «Туполев» , что новый самолет может совершить свой первый полет не ранее 2027 года. Стоимость всех работ по созданию серийного самолета в компании оценили в 105 млрд рублей.
Инфо24 поговорил с авиаэкспертами и выяснил, нужен ли все-таки России новый сверхзвуковой пассажирский самолет.
Плачевный опыт
В истории мирового самолетостроения было два сверхзвуковых пассажирских лайнера: франко-британский Concorde и советский Ту-144. Эти самолеты могли развивать скорость более 2,4 тысячи км/ч, в то время как максимальная скорость Airbus A320 - 840 км/ч. При этом стоимость полета, например, из Европы в США достигала 7 тысяч долларов. Рейсы пользовались популярностью у бизнесменов.
Ту-144 разработали в КБ Туполева в 1960-е годы. Его начали использовать в пассажирских перевозках в 1977 году, однако после нескольких аварий руководство КБ решило заморозить проект.
Сверхзвуковой пассажирский самолет ТУ-144. Фото: RIA Novosti, wikimedia.org
Примерно в это же время французская компания Aérospatiale и британская BAC разработали совместный проект под названием «Конкорд». Всего выпустили 20 сверхзвуковых самолетов, которые разделили между собой авиакомпании British Airways и Air France. За 27 лет регулярных и чартерных рейсов услугами сверхзвуковых рейсов воспользовались более 3 млн пассажиров.
5 июля 2000 года один из самолетов «Конкорд» разбился при взлете в парижском аэропорту «Шарль де Голль». Тогда погибли 113 человек. После этого полеты сверхзвуковых самолетов приостановили на полтора года. В 2003 году их совсем прекратили из-за высоких цен на топливо.
С тех пор в мире больше не используют пассажирскую сверхзвуковую авиацию.
«Не экономика, а престиж»
Управляющий директор журнала «Авиатранспортное обозрение» Максим Пядушкин рассказал Инфо24 , что производство сверхзвуковых лайнеров сталкивается не только с техническими, но и с другими препятствиями.
«Тот же «Конкорд» эксплуатировался на сверхзвуке только над Атлантическим океаном, потому что, например, в США из-за ударной волны запрещено летать над сушей на сверхзвуковых скоростях. У этих самолетов было очень ограниченное использование, и проблема до сих пор не решена. Последние «Конкорды» поставлялись практически даром, за символическую цену, там разговор шел не об экономике, а о престиже. Но и их перестали использовать вскоре после аварии в Париже», - сказал Пядушкин.
Франко-британский сверхзвуковой лайнер Concorde авиакомпании British Airways. Фото: Les Chatfield, Flickr Зачем это государству
Главный редактор журнала «Авиатранспортное обозрение» Алексей Синицкий считает, что с помощью разработки собственного сверхзвукового самолета Россия может стимулировать развитие других отраслей.
«В производстве таких лайнеров есть большое количество вопросов, которые не решены или недорешены. Конечно, работа над этими вопросами важна, нужна и интересна для создания нового поколения высокоэкономичных двигателей, поэтому работать нужно. Но, на мой взгляд, это не магистральное и не стратегическое направление гражданской авиации. Есть гораздо более приземленные вопросы, которые, пусть и менее романтично звучат, все же тоже требуют решения. Но совсем другое дело, если рассматривать гражданскую авиацию как возможность стимулировать развитие экономики.
развитие самолетостроения влечет за собой улучшения в других отраслях. поэтому для России это стратегически важно, особенно если не замыкаться на импортозамещении, а, например, найти свои области специализации и выбрать направления, где можно было бы выступать с конкурентноспособными продуктами в общемировом масштабе.
Это касается не обязательно целого самолета, а, например, какого-то узла, который мы делали бы лучше всех в мире», - сказал Синицкий в разговоре с Инфо24 .
Хотя самолеты «Конкорд» и продали авиакомпаниям по смешной цене, эксперт не считает, что деньги были потеряны: были серьезные исследования, отрасль получила знания и технологии. К тому же, это былодин из первых опытов международной кооперации, который впоследствии привел к единой системе европейского самолетостроения.
Нерентабельно и неудобно
При этом Синицкий не отрицает того, что сделать полеты на сверхзвуковых лайнерах окупаемыми чрезвычайно сложно.
«Если руководству страны необходимо повысить транспортную доступность, то это одно дело. Но при этом мировой опыт показывает, что экономичность побеждает скорость. Та же программа «Конкорд» доказала, что во многом гораздо более востребованными оказались экономичные полеты, в то время как сверхзвуковой полет из-за генерации волны уплотнения под самолетом неэкономичен по определению. По экономике сверхзвуковых перевозок много вопросов, в том числе и по тому, насколько это будет удобно для пассажиров. Например, долететь из Владивостока в Москву будет неудобно по времени из-за смены часовых поясов - нужно будет либо вылетать в неудобное время, либо в неудобное прилетать. К тому же, если в обычном самолете у вас имеется некоторый комфорт, то в сверхзвуковом будет более тесно», - рассказал эксперт.
Иллюстрация: Инфо24 Эксперт портала Avia.ru Владимир Карнозов, однако, уверен, что рентабельными рейсы сделать возможно. Правда, для этого им «критически важно» летать не только через Атлантический, но и через Тихий океан - например, из Японии, Китая и Австралии в США и Канаду.
«Считается, что «Конкорд» был убыточным, но это не совсем так. Проект оказался убыточным из-за мощного противодействия США [по экологическим нормам], которое оказалось действенным в том числе и потому, что доходы от коммерческой эксплуатации «Конкордов» формировались в основном из продаж билетов на рейсы в аэропорты Нью-Йорка и других крупных американских мегаполисов. «Конкорд» летал с промежуточными посадками из Франции в Латинскую Америку и из Англии на Ближний Восток и далее в Юго-Восточную Азию, но эти маршруты приносили существенно меньше доходов. В результате противодействия США западноевропейская промышленность выпустила меньше самолетов, чем планировалось, а программу свернули досрочно», - сказал авиаэксперт.
Тем, кто говорит о бесплатных поставках «Конкорда» авиакомпаниям и строит на этом аргументацию о несостоятельности лайнеров, Карнозов предлагает сравнить стоимость первых самолетов и цены за дозвуковые авиалайнеры той эпохи. По его словам, это огромные деньги, которые авиакомпании планировали вернуть за счет многолетней эксплуатации на рейсы из Европы в США, где машина работала рентабельно.
Сверхзвуковой самолет Concorde. Фото: nara.getarchive.net «Если открыть зарубежные авиационные издания, то последние 7-10 лет эту тему (создания сверхзвуковых пассажирских самолетов - прим. Инфо24 ) постоянно обсуждают, главным образом применительно к самолетам деловой авиации. Но проблемы при разработке таких воздушных судов не связаны с техникой. Просто под влиянием США авиационные власти стран западного мира выдвигают завышенные требования к экологическим параметрам «суперсоников» (сверхзвуковой самолет, от англ. supersonic - сверхзвуковой - прим. Инфо24 ), в частности – уровню шума на местности и величине звукового удара. Воздействовать на Штаты возможностей нет, а с их подачи выдвигаются сертификационные требования к следующему поколению «суперсоников». Если на политическом уроне не будет найдено решение, то ничего из затеи создать сверхзвуковой пассажирский самолет не получится. А если требования смягчат, то получается очень интересный проект», - рассказал Карнозов.
Он добавил, что расходы на создание подобного самолета сильно зависят от того, под какие требования его будут создавать. По словам эксперта, если требования будут «разумными», то цена проекта составит несколько миллиардов долларов, однако если создание сверхзвукового лайнера будут «подгонять» под требования США, то «бюджет в десятки, а то сотни миллиардов долларов окажется недостаточным».
Кто сможет летать на таких самолетах
Перелеты на сверхзвуковых лайнерах чрезвычайно дорогие - например, путь из Лондона в Нью-Йорк может стоить 7 тысяч долларов. Все эксперты сходятся во мнении, что если подобные рейсы и будут востребованы, то только у бизнесменов.
«Если мы говорим о сегменте бизнес-перевозок, то спрос на скорость здесь может быть. Но расход топлива в таких самолетах будет очень большим, из-за чего даже для обеспеченных людей стоимость может оказаться достаточно высокой», - рассказал Инфо24 ведущий научный сотрудник Института транспорта и транспортной политики НИУ ВШЭ Федор Борисов.
Иллюстрация: Инфо24 С ним согласен и Владимир Карнозов. По словам эксперта, сверхзвуковые самолеты нужны для «верхнего сегмента, тех, кто сегодня летает бизнес-классом и первым классом».
Попытки создать новый «суперсоник»
Максим Пядушкин рассказал, что есть люди и компании, которые пытаются выйти на рынок сверхзвуковых самолетов, однако они делают упор на бизнес-авиацию, и их самолеты будет покупать очень ограниченный круг людей.
Иллюстрация: Инфо24 «Такие проекты начинались как стартапы, собирались энтузиасты, которые делали чертежи. Но ни один стартап не может создать самолет в одиночку. Например, компания Aerion, которую поддержали Boeing и другие крупные производители. Этот проект продвинулся , наверное, дальше всех. Это дает надежду на то, что раз в это поверили крупные производители, то самолет смогут довести до испытаний, прототипа и, собственно, полета», - сказал авиаэксперт.