Сверхзвук 2.0: когда появятся наследники «Конкорда» и Ту-144?

Дмитрий Ласьков, редактор Авто Mail.ru
15 января 2019 09:35, Статьи, Технологии
Обзор разработок супербыстрых авиалайнеров

Сегодня пассажирские самолёты летают со скоростями до 1000 км/ч. Такая крейсерская скорость обеспечивает оптимальный баланс расхода топлива (а значит, и стоимости билетов) и времени перемещения. Но пассажиры уже 40 лет назад летали со скоростью свыше 2000 км/ч! А потом что-то пошло не так, и прогресс увеличения скорости в воздухе не только застопорился, но и сменился регрессом. Окончательно и бесповоротно?

Конечно, нет — ближе к нашему веку появились новые материалы, технологии и знания в аэрокосмической области, и вскоре проекты новых скоростных авиалайнеров стали заявлять о себе один за другим. Идея гражданского сверхзвука по-прежнему манит человечество, поскольку позволит вдвое сократить продолжительность перелётов. Например, пересечь Атлантику за 3,5 часа, а Тихий океан — за 6-7. Для начала немного о том, с чего всё началось и почему вскоре забуксовало.

История и проблемы сверхзвуковых лайнеров

Скорость звука — это примерно 1200 км/ч у земли и 1050 км/ч на высоте 11 км. Разница возникает из-за того, что чем дальше от земной поверхности, тем медленнее распространяется звук. Поэтому для измерения скорости звука существует понятие числа Маха (от фамилии учёного — Mach), где 1 Мах — это когда скорость, с которой самолёт рассекает воздух, равна скорости распространения на этой высоте и в этой среде звука.

Знаменитый свисающий нос «Конкорду» был нужен для того, чтобы улучшить пилоту видимость во время взлёта, посадки и наземного руления. А в полёте длинный обтекатель принимал горизонтальное положение, чтобы обеспечить оптимальную аэродинамику планера

Впервые скорость звука преодолели на американском истребителе в 1957 году. Первые (они же последние серийные на сегодняшний день) пассажирские разработки появились почти одновременно: сначала на испытаниях полетел отечественный Ту-144 (31 декабря 1968, Concorde — 2 марта 1969), а начало коммерческих перевозок взял на себя франко-британский Concorde (1976 — 2003). Ту-144 продержался в небе всего ничего: с 1975 по 1978 год, да и то первые два года он перевозил только грузы.

Считается, что советский самолёт погубила низкая надёжность конструкции и отсутствие рынка, то есть маршрутов с соответствующей инфраструктурой. Французская машина летала 27 лет, но всё равно перелёт стоил дороже обычных рейсов в несколько раз из-за огромного по меркам традиционных лайнеров расхода топлива. При этом самолёт был слишком большим — при таких ценах не получалось полной загрузки рейсов, к которой стремится каждый авиаперевозчик. Добили каждый из суперсамолётов 70-х громкие катастрофы, в которых отметились и «Тушка» (1973 и 1978), и «Конкорд» — в 2000.

Несколько лет назад японское аэрокосмическое агентство провело тесты в рамках проекта D-Send: аэродинамически эффективный планер сбросили с высоты 30 километров вертикально вниз: в свободном падении он преодолел скорость звука, а шум регистрировался микрофонами на висящих в воздухе аэростатах. Исследования показали эффективность такой формы (шум уменьшился вдвое в сравнении с разработками 20 века), а результаты были переданы международной организации гражданской авиации

Ещё одна проблема сверхзвука — это шум, который создают такие самолёты. Когда летательный аппарат движется быстрее звука, он создаёт в атмосфере постоянную ударную волну, которая на земле слышна громким хлопком вроде взрыва. Это причиняет дискомфорт людям и животным на обитаемых территориях. Поэтому сверхзвуковые полёты над территорией Америки и ряда других стран запрещены с 1973 года, но в октябре прошлого года Трамп дал предписание регулирующему органу рассмотреть возможность снятия запрета. А международные авиационные организации сейчас изучают возможность создания новых стандартов шума и выбросов отдельно для сверхзвуковой техники.

Кроме того, аэродинамика на сверхзвуковой скорости работает несколько иначе, чем на дозвуковой. Конструкторам приходится решать сложные задачи, чтобы планер такого самолёта вёл себя стабильно и обеспечивал уверенную управляемость как на сверхзвуке, так и на низких скоростях при взлётах и посадках. Меняются и свойства потока, в том числе температура, которая может повредить корпус. Всё это требует дорогих материалов и колоссальных усилий при разработке.

По оценкам самолётостроительного стартапа Boom (на фото), чтобы сверхзвук был выгодным для перевозчиков, требуется всего лишь на треть снизить расход топлива относительно того, какой был у «Конкорда»

Но человечество не отказалось от мечты о сверхзвуке, и вот какие проекты находятся сейчас в разработке сверхбыстрых лайнеров принципиально нового поколения.

Boom Airliner — по мотивам «Конкорда»

Американский стартап Boom Technology создаёт 55-местный лайнер с крейсерской скоростью 2,2 Маха (около 2300 км/ч) и запасом хода 8 300 км. Билет планируется продавать по цене бизнес-класса в нынешних самолётах (около 5000 долларов по маршруту Лондон-Нью Йорк), но при этом обеспечивать всем пассажирам схожий уровень комфорта. В разработку уже инвестировали 85 миллионов долларов несколько венчурных фондов, а также два авиаоператора: Japan Airlines и Virgin Group. Конкордообразный лайнер планировалось представить рынку к 2023 году (сейчас уже перенесли на 2025), а до этого конструкция будет тестироваться в виде прототипа XB-1 Supersonic уже в следующем году.

Длина будущего Boom Airliner — 52 метра, размах крыльев 18 метров, масса 77 тонн. Цена — 200 миллионов долларов без опций и интерьера: как два среднеразмерных Airbus A320 или половина исполинского Airbus A380

Двухместный демонстрационный самолёт должен проверить в воздухе все расчёты, сделанные в результате аэродинамических тестов макетов и компьютерной симуляции. С его помощью разработчики планируют убедиться в том, что на таких скоростях и высотах (18 км, тогда как «Конкорд» летал на 12) материалы (в конструкции много карбона) выдерживают все силы и температуры, а аэродинамика планера позволяет ему надёжно управляться. В настоящее время производится сборка действующего XB-1, а первый полёт пройдёт над военными базами в пустынях на юге Калифорнии.

Двигатели — три турбореактивных установки без форсажной камеры. Такое количество силовых установок выбрано для уменьшения шума при взлёте и увеличения надёжности

Особенности аэродинамики включают в себя тянущиеся почти к носу фюзеляжа дельтавидные крылья — это позволяет сгенерировать больше подъёмной силы на сверхзвуковых скоростях, а также снизить скорости взлёта и посадки. Сам фюзеляж немного сужается к хвостовой части, это повышает стабильность на «сверхзвуке». Форма крыльев оптимизирована с тем расчётом, чтобы сделать сверхзвуковой хлопок тише. Кстати, шум от ударной волны во время сверхзвукового полёта заявлен в 30 (!) раз более тихим, чем у «Конкорда». Но если новые шумовые нормы так и не будут приняты, то Boom Airliner будет летать со скоростью 2,2 Маха только над океанами.

Aerion AS2 — 1600 км/ч частным джетом

Компания Aerion из Невады разрабатывает похожий по габаритам на проект Boom сверхзвуколёт AS2. Но его концепция несколько иная, а ТТХ не такие громкие. Так, рассчитанный на 8-11 пассажиров джет сможет двигаться в воздухе со скоростью до 1,4 Маха (около 1 600 км/ч) над необитаемой территорией океанов и 0,95 Маха (1 140 км/ч) над сушей и островами. Также разработчики рассчитывают, что смогут получить одобрения авиационных ведомств на полёты со скоростью 1,1 — 1,2 Маха, где при некоторых атмосферных условиях на такой скорости можно двигаться без сверхзвукового хлопка.

Дальность полёта AS2 — от 7,8 до 10 тысяч километров в зависимости от скорости

Работа над самолётом ведётся совместно с Airbus (аэродинамика) и американским разработчиком истребителей Lockheed Martin (двигатели и прочее оборудование). Первые полёты ожидаются в 2023 году, а сертификация для гражданского использования — к 2025. У компании уже есть заказ на 20 единиц техники ценой 120 миллионов долларов за самолёт. Aerion AS2 также имеет турбореактивные двигатели General Electric (тоже три мотора — для снижения шума), а в аэродинамике интересна форма крыльев и Т-образный хвост.

Spike S-512

Компания Spike Aerospace из Бостона создаёт нечто среднее по формату между двумя вышеупомянутыми самолётами. Их лайнер S-512 рассчитан максимум на 18 пассажиров и скорость до 1,6 Маха (1 770 км/ч) при дальности полёта до 11,5 тысячи километров. Главная особенность этого самолёта в том, что благодаря хитрой аэродинамике он будет производить очень мало шума даже при полёте на максимальной скорости, и это должно убедить авиационные ведомства в возможности сверхзвуковых полётов над обитаемыми территориями.

Длина Spike S-512 — 37 метров, а максимальная масса — 50 тонн. В отличие от Boom и Aerion, в Spike используют всего два двигателя

Ещё одна уникальная фишка Spike — интерьер, где на стенах вместо иллюминаторов расположены огромные дисплеи с возможностью вывода на них документов, развлекательного контента или изображения с внешних камер самолёта. Ещё один вариант — картинка, которая будет формировать нужную атмосферу: фотографии или видео мегаполиса, северного сияния, звёздного неба или джунглей — аналогичную концепцию взяли на вооружение разработчики беспилотных автомобилей и вовсю демонстрируют в своих прототипах. Тестовые полёты запланированы на 2021 год, а сертификация и начало поставок — на 2023.

NASA X-59 QueSST

Это демонстрационный самолёт, созданный компанией Lockheed Martin по заказу американского аэрокосмического агентства NASA. Там тоже решили исследовать возможности возобновления сверхзвуковых полётов и, как и большинство участников рынка, сосредоточились на уменьшении шума. Форма планера самолёта X-59 QueSST напоминает ту, что несколько лет назад нарисовали японцы в рамках исследовательского проекта D-SEND, и уровень шума заявлен примерно такой же низкий — 75 дБ в воздухе и 60 дБ на земле. Главный вопрос — что будет с этой разработкой в случае успеха испытаний и будет ли (и кем?) создана коммерческая пассажирская версия.

Кокпит вместе с креслом-катапультой и колпаком взяты от тренировочного истребителя Northrop T-38, а шасси — от истребителя F-16. Ограниченный обзор вперёд компенсируется видеокамерой

Первые воздушные испытания демо-самолёта намечены на 2021 год, а сейчас уже готов финальный дизайн и проведены многочисленные тесты макета в аэродинамической трубе. Форма планера рассчитана так, чтобы не давать возмущениям воздуха от разных частей самолёта сливаться и усиливать друг друга, поэтому X-59 QueSST обещает быть таким беспрецедентно тихим. Длина фюзеляжа — 29 метров, а максимальная масса — меньше 15 тонн. Единственный двигатель сможет разгонять X-59 QueSST до почти 1 600 км/ч (1,5 Маха) и поддерживать крейсерскую скорость на отметке 1 500 км/ч. Высота полёта — 16,8 километра.

Airbus: из Лондона в Нью Йорк за 1 час

Пока одни пытаются одолеть сверхзвук, компания Airbus совместно со всё тем же японским аэрокосмическим агентством грезит уже о гиперзвуке. Это полёты на скорости в 4 Маха и больше, то есть свыше 4000 км/ч. По сути это уже нечто среднее между самолётом и ракетой, потому что полёты предполагаются на высоте 32 км, в верхних слоях стратосферы. Да и минимум один из двигателей будет ракетным, а также сохранится и традиционный турбореактивный для взлёта и низких скоростей, и главное — добавится гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель для полётов на «максималке», как у самых быстрых военных ракет. Грубый прогноз создания такого ракетолёта — 2050 год.

Быстрейший из испытанных на сегодня летательных аппаратов — беспилотный NASA X-43, который в 2004 году развил скорость 9,6 Маха (почти 12 тысяч км/ч) на высоте 33,5 км

Быстрейший из современных

Тем временем, самым скоростным из пассажирских самолётов современности оказался Boeing 787-9 Dreamliner Норвежских авиалиний, который долетел из Нью-Йорка до Лондона за 5 часов и 13 минут, достигнув максимальной скорости 1249 км/ч относительно земли, что на 320 км/ч превышает крейсерскую. Это стало возможно благодаря сильнейшим попутным ветрам над Атлантикой, которые дули как раз с такой скоростью. Но сверхзвуком это считать нельзя, потому что скорость относительно воздушной среды была всё равно меньше 1000 км/ч.

Причём это не единичное подобное достижение — до этого другие пилоты на таких же авиалайнерах проделывали маршрут за 5 часов 16 минут и 5 часов 20 минут. Быстрейший из пассажирских сверхзвуковых полётов по маршруту Лондон — Нью-Йорк был осуществлён в 1996 году на «Конкорде» компании British Airlines. Он длился 2 часа 53 минуты — примерно столько сегодня продолжается, например, рейс Москва-Мюнхен.

Подпишитесь на нас