Ушли на второй круг. Ученые оценили попытки создать сверхзвуковой самолет

МОСКВА, 21 окт — РИА Новости, Татьяна Пичугина. На авиасалоне МАКС-2019 российские инженеры представили макет сверхзвукового пассажирского лайнера нового поколения. Технические решения, которые в нем будут реализованы, позволят создать летательный аппарат, полностью отвечающий нынешним жестким требованиям к экономичности, экологичности и комфорту.

Сверхзвуковая авиация снова в тренде

"В СССР работы над пассажирским сверхзвуковым самолетом развернулись в начале 1960-х, и уже 31 декабря 1968 года в воздух поднялся первый Ту-144. Минуло полвека, срок большой. С тех пор мир технологически сильно изменился", — рассказывает академик Сергей Чернышев, научный руководитель Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), профессор МФТИ, один из ведущих специалистов в области звукового удара.

У Ту-144 были хорошие летные характеристики, он опережал звук в 2,2 раза. Однако большой расход топлива и сложно решаемые технические проблемы значительно ограничивали его применение. Немаловажен оказался и экономический фактор.

"Топливо для него было очень дорогим, специального состава. Требовалось налаживать соответствующую наземную инфраструктуру. Это стало одним из препятствий для внедрения самолета", — продолжает академик Чернышев.

© РИА Новости / Лев Поликашин

Перейти в медиабанк

Самолет Ту-144 развивал скорость в 2,2 раза выше скорости звука

Еще одна проблема, не принципиальная в те годы, но первостепенная в наши дни, — высокий уровень шума при взлете и по достижении скорости звука. С ней столкнулся и французский "Конкорд", совершавший рейсы из Лондона до 2003 года. Сейчас эксплуатировать такие самолеты нереально: они просто не вписываются в национальные и международные авиационные нормы.

Дозвуковые лайнеры, напротив, успешно эксплуатируются по всему миру: их много, они безопасны, инфраструктура прекрасно развита, улететь можно практически в любую точку планеты, билеты обычно недорогие. Но скорость уже не устраивает глобализованный мир.

Перелет из Москвы, скажем, в Токио занимает десять часов, а с учетом проезда в аэропорт и обратно, паспортного контроля, ожидания багажа — весь световой день. По нынешним меркам это непозволительная трата времени. Вот почему в обществе снова зреет запрос на сверхзвуковую авиацию, в первую очередь среди бизнесменов и у крупных корпораций. Это чувствуют инвесторы, готовые вкладываться в подобные проекты. Вот ученые и инженеры из России, США, Японии, ЕС и взялись за разработку самолетов нового поколения.

Двигатели — ключевое звено

Разработчикам предстоит создать принципиально новые двигатели. На дозвуковые самолеты сейчас устанавливают двухконтурные силовые агрегаты с соплом большего диаметра, чтобы снизить скорость вытекающей реактивной струи, а значит, и уровень шума. Преодолеть скорость звука с ними не получится: большие двигатели увеличивают сопротивление воздуха.

"Поэтому "бочку" нужно уменьшить, тем самым уменьшив степень двухконтурности. Струя станет более скоростной, но повысится шум. Здесь одно улучшаешь, другое ухудшаешь. Простое решение — подвесить двигатели под крыло, как у дозвуковых самолетов, не годится. В нашей модели они располагаются над планером самолета. Во-первых, сам он немного экранирует их шум, во-вторых, струя вытекает на его поверхность, увлекает за собой холодный окружающий воздух, эффективный поперечный размер струи увеличивается, а скорость уменьшается, то есть мы можем ее притормозить, получив при этом хорошую тягу с двигателя. Такого больше ни у кого нет, это новая концепция", — объясняет ученый.

© РИА Новости / Рамиль Ситдиков

Перейти в медиабанк

Турбовентиляторный двигатель ПД-14, представленный на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019

Хорошо бы, конечно, продолжает он, сделать двигатель переменного цикла. На взлете у него большой поперечный размер, чтобы меньше шуметь, в полете поперечник уменьшается, снижая сопротивление воздуха и позволяя разогнаться, а на дозвуке снова увеличивается. Но это пока слабопроработанная концепция, в реальности придется искать компромисс между размерами двигателя и его расположением на планере самолета.

Военные самолеты тут не могут служить образцом. Они летают в режиме сверхзвука очень ограниченное время, и ресурс двигателей небольшой. Примерно через тысячу часов их отправляют на капремонт. Пассажирский же лайнер должен в каждом рейсе на три-четыре часа включать сверхзвуковую скорость. Ресурс быстро исчерпается, и любая, даже самая крупная гражданская авиакомпания разорится на капремонтах.

"Сейчас ни у кого нет нужного двигателя, да и проблема его размещения на планере не изучена до конца. Но прогресс есть. Современные модели раза в два экономичнее, чем те, что были пятьдесят лет назад, у них более горячие камеры сгорания, более высокая температура на турбинах за счет применения новых жаропрочных материалов. У нас скоро поступит в эксплуатацию двигатель ПД-14, базовый для нашего среднемагистрального самолета МС-21. Вот его горячую часть вполне можно взять за основу для сверхзвукового двигателя", — отмечает Сергей Чернышев.

Скелет как у птицы

Самолет летит в атмосфере, толкая перед собой и увлекая за собой огромную массу вещества. Чем выше скорость, тем сильнее сопротивление воздушной среды. Представьте, что человек с берега забегает в воду: сначала легко, а потом ноги вязнут, словно на них гири. Так же и с самолетом при переходе на сверхзвуковую скорость. Один из способов решить проблему — увеличить высоту полета до 15 или даже 18 километров. Там атмосфера менее плотная.

Чем быстрее движется самолет, тем сильнее нагревается его корпус, особенно заостренные части — носовая, передние кромки крыла, кромки воздухозаборника. Ту-144 с числом Маха крейсерского полета 2,2 нагревался до 120-150 градусов. Чуть выше — и алюминиевый сплав, из которого сделан корпус, потек бы.

Сейчас есть жаропрочные композитные материалы, в том числе полимерные на основе углеволокна. Они легче алюминия, а модуль прочности выше, чем у стали.

"Здесь важна конструктивно-силовая схема. Сегодня авиастроители всего мира используют концепцию "blackmetal" или "black aluminum" — когда скелет фюзеляжа выполнен из композитов по традиционной схеме с продольными стрингерами и поперечными шпангоутами. В новых сверхзвуковых самолетах она не годится, мы предлагаем сеточную конструкцию, причем с неравномерной ячейкой сетки: где нагрузка больше, например на крыле, там сетка гуще, в носовой части, где нагрузка меньше, — сетка редкая. Это бионическая силовая конструкция летательного аппарата, то есть как в природе. Как скелеты у птиц, человека", — подчеркивает академик Чернышев.

В беспилотном режиме

У сверхзвукового самолета должна быть иная аэродинамическая компоновка, чтобы обеспечить высокую скорость, устойчивость полета, посадку на обычные полосы. Традиционный подход, использовавшийся в Ту-144 и "Конкорде", — треугольное крыло большой стреловидности, для уменьшения лобового сопротивления воздуха и снижения звукового удара.

"В нашей модели крыло сделано в виде двойного поперечного V. Это снижает сопротивление, звуковой удар и улучшает аэродинамику", — говорит ученый.

Журавлиный нос Ту-144 стал его визитной карточкой. В полете он прямой, а при посадке опускается вниз, чтобы не загораживать пилотам обзор. Для управления им добавляли гидравлические приводы, а это лишний вес. Инженеры ЦАГИ предлагают убить сразу двух зайцев — сделать цельный фюзеляж без окон, их не будет даже в кабине пилотов. Вместо них — жидкокристаллические экраны, на которые выводится картинка с внешних камер. Таким образом проблема обзора при посадке решается сама собой.

"В салоне по бокам и на потолке ЖК-экраны. Пассажиры видят, что происходит за бортом благодаря цифровому зрению самолета, чувствуют себя комфортно. Пилоты ведут по приборам, которые сейчас куда совершеннее, чем органы чувств человека. Труба корпуса без вырезов — более прочная, за счет этого мы уменьшим толщину стенок и снизим вес конструкции", — уточняет он.

Не исключено, что сверхзвуковой самолет вообще станет беспилотным. Современный уровень автоматики это позволяет. Летчиков уже критикуют за то, что они превратились в операторов ЭВМ, но это отражает технологический тренд: вскоре самолетом будет управлять только автоматика, а на борту останется один пилот-контролер.

© Фото : ЦАГИ

Макет сверхзвукового пассажирского лайнера представлен ЦАГИ на МАКС-2019

Как образуются ударные волны

Летящий самолет генерирует в атмосфере ударные волны. Но если огромные пассажирские лайнеры неслышно пролетают у нас над головами на большой высоте, то летящий на той же высоте сверхзвуковой легкий истребитель бесшумным никак не покажется.

Дело в том, что ударные волны движутся впереди дозвукового самолета, расходятся от носа во все стороны и быстрее рассеиваются с высотой.

На сверхзвуковой скорости самолет обгоняет созданное им возмущение среды, ударная волна огибает его и формирует позади воронку — конус Маха. Подходя к земле, она создает скачок давления — звуковой удар.

© Иллюстрация РИА Новости . Из книги С.Л. Чернышева "Звуковой удар"

Самолет, летящий быстрее скорости звука, обгоняет собственные ударные волны. Они образуют за ним воронку — конус Маха

Перепад давления достигает ста паскалей для самолетов массой до 150 тонн. Это безопасно для здоровья, но дискомфортно для уха. Действует и фактор внезапности — люди просто пугаются. Регулярные же звуковые удары способны со временем повредить наземные сооружения. По этой причине, к примеру, над США летать на сверхзвуке запрещено. В Европе авиакомпаниям также предписано избегать звукового удара.

Бытует мнение, что он происходит один раз при переходе самолета на сверхзвук. В реальности лайнер формирует коридор до земли на всем протяжении полета шириной десятки и сотни километров, в зависимости от числа Маха и высоты.

Есть еще интересный эффект. Отраженная от поверхности звуковая волна достигает верхних слоев атмосферы — стратосферы или мезосферы, отражается, направляется вниз и возвращается к земле, создавая вторичный звуковой удар — порой в сотнях километров перед самолетом или сбоку от трассы полета.

Это явление объяснили советские ученые еще в 1940-х годах, изучая распространение ударных волн от взрыва снарядов. Интенсивность вторичного звукового удара ниже, но он протяжнее, ощущается как раскат грома. И это было проблемой при эксплуатации "Конкордов".

"Жители Европы жаловались на шум приближающегося самолета, хотя вроде бы он тормозил задолго до приближения к населенным районам и не должен был создавать звукового удара. Кроме первичного звукового удара, обусловленного пересечением конусом Маха поверхности океана (при приближении к земле конус исчезал, так как самолет замедлялся до дозвуковой скорости), создавался вторичный удар, устилающий, как ковром, значительные территории", — уточняет Сергей Чернышев.

Борьба со звуковым ударом

Совершенно избавиться от звукового удара при сверхзвуке невозможно — законы физики неумолимы. Остается подавлять его активными или пассивными способами. Тут многое зависит от массы и размеров самолета, высоты и скорости полета. Например, ударная волна от небольшого легкого аппарата с числом Маха 1,1 на высоте десять километров может не достигать земли. Совсем другое дело — пассажирский лайнер с числом Маха 2,2.

"Во времена Ту-144 проблема звукового удара так остро не стояла. Самолет летал только в Алма-Ату, а "Конкорд" при подлете к Европе или США переходил на дозвуковую скорость", — рассказывает РИА Новости Татьяна Киселева, кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории № 5 Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН, где исследуют звуковой удар.

Один из вариантов — ограничить скорость полета, например до числа Маха 1,6. Этим путем идут в ЦАГИ и NASA.

© Иллюстрация РИА Новости . Фото: ЦАГИ

Концепт сверхзвукового лайнера ЦАГИ

"Когда инженеры определились с параметрами полета, позволяющими минимизировать звуковой удар, можно заняться корректировкой формы летательного аппарата. Чем он длиннее и чем меньше диаметр корпуса, тем по большей поверхности самолета распределяются возмущения и меньше ударные волны", — излагает исследовательница общие правила.

Отдельная задача, которой занимаются в ИТПМ СО РАН, — как исследовать сами ударные волны, когда расчетная область занимает не две-три длины лайнера, а целый коридор высотой 15-18, шириной — десятки-сотни и длиной — тысячи километров. Для этого нужны огромные вычислительные и экспериментальные ресурсы.

Ученые действуют по двум направлениям. Смотрят, как в аэродинамической трубе поток огибает самолет, формируются скачки давления в ближнем поле, и затем численно моделируют распространение их до земли. Кроме того, изучают, как на перераспределение давления по поверхности самолета влияют форма крыла, носа, оперения и других элементов.

"Допустим, на крыле есть излом или у него определенная стреловидность. Мы исследуем, как оно будет обтекаться, как генерируются ударные волны, в какую сторону уходят, как взаимодействуют с другими частями самолета, в каком виде доходят до поверхности земли", — продолжает Киселева.

Изменение формы различных частей планера самолета, расположения двигателей, — это пассивные способы борьбы со звуковым ударом. А можно активно воздействовать на набегающий поток.

"К примеру, мы фокусировали излучение мощного лазера в определенную область в потоке, получали плазму и таким образом локально заменяли набегающий на крыло или нос самолета воздух. В принципе, это возможно, но не на данном этапе развития лазерной техники, когда она слишком громоздка, чтобы брать ее на борт. Другой вариант— охладить поток выдувом в нос самолета жидкого азота. В этом случае придется брать на борт его запас, чтобы использовать на всем протяжении полета, а это лишний вес", — рассуждает ученый.

В общем, победить звуковой удар сейчас нельзя, можно только ослабить его до какой-то величины. Главный вопрос — до какой.

Драйверы сверхзуковой авиации

"Требования по авиационному шуму за последние полвека сильно изменились. Раньше аэропорты строили вдали от городов, но мегаполисы разрастаются. Самолеты мешают людям, это вызывает обеспокоенность во всем мире, так что ограничения будут только ужесточаться", — говорит академик Чернышев.

Норм по шуму специально для сверхзвуковых гражданских самолетов не существует. Сейчас есть только глава 14 Приложения 16 к конвенции Международной организации гражданской авиации (ICAO) "Авиационный шум". Тем не менее этим занимаются. Специалисты ЦАГИ участвуют в работе ICAO и проекте ЕС. В Европе эта проблема особенно сложна из-за высокой плотности населения, необходимости согласовывать нормы со множеством стран.

"Если мы скажем людям: "Давай будем летать на сверхзвуке, но шуметь чуть-чуть побольше", нас не поймут. Все согласны только на уровень, зафиксированный в главе 14. Через пять лет его снизят еще на семь децибел. Это постоянная гонка, потому что человечество хочет комфорта и не желает терпеть шум у себя в доме", — отмечает академик.

Никто не будет строить новые аэропорты вдали от городов специально для сверхзвуковых лайнеров. Даже отдельная полоса — это слишком затратно. Самолет должен вписываться в общепринятые рамки практически по всем параметрам: уровню шума, длине полосы, толщине покрытия, составу топлива, обслуживанию. Одна из причин, по которой 600-местный лайнер А-380 компании Airbus так и не получил широкого распространения, — необходимость двухэтажного причала для пассажиров. Из-за этого не каждый аэропорт готов его принять.

© Иллюстрация РИА Новости . Фото: Boom Technology, Spike Aerospace, Aerion, NASA, Boeing

Проекты сверхзвуковых пассажирских самолетов

"Самолету также нужна очень хорошая аэродинамика. Иначе он будет садиться с большой скоростью и не успеет затормозить на стандартной взлетно-посадочной полосе. Никаких парашютов для торможения не должно быть", — добавляет ученый.

Инженеры ЦАГИ скептически относятся к заявлениям компании Boom Airliner, разрабатывающей самолет Overture и его демонстратор XB-1 Baby Boom.

"Крейсерскую скорость 2,2 Маха очень трудно обеспечить. Нужны компактные двигатели, а значит, возникает проблема шума при взлете. Компоновка, пассажиров больше пятидесяти — это большой вес. Вряд ли они впишутся в требования по шуму. Не исключено, что это лишь рекламный ход для привлечения инвестиций", — говорит Сергей Чернышев.

Проект Aerion с прямым стреловидным крылом более перспективен.

"Такое крыло лучше на дозвуке, и Aerion мог бы летать над населенными территориями. Но здесь опять палка о двух концах: сделать самолет эффективным в обоих режимах нереально, слишком противоречивые требования. К тому же крейсерская скорость с числом Маха 1,4 дает небольшой выигрыш по времени, притом что предстоит решить множество технических проблем", — комментирует академик.

NASA заявляет для своего демонстратора X-59 скорость с числом Маха 1,6 — это в два раза больше крейсерской скорости дозвуковых самолетов. Скакнуть сразу на 2,2 Маха, как это было с Ту-144, и при этом вписаться в современные экологические требования — это практически исключено.

"Двигатели должны создавать сумасшедшую тягу, чтобы самолет разрывал воздушное пространство, преодолевал сопротивление. Он будет нагреваться, генерировать ударные волны огромной энергии. Удивляюсь, что некоторые пытаются идти по этому пути", — говорит ученый.

Российская школа сверхзвуковой авиации лидирует в мире. Ее представители прекрасно понимают, какой технологический вызов брошен, поэтому считают, что эксплуатация сверхзвуковых самолетов начнется не ранее 2030 года.

Прежде всего нужен демонстратор — уменьшенная копия реального самолета. Таким была "сотка", или "изделие 100" для Ту-144. Прототип обычно рассчитан на одного-двух пилотов, а может, будет беспилотным — так собираются сделать в Японии. Задача — показать правильность технических решений по аэродинамике, управлению, работе двигателей, материалам, визуализации, отработать взлет и посадку, просчитать траекторию.

"Сейчас мы на этапе создания технологического демонстратора, нас поддерживает Минпромторг. Рассчитываем, что к концу 2023 года у нас уже будет все необходимое для запуска "летающей лаборатории". Одновременно разворачиваем работы над прототипом реального самолета. В планах до 2050 года — проект гиперзвукового пассажирского аппарата на жидком водороде с числом Маха 5", — заключает Сергей Чернышев.