Летать, опережая звук

Первые. И пока последние

Первым в мире сверхзвуковым пассажирским самолетом стал советский Ту-144. Первый полет состоялся 31 декабря 1968 года, преодоление звукового барьера – 5 июня 1969-го. Первый рабочий (почтовый) рейс состоялся 26 декабря 1975 года, пассажирские перевозки начались в 1977-м. Серийный Ту-144С мог перевозить до 150 пассажиров с максимальной скоростью до 2500 км/час. Он имел длину 65 м, размах крыльев 28 м и максимальную взлетную массу до 195 тонн. Несмотря на огромный вес, лайнер обладал изящным и стремительным силуэтом. Сильное впечатление производил отклоняемый носовой обтекатель: находясь в нижнем положении, он позволял летчикам наблюдать землю при взлетно-посадочных операциях, а в поднятом положении уменьшал аэродинамическое сопротивление в полете. Оригинальным решением было размещение в носу двух дополнительных плоскостей – они не участвовали в управлении самолетом, а направляли воздушный поток под крылья, повышая подъемную силу. С самого начала сверхзвуковые лайнеры оказались не похожи на обычные пассажирские самолеты.

Практически одновременно с советскими разработками работы по созданию пассажирского «суперсоника» велись в США, Великобритании и Франции. Так же, как и в СССР, эти проекты рассматривались как престижные и субсидировались государством. Конгресс США финансировал сразу два проекта: Lockheed L-2000 и Boeing-2707. Ни один из них не взлетел. Англия и Франция, поняв, что в одиночку они также не справятся, объединили усилия, создав консорциум, который назвали «Согласие» (Concorde).

Concorde совершил свой первый полет 2 марта 1969 года и 1 октября того же года преодолел скорость звука. Самолет оказался чуть меньше Ту-144 (длина/размах – 61/21 м, взлетная масса – до 180 т) и был рассчитан на перевозку «только» 120 пассажиров. Также несколько меньше оказалась максимальная скорость – 2330 км/час.

Внешне машины были настолько похожи, что не обошлось без обвинений в промышленном шпионаже и плагиате. Обвинений безосновательных –сходство определялось существовавшими на тот момент представлениями об аэродинамике сверхзвукового полета и уже опробованными в военной авиации конструкторскими решениями: треугольное крыло, зауженный фюзеляж большого удлинения, хвостовое оперение без рулей высоты («бесхвостка»). Даже отклоняемый носовой обтекатель, ставший одной из примечательных черт обоих самолетов, впервые был апробирован на истребителях еще в 1954 году.

Вообще, категорически утверждать, что для сверхзвукового авиалайнера был возможен какой-то иной дизайн, невозможно: кроме Ту-144 и Concordeдругих «суперсоников» не было.

Прерванный полет

Коммерческая эксплуатация Ту-144 завершилась очень быстро – уже в 1978 году. Одной из главных причин был огромный расход топлива. У серийного Ту-144С он составлял 38 тонн/час, и несмотря на то, что из 195 тонн взлетной массы 90 тонн приходилось на долю авиабензина, дальность полета лишь ненамного превысила три тысячи км. Эту проблему попытались решить заменой «родного» двигателя НК-144 на новый – РД-36, который установили на модернизированной версии Ту-144Д. Расход топлива снизился до 26 тонн/час, а дальность составила 5 тысяч км. Уже планировалось открытие сверхзвукового маршрута Москва – Красноярск. Однако двигатели РД-36 оказались недостаточно надежными – с ними произошел ряд аварий в ходе испытательных полетов, и стало ясно, что выпускать Ту-144Д в пассажирский рейс нельзя. Проект советского сверхзвукового пассажирского самолета был закрыт. Ту-144Д оказался слишком ненадежным, а Ту-144С – чересчур «прожорливым». Выиграв лидерство в гражданском сверхзвуке, СССР не смог его удержать.

Concorde ждала намного более долгая судьба. Он летал больше четверти века и успел перевезти свыше 2,5 млн пассажиров. Увы, став «вторым сверхзвуковым» «Конкорд» оказался первым, на котором погибли пассажиры. 25 июля 2000 года при вылете из аэропорта «Шарль де Голль» один из «Конкордов» потерпел катастрофу, жертвами которой стало 113 человек. После этого полеты были сначала приостановлены, а затем, в 2003 году, и совсем прекращены.

Однако главной причиной прекращения полетов Concord, как и в случае с Ту-144, стал высокий расход топлива. «Суперсоник» тратил на перевозку одного пассажира в три раза больше топлива, чем Боинг-747 и смог стать формально прибыльным лишь благодаря тому, что государственные субсидии на разработку самолета были списаны, а половину самолетов эксплуатирующие авиакомпании получили по символической цене – 1 фунт/франк.

Второй проблемой стал звуковой удар, которым сопровождается переход звукового барьера. В ходе испытаний сверхзвукового бомбардировщика XB-70 Valkyrieамериканские ВВС получили запредельное количество исков от владельцев разбитых окон по пути пролета самолета. Проблем с гражданскими «суперсониками» было ненамного меньше. В результате Concorde прижился лишь на трансатлантических маршрутах, причем на сверхзвуковую скорость лайнер как правило переходил только над океаном. Излишне объяснять, как такое ограничение маршрутов сказывается на коммерческой востребованности.

Ну, и наконец, набравшие силу «зеленые» неоднократно возмущались негативным экологическим воздействием сверхзвуковых самолетов.

Были и другие проблемы, но и уже перечисленных вполне достаточно, чтобы «суперсоники» перестали летать.

Барьеры на пути сверхзвуковых лайнеров

Несмотря ни на что, сама идея сверхзвукового авиалайнера остается востребованной и регулярно выходит на стадию научно-исследовательских работ и эскизного проектирования. При этом все понимают, что создать сверхзвуковой авиалайнер не проблема. Проблема сделать так, чтобы он удовлетворял многочисленным и во многом противоречивым современным требованиям.

В общих чертах они были озвучены в ходе проведенной на МАКС-2021 конференции. В области летно-технических характеристик: высокая экономичность крейсерского сверхзвукового полета, высокая экономичность дозвукового полета, умеренная длина взлетно-посадочной полосы. В области экономики: высокий ресурс двигателя, приемлемая цена, топливная эффективность и уровень эксплуатационных расходов. В области экологии: минимальное воздействие звукового удара на трансзвуке и в крейсерском полете, выполнение перспективных норм по уровню шума на местности, минимальная эмиссия вредных веществ и минимальное воздействие на озоновый слой и климат.

Решить эти задачи мешает не менее обширный круг проблем. В их числе: отсутствие международных норм по допустимому уровню звукового удара при полете над населенными районами и сложность выполнения сверхзвуковым самолетом существующих международных норм по шуму на местности для дозвуковых самолетов, отсутствие достоверных знаний по физике распространения ударных волн малой интенсивности в атмосфере и по возможности достижения приемлемого для населения уровня звукового удара. Кроме того, отсутствие готовых к применению силовых установок, обеспечивающих дальность полета и допустимый уровень шума в зоне аэропорта, трудно достигаемый компромисс между высокими летно-техническими характеристиками и низким экологическим воздействием. И прочее, и прочее...

Очевидно, что потребный для достижения высокой конкурентоспособности уровень характеристик не может быть реализован на базе традиционных решений и технологий и требует разработки уникального технического облика. Для решения указанных проблем необходим поиск, разработка и многодисциплинарная отработка принципиально новых решений по аэродинамической компоновке, силовой установке, конструктивной силовой схеме, системам управления и др. И эти работы уже ведутся – как в мире, так и в России.

«Суперсоники» второго поколения готовятся к старту

Авиационная промышленность продолжает демонстрировать стремление к созданию современных сверхзвуковых авиалайнеров. Что неудивительно – по экспертным оценкам, потребность рынка в таких машинах может увеличиться в 1300 раз в течение 10-летнего периода, расширившись до 260 миллиардов долларов к 2030 году.

В марте 2016 года компания Boom Technology представила мировой общественности проект самолета на 40 пассажиров, способного летать на скорости 2,2 Маха. Утверждалось, что он будет тише и на 30% эффективнее, чем «Конкорд», и сможет долететь из Лос-Анджелеса в Сидней за 6 часов. В том же году NАSА подписала контракт с Lockheed Martin (одной из участниц еще первой гонки за сверхзвук, не добившейся тогда успеха) на создание прототипа авиалайнера X-59 QueSST, который на скорости 1,6-1,8 Маха должен иметь уровень шума, воспринимаемого с земли, 75 Дб вместо 105 Дб у Concorde. В июне 2019 года Lockheed Martin представила концепцию авиалайнера, рассчитанного на перевозку через Тихий океан 40 пассажиров со скоростью 1,8 Маха. Снижение уровня шума и звукового удара по проекту должно обеспечиваться значительно удлиненной (по сравнению с «суперсониками» первого поколения) конструкцией фюзеляжа с фигурной стрелой, резко стреловидным крылом, интегрированной малошумной двигательной установкой и системой внешнего обзора кабины. Цели проектирования: дальность полета – 7800-9800 км, длина взлетного поля – 2900-3200 м, звуковой удар – 75-80 дБ и скорость – 1,6-1,7 Маха над сушей и 1,7-1,8 Маха над водой. В 2021 году был собран планер прототипа.

В России гражданский «сверхзвук» сейчас находится на стадии научно-исследовательских работ и эскизного проектирования. Рассматривается несколько типов сверхзвуковых пассажирских самолетов. ПАО «Туполев», опираясь на наработки, достигнутые при создании бомбардировщика Ту-160 с изменяемой геометрией крыла, разрабатывает самолет вместимостью в 30 пассажиров, взлетной массой 30 т и скоростью 1,4-1,8 Маха.

Однако на первом этапе более реальной выглядит идея маломестного самолета. ЦАГИ разрабатывает бизнес-джет вместимостью 6 пассажиров. Уже определен эскизный облик перспективного самолета, который получил название «Стриж». Длина «Стрижа» должна составить 38 м, скорость – около 2 тысяч км/час, дальность полета – 6-8 тысяч км. Бизнес-джет должен получить оригинальную аэродинамическую схему с удлиненным передним отсеком, V-образным крылом и раскинутыми крыльями. В части разработки силовых установок рассматриваются такие инновационные варианты, как двигатель изменяемого цикла и распределенная силовая установка. Предполагается, что в новой силовой установке необходимый уровень тяги будет обеспечен при относительно низком расходе топлива. Это должен обеспечить ряд уникальных конструкторских решений: воздухозаборники, расположенные сверху на фюзеляже и инновационные сопловые аппараты двигателя в хвостовой части самолета. Размещение воздухозаборников поверх фюзеляжа также должно уменьшить шумность при взлетно-посадочных операциях и уменьшить эффект звукового удара. Разработка газогенератора – основного элемента сверхзвукового авиадвигателя должна быть завершена к 2024 году. Гашение звуковой волны, за счет эффекта интерференции (наложения волн друг на друга), должна обеспечить и упомянутая необычная форма планера.

Конструктивно-силовая схема планера будет построена на пробионических (природоподобных) принципах, предусматривающих неравномерную структуру, работающую в разных местах под разными нагрузками. Планируется широкое использование композиционных материалов. Форма носовой части не предполагает остекление кабины пилотов. Прямую визуализацию заменит синтезированная, созданная при помощи систем искусственного зрения и дополненной реальности. Это потребует высокого уровня интеллектуализации и насыщенного информационного поля кабины пилотов. Реализация столь сложной концепции, безусловно, займет много времени, но есть основания полагать, что новый российский сверхзвуковой пассажирский самолет взлетит уже в этом десятилетии.

Россия вновь включилась в гонку за сверхзвук. И будем верить, что она вновь окажется в ней первой.

Материал подготовлен при поддержке АО «КБЭ XXI века». Редакция «ДК» выражает искреннюю благодарность директору предприятия Виктору Уланову.

Андрей Солдаткин