Приручить ударную волну

По просьбе президента

О сверхзвуковом пассажирском самолете второго поколения в России начали говорить после того, как Владимир Путин предложил сделать его на базе модернизированного стратегического бомбардировщика Ту-160. Казалось бы, почему нет? Ведь есть опыт создания дальнемагистрального Ту-114 на основе бомбардировщика Ту-95. Сам Ту-160 проектировался с учетом опыта, полученного при разработке сверхзвукового пассажирского Ту-144. Но скептики не поверили в возможность очередной конверсии и оказались правы. Проект гражданской версии боевого самолета, в котором используются технологии сверхзвуковых лайнеров первого поколения, нереализуем. Причина – в изменившихся авиационных правилах. В 2006 и 2008 годах Международная организация гражданской авиации приняла новые стандарты авиационного шума, которые привели к запрету на сверхзвуковые полеты над населенными участками суши. Этот запрет не распространяется только на специально выделенные для военной авиации воздушные коридоры. Чтобы соответствовать правилам, новые сверхзвуковые пассажирские самолеты должны стать в несколько раз тише по сравнению с самолетами первого поколения – Ту-144 и «Конкордом». А это самое сложное, поэтому самолет второго поколения нужно проектировать без оглядки на прошлое.

Задачи, поставленные перед разработчиками нового сверхзвукового самолета, относятся к категории междисциплинарных и межотраслевых. Чтобы их решить, требуется провести фундаментальные исследования в области влияния звукового удара при движении на сверхзвуковых скоростях, снижения шума двигателей и эмиссии вредных веществ, создания композитных силовых конструкций. В одиночку все это не сделать ни одному конструкторскому бюро, поэтому Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского, который в этом году отметил свое 100-летие, выступил с инициативой создания Научного центра мирового уровня «Сверхзвук». Соглашение о консорциуме участников проекта по его созданию и развитию было подписано на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2019. В консорциум вошли Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова, Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем и другие организации. Инициатива будет реализовываться в рамках нацпроекта «Наука», в котором предусмотрено создание к 2021 году трех научных центров мирового уровня, «выполняющих исследования и разработки по приоритетам научно-технологического развития».

Цель перед собой участники консорциума поставили амбициозную: создать административный сверхзвуковой самолет, который будет летать со скоростью 1700-1800 км/ч на расстояния до 7 тысяч километров. Планируется, что демонстраторы будут готовы к 2021 году, летные испытания начнутся в 2023 году, а серийное производство стартует в 2030-2031 годах.

Барьер

Главная задача, решение которой, по сути, определит судьбу проекта, – это снижение шума на всех режимах полета: при взлете, посадке, движении с крейсерской скоростью на эшелоне и т.д. Она делится на две части: уменьшение интенсивности ударной волны и создание менее шумных двигателей.

Турбореактивные двигатели, которые используются в сверхзвуковой авиации, сложно сделать тихими. А ставшие классикой в гражданской авиации турбовентиляторные двигатели с большой степенью двухконтурности не способны обеспечить выход на сверхзвуковые скорости. Звук от турбореактивных двигателей, которые используют в сверхзвуковой авиации, очень сильный. На взлете, например, есть такое явление, как фокусировка звукового удара, при котором уровень звукового давления может достигать 90-100 децибелов. В крейсерском сверхзвуковом полете, по словам специалистов, звуковое давление доходит до 72 децибелов (для наблюдателя на земле). Для сравнения, шум большого города – это 65 децибелов. Именно поэтому сверхзвуковые полеты над населенными участками суши запрещены. Причем американские власти ввели запрет в отношении европейских «Конкордов» еще до того, как те поднялись в воздух с пассажирами на борту, поэтому французы и англичане летали на сверхзвуке только над океаном. Этот же фактор стал одной из причин быстрого прекращения регулярных рейсов на Ту-144 (через 29 месяцев после начала эксплуатации и всего через 7 месяцев после начала пассажирских перевозок).

Но проблема здесь не столько в двигателях, сколько в самой физике полета на сверхзвуке.

На сверхзвуковых скоростях образуются ударные волны (как при взрыве), количество которых зависит от формы летательного аппарата. Наиболее значимые из них возникают в носовой части и в зоне хвостового оперения планера. Кроме того, волны появляются на передней и задней кромках крыла, на передних кромках хвостового оперения, в зонах завихрителей потока и на кромках воздухозаборников.

Ударная волна – это область (так называемая поверхность разрыва), в которой происходит резкий скачок давления, плотности, температуры и скорости воздуха. Она движется внутри среды, распространяется конусом и по мере удаления от источника вырождается в звуковую волну. Звук сам по себе – это колебания плотности, скорости и давления среды. Когда звуковая волна доходит до наблюдателя на земле, он слышит громкий хлопок. При этом ударные волны не разовое явление при переходе на сверхзвук, они сопровождают самолет на всем протяжении сверхзвукового полета, поэтому хлопки сливаются в непрерывный гул. А если полет проходит на небольшой высоте и ударная волна еще не потеряла свою силу, то на земле возможны разрушения (этот эффект в свое время предполагалось использовать в качестве основного поражающего фактора ударного самолета, который должен был переходить на сверхзвук на малой высоте).

Можно, конечно, летать на сверхзвуке только там, где нет людей, но тогда большинство гражданских маршрутов для таких самолетов будут закрыты. Поэтому исследователи двигаются в сторону создания планера оптимальной аэродинамической конструкции.

Не шуметь!

Эффект взрыва или очень громкого хлопка производят ударные волны N-типа. Их так назвали, потому что на графике роста давления и плотности они напоминают букву N из-за резкого повышения давления на фронте волны с резким же падением после него и последующей нормализацией. Исследователи японского агентства аэрокосмических исследований в ходе лабораторных экспериментов выяснили, что изменение формы планера может сглаживать пики на графике ударной волны за счет более плавного и не столь значительного перепада давления, превращая N-волну в волну S-типа. Предполагается, что в реальных условиях S-волны будут восприниматься как хлопок автомобильной двери – это те же городские 65 децибелов.

В 2015 году японцы собрали и испытали беспилотный планер D-SEND 2 длиной 7,9 метра, аэродинамическая форма которого была спроектирована так, чтобы уменьшить количество возникающих ударных волн и их интенсивность. На ракетном полигоне в Швеции планер сбросили с воздушного шара с высоты 30,5 тысячи метров. Во время падения он набрал скорость в 1,39 Маха. Интенсивность и число ударных волн замерялись с помощью расположенных на разной высоте привязных аэростатов, оборудованных микрофонами. По оценке исследователей, им удалось добиться заявленной цели – звуковой удар от летательных аппаратов, сопоставимых по размерам с «Конкордом», но выполненных по схеме D-SEND 2, при полете на сверхзвуковой скорости будет вдвое менее интенсивным.

По тому же пути – разработке самолета с планером новой аэродинамической конфигурации – пошла американская компания Lockheed Martin, которая по заказу NASA в рамках программы QueSST (Quiet Supersonic Transport) ведет разработку демонстратора технологий «тихого» сверхзвукового самолета X-59. Проект был защищен в сентябре 2019 года. Согласно графику, первый полет должен состояться в 2020 году, а с 2021 года начнутся пробные полеты над полигоном со звуковым измерительным оборудованием. В 2023 году X-59 начнет выполнять сверхзвуковые испытательные полеты над населенными пунктами-добровольцами (их жители согласились, чтобы над ними в будние дни летали сверхзвуковые самолеты). Задачей жителей станет субъективная оценка шумности пролета демонстратора.

С упором на уменьшение количества и интенсивности ударных волн проектируется и российский СДС/СПС (сверхзвуковой деловой самолет / сверхзвуковой пассажирский самолет). Как утверждают в ЦАГИ, им удалось найти компромисс между энергетической эффективностью и акустическим эффектом, которые определяются, прежде всего, сочетанием аэродинамики, конфигурации двигателей и их расположением. Благодаря особой компоновке и соплу с системой шумоглушения предполагаемые характеристики летательного аппарата должны быть высоки на всех режимах его полета.

Проекты

Несмотря на то, что серьезные исследования новых аэродинамических конструкций еще не завершены, несколько стартапов уже заявили о первых испытательных полетах сверхзвуковых пассажирских самолетов в середине 2020-х годов.

Наиболее близок к этому американский Aerion AS2, разработка которого ведется с 2014 года. Этот самолет попал в фокус внимания концерна Boeing, который в середине 2018 года вошел в число инвесторов стартапа. Сумма инвестиций не раскрывается, но известно, что концерн оказывает конструкторскую и производственную помощь. Помимо этого, Aerion может получить доступ к некоторым разработкам, включая бортовое оборудование, приводы, бортовое энергоснабжение и посадочные системы. Летные испытания демонстратора самолета, намеченные на 2023 год, будут проводиться на аэродроме Boeing в Рино, штат Невада.

Согласно утвержденному плану, эскизное проектирование планируется завершить к середине 2020 года, защиту технического проекта провести в начале 2022 года, а испытательный полет – в течение полутора лет после защиты. Предполагается, что сертификацию получится завершить до конца 2025 года, а с 2026 года новые сверхзвуковые самолеты начнут выполнять регулярные перелеты.

По предварительным расчетам, длина AS2 составит 51,8 метра, высота – 6,7 метра, размах крыла – 18,6 метра. Максимальная взлетная масса – 54,8 тонны. Самолет будет перевозить до 12 пассажиров.

AS2 сможет выполнять полеты над водой на крейсерской скорости в 1,4 числа Маха, замедляясь до 1,2 над сушей. Конструкторы утверждают, что меньшая скорость полета над сушей вместе с особой аэродинамической конструкцией планера позволит почти полностью избегать формирования ударных волн. Дальность полета составит 7,8 тысячи километров на скорости в 1,4 Маха и 10 тысяч километров на скорости в 0,95 Маха.

AS2 будет оснащен тремя турбовентиляторными реактивными двигателями GE Affinity, представленными в октябре 2018 года. 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. Основу двигателя составляет модифицированный газогенератор турбовентиляторного двигателя CFM56, который, в свою очередь, конструктивно основан на газогенераторе от двигателя F101 – силовой установки сверхзвуковых бомбардировщиков B-1B Lancer. CFM56 является «рабочей лошадкой» Boeing и Airbus и с 1982 года устанавливается на B737 и A320. Он же послужил базой для создания упрощенного двигателя SaM 146 для российского SSJ-100, признанного тупиковой ветвью эволюции авиадвигателей. Подробности конструкции перспективного двигателя разработчики не раскрывают. Тем не менее в GE Aviation ожидают, что удельный расход топлива двигателей Affinity будет ненамного выше или даже сопоставим с расходом топлива современных турбовентиляторных двигателей обычных дозвуковых пассажирских самолетов. Каким образом этого удастся добиться для сверхзвукового полета, не ясно.

Другой американский стартап, Boom Technologies, представил свой сверхзвуковой демонстратор XB-1 Baby Boom в 2016 году. Композитный XB-1 – двухместный прототип, больше напоминающий истребитель. А на рынок компания планирует выйти с пассажирским лайнером Overture на 45-55 мест, который сможет подняться на высоту 18 километров и развить скорость 2,2 Маха. Длина самолета – 52 метра, размах крыла – 18 метров. Самолет будет летать над сушей на дозвуковой скорости, а на сверхзвук переходить над океаном. Первый полет планируется на 2025 год.

Еще одна американская компания, Spike Aerospace, планирует начать летные испытания полноценного прототипа S-512 не позднее 2021 года. Согласно заявлению разработчиков, он будет способен перевозить 22 пассажира и 5 членов экипажа на расстояние до 11,5 тысячи километров со скоростью 1,6 Маха. Интенсивность ударной волны будет снижена за счет уникальной конструкции фюзеляжа и крыла. Интересной особенностью S-512 является отсутствие иллюминаторов – их заменят LED панели. Пока Spike Aerospace провела испытания уменьшенного прототипа под индексом SX-1.2 Модель самолета, управляемая дистанционно двумя пилотами, совершила в общей сложности семь коротких испытательных полетов. После каждого из них в конструкцию вносились корректировки и доработки.

Кому хочется, а кому колется

Насколько американские разработчики близки к цели и смогут ли они выдержать заявленные сроки – это, конечно, большой вопрос. В принципе, потенциальная рыночная ниша определена верно – бизнес-джеты и магистральные самолеты небольшой вместимости, потому что эксплуатация самолетов первого поколения, рассчитанных на перевозку 100-140 пассажиров при скорости свыше 2 тысяч километров в час, доказала их экономическую неэффективность на регулярных линиях. Премиальный сегмент ждет пассажирские сверхзвуковые самолеты. Но торопиться пока, по большому счету, незачем. Потому что не решен самый важный вопрос.

Для снятия ограничения на сверхзвуковые полеты над населенной частью суши придется провести множество испытаний и представить их результаты на рассмотрение авиационных властей, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по безопасности полетов. Ожидается, что запрет может быть пересмотрен, но случится это не раньше 2025 года. Плюс к этому могут вмешаться экологические активисты – по их расчетам, расход топлива и, соответственно, эмиссия вредных веществ у сверхзвуковых самолетов в пересчете на одного пассажира будут в 6-7 раз выше, чем у дозвуковых авиалайнеров. А это в сегодняшнем мире, где большая политика замешивается на околоэкологической истерике, очень веский аргумент.

Автор: Сергей Савинов