На какой высоте летают самолеты гражданской авиации в россии и 39 лет назад МиГ-25 установил абсолютный рекорд наибольшей высоты полета для самолетов с реактивным двигателем.⁠⁠

Пассажирские сверхзвуковые самолеты могут вскоре вернуться в авиацию. Для этого они должны стать иными, чем ушедшее первое поколение. Каким же будет новое?

Сверхзвуковое движение в земной природе встречается редко. Это либо падение небесных тел всяких размеров, проходящих сверхзвуковой этап атмосферного пути. Либо вулканы со сверхзвуковыми течениями парогазовых смесей в извержениях и вулканические взрывы, бросающие породу со сверхзвуковой скоростью. Человеческий вид пришел к сверхзвуковому движению через баллистику, от пуль и снарядов, скорости которых достигли сверхзвуковых. Вероятно, это был XlX век. Сверхзвуковыми были и осколки боеприпасов, что давало их большое боевое действие уровня пулевого и больше. В конце XlX века появилась сверхзвуковая область науки, изучающая сверхзвуковое движение. А шведский инженер Густав Лаваль сделал сверхзвуковое сопло, дающее сверхзвуковую струю пара для лопаток паровой турбины. Так был получен стабильный сверхзвуковой поток.

В начале XX века немецкий физик Людвиг Прандтль создал методы расчета сверхзвуковых течений и явлений. В 1909-м по его расчетам построена первая сверхзвуковая аэродинамическая труба в Геттингене, дав сверхзвуковой поток для работ в лабораторных условиях. Прандтль придумал метод расчета сверхзвукового сопла, которым проектируют сверхзвуковые сопла с высокой газодинамической точностью. Это открыло дорогу к ракетным двигателям со сверхзвуковым истечением ради реактивной силы тяги. Сверхзвуковые сопла разогнали ракеты до сверхзвуковых скоростей — и человек перешел к сверхзвуковым летательным аппаратам. Так баллистика вернулась к сверхзвуковому движению — уже не для метания, а для управляемого полета. Баллистическая «Фау-2» стала первым управляемым сверхзвуковым аппаратом.

Вскоре к сверхзвуку пришла авиация. Скорость в авиации — главная величина. Первым горизонтальный пилотируемый сверхзвуковой полет выполнил американский летчик-испытатель Чак Йегер в 1947 году на ракетном самолете Bell Х-1. Быстро появились первые боевые сверхзвуковые самолеты — советский МиГ-19 и американский F-100 «Супер сейбр» (North American F-100 Super Sabre). После широкого освоения сверхзвука боевой авиацией пришел черед сверхзвуковых пассажирских самолетов. Советский Ту-144 с первым пассажирским рейсом 1 ноября 1977 года сделал 55 пассажирских рейсов и был снят с эксплуатации. Чуть раньше, в 1976 году, начал пассажирские перевозки англо-французский «Конкорд» (Concorde), летавший до 2005 года. После его полетов пассажирская авиация взяла в сверхзвуке паузу до сегодняшнего дня.

Что такое сверхзвук

Скорость в аэродинамике берется относительно потока, которым становится для самолета воздух. Важно, насколько медленнее или быстрее звука летит самолет. Это покажет число Маха, или М, главное сверхзвуковое число. Оно меряет скорость полета в скоростях звука. И равно отношению скорости полета к скорости звука: М=V/a.

Любая скорость (полета или течения) имеет свое значение числа Маха. При скорости звука М=1. Значения меньше (М<1) — дозвуковые, больше единицы — сверхзвуковые (например, М=1,7). У числа Маха есть лишь численное значение и нет единиц измерения. Оно безразмерно, как все аэродинамические критерии подобия, только число. Единицы «один Мах» нет, в «Махах» говорят техническим жаргоном для быстроты. И раз число Маха может принимать любое численное значение, скорость потока не может быть равна «двум числам Маха».

Что такое скорость звука? Это скорость движения несильных уплотнений в толчее молекул газов воздуха — акустических колебаний. Быстрота движения уплотнений создается скоростью самих молекул. Мера их энергии движения и есть температура. Поэтому скорость звука зависит от температуры. И меняется в жару и мороз или с высотой. Чем жарче, тем выше скорость звука. Чем быстрее толчея молекул, тем быстрее они передадут свое уплотнение — звуковое колебание. Поэтому скорость звука всегда берут местную, текущую, в данных условиях. На уровне моря в стандартной атмосфере скорость звука — 340,29 м/с.

Зачем человеку лететь со сверхзвуковой скоростью? Для боевых или разведсамолетов ответ очевиден: управление машиной ради боевых или других прикладных дел ее сверхзвукового полета. Например, неуязвимость разведывательного SR-71 создавалась крейсерской скоростью, близкой к километру в секунду. Пассажиру нужно просто перемещение, лучше — быстрое. С ростом скорости растет и ее цена. Кто-то готов лететь дороже, но быстрее. «Конкорд» шел из Лондона в Нью-Йорк три часа, а дозвуковые самолеты летят шесть часов. Короткий полет комфортнее. Сверхзвук сократит полет в разы. Одновременно технологии сегодня решают все больше задач без тела человека и нужды физического перемещения.

Растет число людей, которые легко могут оплатить сверхзвуковой перелет. Состоятельные могли бы купить сверхзвуковой самолет для своих поездок, как яхты или обычные самолеты. Летать на сверхзвуке для кого-то просто круто, и это может быть фактором выбора. Тогда большой сверхзвуковой расход топлива и затратность полета могут оказаться второстепенными. Ограничивает сверхзвуковые полеты сегодня не экономика.

Особенности сверхзвукового полета

У сверхзвукового полета есть особенности, которые необходимо отразить в конструкции сверхзвуковой техники.

Сжатие. При сверхзвуковом полете главной особенностью воздуха становится его сжимаемость. Лобовые участки конструкции сжимают встречный воздух — носовой обтекатель, передние кромки крыла, киля, стабилизаторов. Сжатие возникает и на всех наклонных поверхностях, встречающих поток. Конструкцию обжимает поток с повышенным давлением. Это добавляет нагрузку и требует упрочнения нагруженных мест.

Нагрев. При многократном сжатии рост температуры ощутимый. Передние кромки и выступающие в поток части самолета при М=3 нагреваются до 330°С. С ростом скорости температура растет стремительно. Важно обеспечить работу лобовых элементов при таком нагреве. Например, сделав их из титана или специальных сталей. Нагревается и вся обшивка, обтекаемая сжатым и потому нагретым потоком. Нагреваются снаружи стекла кабины и иллюминаторов, повышая требования к прочности.

Изменение аэродинамической центровки. Сверхзвуковой самолет должен хорошо летать и на сверхзвуковом, и на дозвуковом режиме. Ведь взлет и посадка происходят с дозвуковой скоростью. Картина дозвукового обтекания самолета при переходе за скорость звука резко меняется. Устойчивость и управляемость самолета на сверхзвуке становятся другими. Это нужно учитывать в процессе управления и отражать в системе управления полетом.

Сопротивление полету и расход топлива на сверхзвуке резко возрастают, и чем выше скорость, тем больше сопротивление. Корпус самолета сжимает слои воздуха — работает наружным компрессором. Эта работа оплачивается скоростью, тормозя самолет. И ударная волна (о ней ниже) уносит энергию, рождая волновое сопротивление. Сверхзвук требует большого роста силы тяги, в полтора-два раза. Это форсаж с многократным расходом топлива.

Но не эти трудности продолжают сегодня паузу в пассажирской сверхзвуковой авиации. В конце концов, эти технические задачи решаются в боевой сверхзвуковой технике, нормально выполняющей сверхзвуковые полеты.

Прогулка в газодинамику

Как мы отмечали, главной сверхзвуковой особенностью является многократная сжимаемость воздуха. Сжатие происходит необычно, не постепенно, как в накачиваемой автошине. Воздух сжимается в сверхзвуковом течении чрезвычайно быстро, динамично, практически мгновенно — за одну стомиллионную долю секунды. Поэтому такое сжатие называется газодинамическим. Оно происходит на очень тонкой — толщиной всего пару пробегов молекул — поверхности внутри потока. Поверхность сжатия располагается в потоке косо, под углом (тогда поток за ней остается сверхзвуковым) или перпендикулярно (поток за ней становится дозвуковым). Сразу за ней поток оказывается уплотненным — с возросшими плотностью, давлением и температурой — и с меньшей скоростью.

Эти изменения скорости, плотности, давления и температуры происходят скачкообразно, абсолютной ступенькой. Из-за резкого, скачкового уплотнения поверхность сжатия назвали скачком уплотнения. Налетающий сверхзвуковой поток ударяет по скачку всей мощью своего движения, словно молотом. Этот удар плющит и уплотняет воздух на скачке. Поэтому такое сжатие называется ударным. Сжатый воздух выдавливается за скачок уплотнения новыми сжимаемыми порциями набегающего потока. Его объем теперь сократился, и он движется медленнее. Замедление пропорционально сжатию в скачке.

Сверхзвуковые скачки уплотнения возникают на передних частях конструкции — кромках крыла, киля и стабилизаторов, воздухозаборников, на выступе кабины, вокруг носовой части. На всем, что выступает в сверхзвуковой поток. Отдельные скачки от крыльев, киля и других элементов с удалением от самолета постепенно сливаются и образуют конус, расходящийся позади самолета. Конус протягивается очень далеко в пространство, уходя от самолета на многие километры вверх, вниз и в стороны, и называется конусом Маха, в честь австрийского физика, одного из основоположников газодинамики (то есть сверхзвуковых дел) Эрнста Маха. Чем быстрее летит самолет, тем более узкий и острый конус Маха. На гиперзвуковых скоростях — допустим, М=15 — скорость вытягивает конус в узкий рукав с малым углом расширения в 7,6 градуса. При скорости М=1 конус «распрямляется» в плоскую поверхность, перпендикулярную полету. При переходе на дозвук он исчезает.

На поверхностях самолета и близко к ним уплотненный воздух за скачком продолжает течь сжатым. Дальше от самолета скачок уплотнения протягивается в свободный воздух. В открытом пространстве атмосферы сжатый скачком воздух сразу начинает быстро расширяться. Настолько быстро, что по инерции «проскакивает» атмосферные параметры и создает разрежение, которое быстро «схлопывается» атмосферным давлением. На графиках давления, плотности и температуры воздуха это выглядит острой вершиной сжатия (с передней вертикальной стенкой, собственно скачком уплотнения) и последующей впадиной разрежения. Перед нами типичные для волны горб и впадина, только со своими особенностями формы.

Это и вправду волна. Скачок уплотнения, область сжатия за ним, последующая область разрежения и возвращение к начальным параметрам воздуха все вместе образуют ударную волну. Волновой процесс теряет мало энергии и весьма устойчив и поэтому может проходить большие расстояния. Сейсмические волны проходят насквозь земной шар, сильные ударные волны в атмосфере способны многократно обогнуть Землю. Ударная волна от сверхзвукового самолета не так сильна, но и она легко проходит десяток и больше километров от самолета. В том числе и вниз, достигая земли и пробегая по земной поверхности.

Действие конуса Маха

Прохождение через человека конуса Маха от летящего на сверхзвуке самолета выглядит как мощный и резкий звуковой удар, похожий на сильный удар грома. Так бывает при высоте полета в несколько километров. Если самолет летит низко, то одним громовым ударом дело не ограничивается. Низкий проход на сверхзвуке может выбить стекла в домах, а людей оглушить.

Однажды шли крупные войсковые учения с имитацией ядерного удара. В то время эта задача была насущной и отрабатывалась масштабно. Для изображения удара командировали двух летчиков-истребителей ПВО. На своих сверхзвуковых Су-9 они должны были парой пройти на небольшой высоте над позициями войск в сверхзвуковом режиме. Их конус Маха должен был имитировать прохождение ударной волны ядерного взрыва. А черный дым от нескольких взорванных в «эпицентре взрыва» бочек с бензином — подняться атомным грибовидным облаком.

Летчики слетали посмотреть местность, рассчитали время и рубеж перехода на сверхзвук, длительность сверхзвукового участка, расход и запас топлива для форсажа на сверхзвуке, весь маршрут полета и другие детали. Для лучшей имитации выбрали скорость ненамного больше звука, 1300 км/ч, при которой конус Маха за самолетом раскрывается в почти плоскую, слабоконическую тарелку с самолетом в центре. Ее ударная волна падает на местность не сверху, а надвигается сбоку, сразу под самолетом, почти вертикальной стеной, как у реального наземного ядерного взрыва.

Взлетели, подошли к району, снизились до трехсот метров, ниже на сверхзвуке брать не стали из-за возможного проявления казахского мелкосопочника. Пройдя ориентиры рубежа, разожгли форсаж, перешли на сверхзвук и пошли над рельефом на скорости 1300 км/ч. Значение числа Маха полета с учетом холодной погоды было примерно М=1,15.

Эффект вышел отменным. После подъема в небо гриба бензиновой сажи по войскам прошла ударная волна. Наблюдатели в высоких званиях, смотревшие в бинокли на действия войск, непонятно каким образом тоже оказались в зоне согласованного маршрута пролета пары. Ударная волна оглушила наблюдателей и сбила с ног, повалив на землю. Папахи и фуражки дружной стайкой улетели в казахстанскую степь. Что вызвало крепкие начальственные слова в адрес летчиков и организаторов «ядерного удара». Но они лишь четко выполнили поставленную задачу. Автор хорошо знал одного из летчиков, рассказавшего детали этого полета.

Из-за ощутимого акустического действия конуса Маха полеты на сверхзвуковых режимах над населенными местностями ниже высоты 18 км запрещены. Шум сверхзвукового полета стал главным фактором запрета. Сверхзвуковые полеты боевых самолетов проводятся в специально отведенных зонах. На сверхзвуке летают много. Истребительный полк выполняет сотню сверхзвуковых полетов в месяц. Пилоты должны иметь навык таких полетов. Курсы боевой подготовки летчиков сверхзвуковой авиации включают тридцать-сорок и более упражнений — специально построенных полетов с конкретной задачей, выполняемых на сверхзвуке. Помимо этого каждый сверхзвуковой самолет после капитального ремонта облетывается летчиком-испытателем перед передачей в войска. Облет включает два полета на дозвуке и два на сверхзвуке.

Например, в США для сверхзвуковых полетов выделены так называемые сверхзвуковые коридоры. Самый большой из них — высотный сверхзвуковой коридор (High Altitude Supersonic Corridor, HASSC), расположенный в Южной Калифорнии. Он тянется от северо-запада Лос-Анджелеса до реки Колорадо возле Лас-Вегаса, штат Невада. Часть HASSC проходит через воздушно-космический комплекс специального назначения R-2508, объединяющий базу ВВС Эдвардс, центр военно-морской авиации Чайна-Лейк и армейский форт Ирвин. Поэтому в этом коридоре выполняют сверхзвуковые полеты разного назначения летчики ВВС, ВМФ и других частей вооруженных сил.

В конце прошлого года министерство транспорта штата Канзас в центральной части подписало соглашение с FAA о создании Канзасского сверхзвукового транспортного коридора (SSTC) для испытания самолетов, летающих со скоростью до М=3. Коридор длиной 770 морских миль (1426 км) будет двунаправленным и проходить от Гарден-Сити на восток почти до Питсбурга на высотах выше 39 000 футов, или 11 887 метров.

Бум сверхзвуковых пассажирских разработок

Последний пример приведен неслучайно. Тема гражданского сверхзвука снова стала актуальной. Фирмы-разработчики концентрируют усилия и на небольших форматах сверхзвуковых бизнес-джетов, и на более крупных пассажирских.

Среди заметных проектов — компания Boom Technology из Денвера, штат Колорадо. Семь лет она создает пассажирский Overture с рейсовыми полетами в 2030-х. Он будет брать 55 пассажиров и летать на 8000 км с крейсерской скоростью 2300 км/ч (М=2,2). Вскоре ожидаются полеты прототипа, технологического демонстратора — XB-1 Baby Boom, сборка которого уже идет.

Отдельного упоминания заслуживает и бизнес-джет AS2. Компания Aerion Corporation разрабатывает его с 2004 года, но сроки летных испытаний переносятся то на 2018-й, то на 2023 год. Тем не менее AS2 уже собрал неплохой портфель предварительных заказов. С разработкой самолета помогали крупнейшие концерны — Boeing и Airbus, General Electric и Lockheed Martin.

Сегодняшние требования к шуму стали намного жестче со времен полетов Ту-144 и «Конкорда». Создатели гражданской сверхзвуковой техники должны найти решения, за счет которых сверхзвуковой полет их детищ даст меньший сверхзвуковой удар на земле. Это актуальный ключ к гражданским сверхзвуковым полетам, и этот ключ ищут в разных направлениях, обычно детально не раскрывая точных данных или сути решений. Поиск этот непростой, ведь у любого решения есть обратная сторона медали, заставляющая размениваться чем-то другим, не менее насущным.

Часть решений лежит в аэродинамике конструкции. Можно сделать очень длинный и острый, реально игловидный нос — он создаст меньше волнового сопротивления на сверхзвуке, то есть меньше энергии передаст ударной волне. Аналогично все передние кромки (крыла, килей, воздухозаборников) можно сделать тонкими и бритвенно-острыми. Это тоже уменьшит волновое сопротивление и ослабит создаваемую ударную волну. Но у таких обводов не лучшие характеристики для дозвукового полета, на котором самолет будет лететь вблизи аэродромов взлета и посадки. Дозвуковые летные качества с «полной заточкой под сверхзвук» ухудшатся, но они тоже нужны хорошие, чтобы лететь на дозвуке эффективно и безопасно.

Есть компоновочные решения — например, убрать гондолы с двигателями с нижней стороны самолета. Их воздухозаборники и скосы корпусов встречают сверхзвуковой поток и создают свои ударные волны, уходящие вниз к земле. Если поместить гондолы двигателей сверху самолета, то волна от них пойдет вверх, в небо, не усиливая конус Маха в направлении земли. Но наверху это ухудшит работу воздухозаборников. Корпус и крыло на сверхзвуке всегда стоят под небольшим углом атаки к набегающему потоку, сжимая его своей наклонной нижней поверхностью. Нижний воздухозаборник собирает этот уплотненный низом самолета воздух, как совком, «проглатывая» больше килограммов воздуха в секунду. А на спине самолета или крыла воздухозаборник лишается этой сжатой добавки, снижая поток воздуха в двигатель.

Возможны и другие, неконструкционные решения. Можно попробовать ослабить ударную волну на ее пути к земле. Там она встретит различные неоднородности атмосферы, и некоторые из них устойчивые и протяженные. Например, тропопауза — граница между тропосферой и стратосферой на высоте 10–12 км. Она не условная (как линия Кальмана, граница космоса на высоте 100 км), а вполне физическая, хоть и не столь резкая, как скачок уплотнения. В зоне тропопаузы меняется знак температурного градиента, или, другими словами, происходит его инверсия; еще проще — температура с высотой здесь перестает снижаться, а выше начинает расти. Самый холодный слой воздуха — значит, местный слой повышенной плотности.

От физических границ в среде волны любят отражаться если не полностью, то частично. Сквозь границу проходит лишь часть энергии волны. Максимум отражения будет с определенным углом падения волны. Регулируя скорость сверхзвукового полета, можно получить угол падения конуса Маха на тропопаузу, с которым отражение вверх будет наибольшим. Это ослабит прошедшую к земле волну. Измеряя состояние тропопаузы под самолетом, система управления будет вычислять и задавать текущую скорость самолета с наибольшим ослаблением ударной волны, доходящей до земли. Обратной стороной будет невысокое число Маха полета — около 1,4. Так хотели пойти разработчики упомянутой Aerion, задавая своему бизнес-джету AS2 крейсерскую скорость лишь 1500 км/ч, снижая скоростной выигрыш полетного времени. Хотели, но не пошли.

Неясные перспективы пассажирских сверхзвуковых

В конце мая этого года стало известно о закрытии проекта сверхзвукового бизнес-джета AS2, а с ним и самой компании Aerion. Причиной названа нехватка финансирования. Это стало большой неожиданностью, ведь Aerion получила заказы на 11,2 млрд долларов. Но инвесторы не захотели вкладывать в проект сегодня. Почему? Причина в минусах этого проекта или вызывает вопросы само будущее пассажирской сверхзвуковой авиации, ее долгосрочная перспектива?

Пока не видно многочисленных полетов прототипов гражданских сверхзвуковиков. Доводка конструкций будет продолжаться несколько лет. Перспектива начала рейсовых полетов — через десятилетие-полтора. Создание новых сверхзвуковых самолетов с новыми чертами, удовлетворяющими новым требованиям,— отнюдь не ковровая дорожка, и когда по ней пройдут победители, сегодня непонятно.

Также неясны перспективы массовых полетов сверхзвуковой пассажирской авиации. К моменту, когда они станут возможны, могут появиться конкуренты с принципиальным, кратным скоростным преимуществом. Дело не только в разрабатываемых гиперзвуковых пассажирских самолетах — пока это лишь эскизные концепты. Но создание Илоном Маском его корабля Starship идет с беспрецедентной быстротой; в ближайшие годы должны начаться его коммерческие полеты. Всего лишь небольшое недовыведение Starship на околоземную орбиту сделает его готовым суборбитальным пассажирским средством, везущим сотню пассажиров. А декларируемая Маском массовость их производства крупномасштабными сериями, сотнями и тысячами штук, позволит создать суборбитальный пассажирский флот и в короткие сроки охватить Землю масштабным суборбитальным пассажирским сообщением.

Выигрыш времени по сравнению со сверхзвуком окажется многократным — 35–40 баллистических минут вместо трех сверхзвуковых часов. Если экономика суборбитальной баллистики станет сопоставима со сверхзвуковой, выбор пассажиров станет очевиден. Сверхзвуковая пассажирская авиация останется узким нишевым сегментом частных любителей сверхзвукового полета. Пассажирский сверхзвук может так и не занять в жизни и истории человека такое место, как пассажирская винтовая авиация в середине ХХ века или реактивная сегодня.

Никто не знает точно будущее. Привлекательность сверхзвуковых перелетов для сегодняшних пассажиров вызывает к жизни сверхзвуковые разработки. Какие-то из них, возможно, дойдут до регулярных рейсов. Быть может, спустя годы один из читателей этой статьи полетит сверхзвуковым пассажиром на отдых или по делам. Не вспоминая о трудных задачах, в которых создается сегодня новое поколение сверхзвуковой пассажирской авиации. Окажется ли оно многочисленным, покажет время.

«Потолком» для современных гражданских авиалайнеров является высота в 13 км. Однако у военных и экспериментальных самолетов другие задачи и другие возможности, что позволяет им «бороздить» просторы стратосферы. При этом некоторые из них даже смогли достигнуть границы атмосферы.

Начнем с истребителей. Американские истребители пятого поколения F-35 Lightning II и F-22 Raptor могут выполнять операции на высоте 18 и 20 км соответственно. В свою очередь наш Су-57 также способен достигать потолка в 20 км, но при этом он значительно маневреннее, чем Raptor.

МиГ-31 – советский сверхзвуковой высотный истребитель, сохранивший актуальность и по сей день. Самолет способен подниматься на высоту 20,5 км и перехватывать низколетящие крылаты ракеты.

Американский Lockheed F-104 Starfighter в далеком 1959 году сумел подняться на высоту 31,5 км. Однако рекорд продержался недолго. Советский фронтовой МиГ-21 Ф-13 забрался на 35 км, что было настоящей фантастикой для того времени.

Впрочем, и эта невероятная отметка продержалась не так долго. «Наследник» предыдущего рекордсмена МиГ-25 сумел в 1977 году достичь высоты 37 км.

Теперь о разведчиках. Знаменитый американский B-57 Canberra, который выпускался еще в 50-х годах, до сих пор используется ВВС США в экспериментальных целях. Машина поднималась на 14 км, а ее усовершенствованная модификация достигала высоты в 23 км. До 23 км доставал и самолет оперативной разведки СССР МиГ-25РБ, а еще один советский разведчик М-55 «Геофизика» поднимался на 21,5 км.

Lockheed U-2, выпускавшийся в 50-х годах и переживший ряд модификаций, способен взлетать почти на 27 км, а легендарный стратегический сверхзвуковой разведчик Lockheed SR-71 «Черный дрозд», списанный в 90-х годах, поднимался на 26 км и был самым быстрым самолетом в своем классе.

И, наконец, о рекордсменах, добравшихся до границ атмосферы. Экспериментальный самолет-ракетоплан North American X-15 достиг высоты 108 км в 1963 году, развив скорость в 6000 км/ч. Через 41 год данный рекорд побил также американский частный орбитальный пилотируемый самолет SpaceShipOne, который поднялся на высоту 112,5 км. После успешного возвращения на землю его пилот получил награду в 10 мл долларов и звание астронавта.

Гиперзвуковые самолеты — многообещающий и перспективный сегмент авиации. Но сложность процессов гиперзвукового обтекания ведет к проблемам расчетов и конструктивным трудностям. Поэтому сегодня летающих гиперзвуковых самолетов нет. Смогут ли они стать повседневной реальностью?

По летней бетонке разбегался самолет стремительного стреловидного облика. С гулом оторвавшись от полосы и заняв разрешенное направление, он перешел в интенсивный набор высоты. На пару секунд пассажиров в салоне охватила легкость: набрав 10 км, самолет выровнялся и на том же режиме двигателей пошел горизонтально. Из-за этого скорость его быстро росла, и вскоре в салоне на экранах засветилось слово «сверхзвуковой режим» и большая буква «М» с числом.

Число росло вместе со скоростью. Когда оно достигло 1,7, пассажиров коснулась мягкая перегрузка, скорее забавная, чем неприятная. Самолет задрал игловидный нос высоко над горизонтом и снова стал быстро набирать высоту. Число возле буквы «М» почти не менялось, плавно дойдя до 1,8. Небо в иллюминаторах полностью чернело, засветились звезды. Атмосфера внизу стала тонкой и яркой, словно блестящей. А местность была все больше похожа на топографическую карту.

На 30 км высоты самолет опустил нос и выровнял полет. Число на экранах быстро росло. Шум двигателей изменился. Вместо привычного турбореактивного рокота и вибраций он стал ровнее и звучал как-то иначе. Число достигло 5, и сразу повсюду на экранах загорелось слово «гиперзвук». Пассажиры уже не замечали, как высота поднялась до 35 км. Число показывало 6,5 и больше не росло. Отстегнуты ремни безопасности, стюардессы начали разносить кофе. Но не сытный обед, ведь посадка уже через час.

Что это значит

Гиперзвуковой аппарат, напротив, летит основную часть своего полета с гиперзвуковой скоростью в газовой среде атмосферы, на крейсерском режиме. Форма аппарата оптимизирована для гиперзвукового обтекания и создания им подъемной силы, которой он держится в воздухе. Этой задаче служат аэродинамические особенности элементов конструкции. Заостренные передние кромки крыльев и киля; их возможный клиновидный профиль, вытянутая игловидная или клиновидная носовая часть и др. Такой аппарат может как планировать, используя полученную как-либо высоту и скорость, так и лететь на тяге своего двигателя. Если двигатель воздушный, работающий на основном участке полета в крейсерском режиме, это будет гиперзвуковой аппарат в полном значении этого понятия. Самолет, который полетит на гиперзвуке основную часть маршрута, будет гиперзвуковым. Это даст ему большие плюсы.

Плюсы гиперзвукового полета

Главный козырь, конечно, скорость. От Лондона до Нью-Йорка за час с небольшим — как между районами большого города. Столь быстрый перелет интересен и гражданским, и военным: тот же час с небольшим из Лондона будет и до Кабула. И даст возможность действительно быстрого реагирования.

Второй козырь, важный военным,— практическая неуязвимость гиперзвуковой цели. Считается, что гиперзвуковые ракеты сегодня нечем перехватить. Их скорость не по зубам зенитным системам с их скоростью принятия решений и всего лишь сверхзвуковыми ракетами. Эта же «броня скорости» будет и у гиперзвукового самолета. И она может быть также важна и главам государств, политикам, важным пассажирам. Многих громких катастроф лайнеров, сбитых ракетами, не случилось бы, будь они гиперзвуковыми.

Еще один плюс гиперзвукового самолета — отсутствие звукового удара на земле. Об этой проблеме сверхзвуковых самолетов и ее решениях мы рассказывали в материале «Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения». Гиперзвуковой полет займет диапазон высот 30–35 км, намного выше, чем у сверхзвуковых самолетов. Сильно разреженный воздух там слабо передает ударную волну, а расстояние до земли, то есть путь рассеивания и ослабления, намного больше. На земле не слышно гиперзвуковой полет. Что позволит летать на гиперзвуке над густонаселенными районами.

Эта же большая высота позволит шире наблюдать территории при аэрофотосъемке местности. Будет полезна и для связи, и в других случаях: высотность полета найдет свое использование.

Разумеется, гиперзвуковой самолет на своем крейсерском режиме не будет зависеть от погодных условий и явлений, оставшихся глубоко внизу. Не будет тряски и турбулентности при характерном покое стратосферы на этих высотах.

Очередным плюсом будет и крейсерский полет в свободном от других самолетов пространстве. Вся дозвуковая толчея — пассажирская, транспортная и прочая — останется глубоко внизу. Как и вся сверхзвуковая авиация, обжившая нижнюю стратосферу. Лишь такие же гиперзвуковики смогут летать на этих высотах, да висеть редкие капли стратостатов.

Но для полета на гиперзвуке нужно решить больший комплекс задач и проблем, образующих два главных направления: летящая конструкция и двигатель. Оба направления возникают из свойств гиперзвукового обтекания, которое несколько отличается от сверхзвукового.

Особенности гиперзвукового обтекания

Обтекание тела (самолета и его части: кабины, крыла, киля, любого элемента в потоке) сверхзвуковым потоком приводит к сжатию потока перед обтекаемой частью конструкции. Сжатие происходит на тонкой границе внутри потока, рядом с поверхностью обтекаемого тела, сразу и мгновенно. Плотность, давление и температура потока увеличиваются резким скачком, поэтому эту поверхность сжатия внутри потока назвали скачком уплотнения. За скачком спрессованный воздух течет медленнее, со сверхзвуковой или дозвуковой скоростью; он стал плотнее и горячее. Именно он обтекает поверхности сверхзвукового самолета. При этом и на дозвуке, и на сверхзвуке молекулы газов летят простыми точками, без строения и особенностей формы. Их движение просто и прямолинейно до и после столкновений друг с другом или обтекаемым препятствием. Энергия этих ударов не вызывает отклика в самих молекулах, всего лишь точках.

При скоростях М=5 и выше обтекание начинает лезть в молекулу газа. И открывает этим ящик гиперзвуковой Пандоры. Энергия соударений молекул начинает дополнять их простое движение новыми формами. Молекулы главных газов воздуха, азота и кислорода, состоят из двух атомов, соединенных связью. Выше М=5 молекула газа начинает резонировать ударам: два ее атома колеблются, сближаясь и отдаляясь. Так молекула принимает и запасает энергию своего колебательного движения. Это увеличивает теплоемкость газа, состоящего из таких колеблющихся молекул. И добавляет газу энергию в этой форме. У трехатомных молекул СО2 колеблется также угол между атомами кислорода. Энергия колебаний молекул оценивается колебательной температурой. Помимо нее молекулы получают накачку энергией вращения. Поток молекул превращается в массы крохотных спиннеров, волчков, маховичков. Энергия вращения описывается вращательной температурой газа.

Накачка молекул новыми движениями ослабляет в них связи между атомами. Молекулы начинают рваться на части. Происходит диссоциация газов. Освободившиеся одиночные атомы разных газов соединяются, образуя новые вещества. Это химические реакции. В зоне гиперзвукового обтекания идут множественные химические реакции, с разным поглощением и выделением энергии, балансами реагирующих веществ. Образование соединений одновременно сопровождается их распадом. Баланс возникновений и распадов меняется от многих параметров: температуры, давления, концентраций и др. Добавляет жару химическим процессам и материал корпуса, выступая катализатором реакций. Катализ меняет поглощение и выделение энергии, температуру, состав и свойства потока, параметры обтекания.

С дальнейшим ростом скорости от атомов отрываются электроны. Происходит ионизация газов, возникает и растет концентрация плазмы. Ионы с оторванным электроном и свободные электроны вступают в химические реакции, еще больше усложняя картину.

Сверхзвуковой конус Маха вокруг летящего объекта становится очень узким, похожим на рукав. При скорости М=10 угол конуса Маха всего 11,5 градуса. При М=20 угол конуса 5,7 градуса. Это означает, что ударная волна конуса ложится на поверхность гиперзвукового аппарата, облегая его корпус, как перчатка руку. Она сливается с вязким пограничным слоем газа, увеличивая его энергию. На поверхности аппарата образуется ударный пограничный слой-волна, питаемый огромной энергией набегающего потока. Здесь возникают и растут высокочастотные акустические волны неустойчивости, снова усложняя картину. Огромное количество химических реакций и физических процессов, протекающих в вязком ударном слое раскаленного газа, требуют для описания сотен различных переменных, характерных чисел и весьма сложных моделей происходящего. Газ становится неидеальным и неравновесным. Базовые уравнения перестают работать. Возникает плотный яркий кисель из огромного множества явлений — мгновенных, высокотемпературных и энергичных. Красочное богатство гиперзвуковой картины разительно отличается от простого разогрева сверхзвуковым сжатием.

У гиперзвукового потока сжатие в скачке уплотнения может составлять несколько десятков раз. Температура сжатого воздуха, обтекающего гиперзвуковой самолет, достигнет нескольких тысяч градусов. Он станет очень сильно нагревать обтекаемые поверхности, которые потребуют охлаждения, иначе их материал потеряет прочность. Поэтому гиперзвуковому самолету понадобятся новые конструкционные материалы, одновременно и жаропрочные (сохраняющие прочность в раскаленном виде), и жаростойкие (не обгорающие в раскаленном газе). При этом они должны быть легкими, технологичными и недорогими. Найти материалы, удовлетворяющие сразу всем этим условиям, не получается; задача уходит в область трудных компромиссов.

Гиперзвуковой двигатель как главный орешек

Наибольшие трудности ожидают создателей гиперзвукового двигателя. Сегодня он видится только прямоточным со сверхзвуковым потоком в любой части двигателя. Это ГПВРД, гиперзвуковой воздушно-реактивный двигатель. Его почти абсолютная принципиальная простота — просто труба, узкая в середине и расширенная с концов,— сопровождается крайне трудным расчетом процессов внутри этой трубы. А без расчета нет и управления рабочим процессом, работой двигателя.

В гиперзвуковом прямоточном двигателе нет вращающихся частей. Поток в нем течет сам собой, за счет встречного скоростного напора. В передней части двигателя воздух сжимается в нескольких последовательных скачках уплотнения (так меньше потери) до необходимой плотности и температуры. При этом поток остается сверхзвуковым в любой части трубы, тоже для избежания больших газодинамических потерь.

Сжечь топливо в сверхзвуковом потоке непросто, это возможно только в форме детонации с ее сверхзвуковым фронтом горения. Топливо нужно распылить за десятитысячные доли секунды, и попадет оно в ту самую хаотичную смесь ионов и множества химических реакций, которая и так трудно поддается обсчету. Добавка топлива еще более усложнит картину. И сгореть оно должно крайне быстро, пока смесь движется с огромной сверхзвуковой скоростью по небольшой камере сгорания — сужению посередине трубы. Успев при этом выделить достаточно тепла, которое разгонит сверхзвуковой поток на выходе из трубы, в расширяющемся сверхзвуковом реактивном сопле.

Но и это еще не все. Гиперзвуковой скоростью самолета нужно управлять, а значит, и тягой через управление режимом работы гиперзвукового двигателя. Для изменения сжигания топлива в нем потребуется изменять параметры потока в камере сгорания, а значит, везде в трубе. И на входе, в воздухозаборнике, чтобы управлять скоростью и сжатием потока к середине трубы (то есть создавать нужную температуру, плотность и давление в камере сгорания). И на выходе, чтобы реактивное сопло отрабатывало изменение сжигания топлива всегда максимальным создании тяги (для текущего расхода топлива). При этом двигатель должен обеспечить много важных моментов: газодинамическую устойчивость при быстроте управления горением (противоречивое сочетание!), экономичность, диапазон режимов работы и пр.

Отдельной проблемой является полет на сверхзвуковых и дозвуковых режимах, недостаточных по скорости для работы прямоточного гиперзвукового двигателя. Ведь взлетать и приземляться самолет будет в обычном дозвуковом режиме. А поднимаясь в стратосферу, разгоняться до сверхзвукового режима перед гиперзвуком. Потребуется еще один двигатель, работающий на медленных режимах полета. Или придется создавать сверхуниверсальный двигатель «три в одном», что трудно сделать оптимально под столь разные режимы полета. Можно втискивать «два в одно», подобно тому, как турбореактивный двигатель знаменитого скоростного разведчика Lockheed SR-71 становился на 85% сверхзвуковым прямоточным. Но «три в одном» оказывается еще более трудным набором задач.

Реально летавшие гиперзвуковые пилотируемые системы

Всего их было создано две: обе — в США, обе — широко известные. И обе — специальные, не будучи в полной мере гиперзвуковым самолетом, с более баллистической, чем аэродинамической, природой полета. Одна — с экипажем из одного пилота, другая — из семи-восьми человек.

Однако Х-15 поднимался на высоту старта не самостоятельно, а под брюхом стратегического бомбардировщика Б-52, отцепляясь от него на высоте 15 км и только тогда запуская свой двигатель. Который был ракетным: Х-15 являлся жидкостной ракетой с крыльями, очень близкой по параметрам (длине, диаметру корпуса, массе, тяге двигателя) к немецкой баллистической ракете «Фау-2». Разве что горючим у Х-15 был не спирт с водой, а жидкий аммиак. Двигатель работал меньше полутора минут, после чего шел полет по инерции: баллистический и/или гиперзвуковое планирование; весь полет занимал не более 15 минут. Х-15 был, по сути, аэробаллистической ракетой, только пилотируемой. При этом используя режим гиперзвукового планирования как основной в ряде полетов.

Второй стала космическая транспортная система Space Shuttle, 135 полетов, из них две катастрофы. Орбитальный корабль имел самолетную форму и при возвращении с орбиты выполнял самолетную посадку, заходя на полосу в режиме дозвукового планирования. Поэтому его аэродинамический облик в целом дозвуковой: затупленный нос, затупленные, округлые передние кромки крыльев и хвоста.

Но до дозвука шаттл снижался с космической высоты с начальной космической скоростью и решал две другие главные задачи: торможение и управление перегрузкой. Торможение шло аэродинамически, начинаясь при высоких гиперзвуковых значениях скорости. Угол атаки составлял 40 градусов — шаттл скорее парашютировал на гиперзвуке, чем планировал. Создаваемая низом корпуса и крыльев аэродинамическая подъемная сила растягивала снижение шаттла по атмосфере и его торможение, тем самым уменьшая текущую посадочную перегрузку до всего лишь 1,5 g.

Тупые дозвуковые передние кромки крыльев и округлый нос шаттла оказывали на гиперзвуковом режиме сильное тормозящее действие. На этих местах в потоке возникал прямой скачок уплотнения, самый сильный и характерный наибольшими газодинамическими потерями. Эти потери забирались из энергии движения шаттла, тормозя его. Поэтому говорить, что шаттл приспособлен к длительному гиперзвуковому полету, не приходится. Его гиперзвук был этапом торможения, а не перелетом в точку назначения. Это отражено в его не гиперзвуковых обводах. И не сверхзвуковых — на сверхзвуке задача шаттла заключалась в том же сверхзвуковом торможении, а не сверхзвуковом перелете к цели.

Мифическая американская гиперзвуковая «Аврора» так и не показала неопровержимого факта своего существования. Анонсируемые время от времени проекты пилотируемых гиперзвуковых самолетов и первых ступеней-носителей космических систем не доходят до сборки в металле. Длинный перечень их названий поэтому нет смысла приводить. Горизонты первых полетов новых гиперзвуковых самолетов отодвигаются в будущее не менее чем на 15–20 лет.

Принципиальный конкурент

И на этом рубеже времени гиперзвуковые самолеты с большой вероятностью встретят неожиданного прежде конкурента, который может оказаться гораздо перспективнее и практичнее. Речь идет о пассажирской суборбитальной баллистике. Появившись, она будет обладать рядом своих плюсов, которые обойдут проблематику гиперзвукового самолета. Пассажирский баллистический борт — это ракетный автобус на сотню человек, или роту бойцов. Его ракетные двигатели отработаны долгими рядами конструктивных поколений и на сегодня высокоэффективны. Они выводят борт на суборбитальную траекторию с межконтинентальной дальностью точки прибытия. Скорость его движения составит около 6–7 км/с. То есть в три раза быстрее гиперзвукового самолета.

В разы сократится и время полета. Путь из Лондона в Нью-Йорк или Кабул займет 25 минут. И то лишь из-за растягивания входа в атмосферу для снижения перегрузки; боеголовки проходят такую дальность за 21–22 минуты. Кроме того, баллистическая траектория эффективнее из-за коротких участков атмосферы и возможности очень быстро набрать крейсерскую скорость — три минуты, и поехали по суборбите. В то время как гиперзвуковому самолету гораздо дольше забираться на рабочую высоту, на дозвуке добираясь до первых 10 км. Там разгоняться до сверхзвука и подниматься еще на 25 км до рабочего потолка. Где уже разгоняться до крейсерской гиперзвуковой скорости.

Баллистический борт не погружен весь полет в сжимающие нагрузки обтекания и раскаленный поток, для него это лишь минутное состояние при входе в атмосферу. Поэтому вопрос теплозащиты можно решить привычными плитками. Балборт не требует взлетно-посадочной полосы, обходясь бетонированной площадкой. И не нуждается в разрешениях стран для прохода над ними, двигаясь выше национальных воздушных пространств.

Реализация такой пассажирской баллистики в металле уже готовится к первому баллистическому, в данном случае — орбитальному, полету. Starship компании SpaceX должен выходить на орбиту и садиться при возвращении, а также способен взять на борт сотню человек. Слегка не дотянув до орбитальной скорости, он пойдет по суборбитальной траектории межконтинентальной дальности. Если за несколько лет SpaceX отработает этот корабль так же, как отработала свою ныне рабочую лошадь Falcon9, то эра пассажирской баллистики может открыться неожиданно быстро. И многое в мире изменится.

Вместо заключения

С появлением пассажирского баллистического флота актуальность гиперзвуковых полетов резко понизится. В эпоху автомобилей не ездят для скорости на лошадях, пусть и самых быстрых. Резон двигаться на большие дальности по атмосфере останется для экономичных дозвуковых транспортных полетов и для сверхзвуковых специальных самолетов типа боевых. Гиперзвуковой пассажирский транспорт будет проигрывать дозвуку по экономичности, а баллистике — по скорости. В этих условиях гиперзвуковая авиация может оказаться тупиковой ветвью развития, появившись лишь парой типов самолетов в экспериментальных количествах. Занять крайне узкое, нишевое место при высоких затратах разработки неинтересно для возврата инвестиций.

Перспективы гиперзвуковых самолетов оказываются не столь хороши, как кажутся при чтении плюсов. Развитие техники течет несколькими руслами, как горная река в широкой долине. Одни русла могут оказаться быстрее, вбирая в себя больше течения, другие из-за этого мелеют и закрываются. И развитие гиперзвуковой авиации зависит не только от нее самой. Вероятно, уже ближайшие пять лет покажут, появятся ли фавориты и куда продвинутся сегодняшние гиперзвуковые проекты.

Пассажирские самолеты обычно летают на высоте от 9 до 12 километров. Выше этой отметки пилоты воздушное судно не поднимают, связано это с несколькими факторами, о которых рассказал «Рамблер».

На оптимальную высоту от 9 до 12 километров лайнеры поднимаются в первые 10 минут после взлета. Зависит она от погоды, характеристики и веса судна, направления полета.

Для каждого борта диспетчеры рассчитывают высоту полета индивидуально. Но при этом она варьируется именно в озвученных рамках. Недорогие авиабилеты ищите на Aviata.kz.

Дело в том, что на высоте от 9 до 12 километров воздух разряжен, поэтому самолет легче преодолевает сопротивление и тратит меньше горючего. Ниже указанной высоты лететь лайнеру попросту опасно: можно попасть в грозу, встретить птиц или вертолеты.

Максимальная же высота полета ограничена по другим причинам.

Во-первых, воздух на высоте свыше 12 километров крайне разряжен. Из-за этого самолетам перестает хватать мощности, чтобы нормально продолжать движение.

Во-вторых, подниматься выше 12 километров опасно, поскольку у пилотов в случае чрезвычайной ситуации будет меньше времени, чтобы вернуться на безопасную высоту.

В-третьих, с борта необходимо постоянно держать связь с диспетчерами. На высоте качество этой связи ощутимо снижается, что может быть чревато последствиями.

Планируя путешествие, помните, что выгодные билеты на самолет вы всегда сможете купить на сайте или в приложении Aviata.kz. Поиск займет всего 2 минуты.

Оригинал статьи: https://www.nur.kz/leisure/interesting-facts/2005315-pochemu-passazhirskie-samolety-ne-podnimayutsya-vyshe-12-kilometrov/