Проблемы сверхзвуковых самолетов

В то время как обычные турбовинтовые и прямоточные реактивные двигатели способны сохранять разумную эффективность до 5,5 Маха, иногда также обсуждаются некоторые идеи для очень высокоскоростного полета выше 6 Маха с целью сокращения времени в пути до одного или двух часов в любой точке мира. В этих вариантах часто предлагают использовать ракетные или реактивные двигатели; также были предложены импульсные детонационные двигатели. Такой перелёт связан со множеством трудностей, как технических, так и экономических. Самолёты с ракетным двигателем, будучи технически практичными (либо в качестве баллистических транспортных средств, либо в качестве полубаллистических транспортных средств с использованием крыльев), будут использовать очень большое количество топлива и лучше всего работать на скоростях примерно от 8 Маха до орбитальных скоростей. Ракеты лучше всего конкурируют с воздушно-реактивными двигателями по стоимости на очень большой дальности; однако затраты на запуск подобных самолётов будут ненамного ниже, чем затраты на орбитальный запуск.

Гиперзвуковой авиалайнер Boeing

С 1950-х годов сверхзвуковой транспорт стал возможным с технической точки зрения, но было неясно, можно ли сделать его экономически жизнеспособным. Подъёмная сила на сверхзвуковых скоростях создается с использованием различных методов, которые значительно менее эффективны, чем дозвуковые методы, с отношением подъемной силы к сопротивлению равным примерно  . Это означает, что для любой требуемой подъемной силы самолёт должен будет обеспечить примерно вдвое большую тягу, что приведет к значительно большему расходу топлива. Этот эффект проявляется на скоростях, близких к скорости звука, так как самолёт использует вдвое большую тягу, чтобы двигаться примерно с той же скоростью. Относительный эффект уменьшается по мере того, как самолёт разгоняется до более высоких скоростей. Компенсируя это увеличение расхода топлива, самолёт мог значительно увеличить скорость вылетов, по крайней мере, на средних и дальних рейсах, где самолёт проводит значительное количество времени. Сверхзвуковые авиалайнеры летают по крайней мере в три раза быстрее, чем существующие дозвуковые транспортные средства, и, таким образом, смогут заменить до трёх самолётов, находящихся в эксплуатации, и тем самым снизить затраты на рабочую силу и техническое обслуживание.

Наряду с изменением политических соображений, летающая общественность продолжала проявлять интерес к высокоскоростным пересечениям океана. Это положило начало дополнительным проектным исследованиям в США под названием «AST» (Advanced Supersonic Transport).

К этому времени экономика прошлых концепций сверхзвукового авиалайнера уже не была разумной. При первом проектировании предполагалось, что сверхзвуковой транспорт будет конкурировать с самолётами большой дальности, вмещающими от 80 до 100 пассажиров, такими как Boeing 707, и с более новыми самолётами, такими как Boeing 747, перевозящими в четыре раза больше, преимущества в скорости и топливе сверхзвукового транспорта исчезли из-за огромных размеров. Другая проблема заключалась в том, что широкий диапазон скоростей, на которых работает сверхзвуковой транспорт, затрудняет совершенствование двигателей. В то время как дозвуковые двигатели добились больших успехов в повышении эффективности в 1960-х годах с введением турбовентиляторного двигателя с постоянно увеличивающимися степенями двухконтурности, концепцию вентилятора трудно использовать на сверхзвуковых скоростях, где эта степень составляет около 0,45, в отличие от 2,0 или выше для дозвуковых конструкций. По обеим этим причинам проекты производства сверхзвуковых авиалайнеров были обречены на более высокие эксплуатационные расходы, а программы AST исчезли к началу 1980-х годов.

«Конкорд» продавался только British Airways и Air France с субсидиями, которые должны были вернуть правительству 80% прибыли. Однако на практике на протяжении почти всего срока действия соглашения не было никакой прибыли, которую можно было бы разделить. После приватизации «Конкорда» меры по снижению затрат и повышение цен на билеты привели к существенной прибыли.

Последние регулярные пассажирские рейсы приземлились в лондонском аэропорту Хитроу в пятницу, 24 октября 2003 года, сразу после 4 часов дня: рейс 002 из Нью-Йорка, рейс из Эдинбурга, и третий, который вылетел из Хитроу по кругу над Бискайским заливом.

К концу XX века появились такие проекты, как Ту-244, Ту-344, Бесшумный сверхзвуковой самолёт SAI, Sukhoi Supersonic Business Jet, Высокоскоростной гражданский транспорт, ни один из которых не был реализован. Однако в 2010-х годах работы по созданию возобновились.

Конструкция реактивного двигателя значительно меняется между сверхзвуковыми и дозвуковыми самолетами. Реактивные двигатели, как класс, могут обеспечить повышенную топливную экономичность на сверхзвуковых скоростях, даже если их удельный расход топлива больше на более высоких скоростях. Поскольку их скорость над землёй больше, это снижение эффективности меньше, чем пропорционально скорости до тех пор, пока она не превысит 2 Маха, а потребление на единицу расстояния ниже.

Например, ранние Ту-144 были оснащены турбовентиляторным двигателем с низкой степенью двухконтурности, и были намного менее эффективны, чем турбореактивные двигатели Concorde в сверхзвуковом полете. Более поздние модели имели турбореактивные двигатели с сопоставимой эффективностью. Эти ограничения означали, что конструкции сверхзвуковых авиалайнеров не смогли воспользоваться преимуществами значительного улучшения экономии топлива, которое двигатели с высокой двухконтурностью принесли на рынок дозвуковых двигателей, но они уже были более эффективными, чем их дозвуковые турбовентиляторные аналоги.

Перегрузки

Пилоты, летающие на Ту-144 вспоминали, что при взлете самолет был скорее похож на ракету — всех пассажиров буквально «вдавливало» в кресла, перегрузки были довольно ощутимыми. А для безопасности полетов в стратосфере в стекло иллюминаторов добавляли золото — это помогало уберечь пассажиров и экипаж от солнечной радиации.

Каково это — лететь на сверхзвуковом лайнере?

Первое, с чем сталкивались пассажиры сверхзвукового самолета — очень громкий взлет. Работа 4 двигателей, разгоняющих самолет до высочайшей скорости, сопровождалась большим шумом.

Билет на «Конкорд» стоил порядка $10000, поэтому пользовались такими авиаперевозками в основном бизнесмены и знаменитости. Поначалу на «Конкордах» работали только стюарды, но впоследствии рейсы стали обслуживать стюардессы.

По большинству свидетельств ни пассажиры, ни пилоты не могли отметить момент, когда самолет преодолевал сверхзвуковой барьер. А идентифицировать скорость было практически невозможно: находясь в небе, взгляду не на что было опереться, чтобы убедиться в том, что скорость полета действительно невероятная.

Удобство размещения пассажиров и предоставляемые в полете услуги делали сверхзвуковые перелеты ничуть не менее комфортабельными, чем обычные.

Проблемы развития сверзвуковой пассажирской авиации

Удивительно, но у сверхзвуковых самолетов было достаточно ограничений. Советский сверхзвуковой лайнер Ту-144 выполнял только 2 рейса: Москва — Алма-Ата и обратно. Стоимость таких перелетов была в 1,5 раза выше, чем на обычном самолете. Количество пассажиров не должно было превышать 80 человек. На самолеты возлагали большие надежды, но в силу технических ограничений они не смогли их оправдать. Всего через 7 месяцев после начала эксплуатации Ту-144 прекратил свою работу. Ключевым поводом для этого стала авиакатастрофа опытного экземпляра Ту-144Д: на борту начался пожар, летчики-испытатели посадили самолет на поле неподалеку от Егорьевска и эвакуировались. Тем не менее в катастрофе погибли два члена экипажа, а самолет был уничтожен.

Еще одной причиной отказа от пассажирской эксплуатации можно считать нерентабельность. Доходы от продажи билетов не покрывали даже эксплуатационные расходы, обусловленные высоким расходом и сложным техническим обслуживанием этих самолетов. Значительное повышение стоимости билетов в СССР в силу экономического положения населения не имело перспективы. Дальность полета не более 5000 км у усложняла, особенно при промежуточных посадках, возможности пассажирской эксплуатации как в СССР, так и за его пределами на длинных межконтинентальных маршрутах, где существенное сокращение времени полета — ключевой фактор при полетах на сверхзвуковой скорости.

Кроме звукового удара, которым сопровождались взлеты сверхзвуковых самолетов, есть и другие сложности, например, измененная аэродинамика: при достижении воздушным судном скорости звука меняется аэродинамика обтекания, из-за чего резко возрастает аэродинамическое сопротивление, растет нагрев конструкции от трения набегающего на большой скорости воздушного потока, смещается аэродинамический фокус — это ведет к утрате устойчивости и управляемости самолета.

Достижение скорости звука и стабильный полет на около- и сверхзвуковых скоростях требуют новых конструкторских разработок.

Авиационным специалистам приходится искать компромисс между увеличением скорости и сохранением адекватных взлетно-посадочных характеристик. Нужны изменения геометрии в полете, которые при этом не повлекут за собой ухудшение качества полета на малых скоростях, и наоборот.

Высокий расход топлива также предрек судьбу сверхзвуковой авиации. Появление этих самолетов совпало с нефтяным кризисом 1973 года — цены на авиационное топливо выросли в несколько раз, а уже на тот момент тот же «Конкорд» расходовал в разы больше топлива, чем его дозвуковые аналоги.

При этом в связи с общим ростом благосостояния в начале 70-х «Конкорды» стали популярны у среднего класса, что повлекло за собой снижение цен вместо сокращения времени полетов, которого так желали более обеспеченные бизнесмены.

Долгий процесс разработки «Конкордов», новизна технологии сделали бюджет совместного англо-французского проекта почти непредсказуемым, и он вышел сильно за рамки, изначально предполагаемого финансирования.

Расходы на строительство

Сверхзвуковые самолеты должны быть гораздо более дороги в строительстве, чем обычные гражданские самолеты, так как для их строительства необходимы более высокотехнологичные материалы и технологии строительства.

Необходимо искать более стойкие материалы, например, сплавы титана, которые будут выдерживать более высокие температуры.

Кроме того, необходимо продумать более совершенную топливную систему, электропроводку, и многие другие системы в конструкции самолета.

Все эти меры нужны, чтобы самолет соответствовать традиционным стандартам безопасности и прочности.

Продолжение истории после рекламы

В результате все это приводит к высоким расходам на строительство самолета.

Соответственно, для того, чтобы такой самолет был построен и широко применялся в гражданской авиации, необходимо, чтобы к авиастроительных компаний было достаточно денег на их создание, а у авиакомпаний – на приобретение подобных самолетов.

За период в 50 лет в гражданской авиации использовались не более 20 сверхзвуковых самолетов, а их операторами были всего три компании — British Airways, Air France и Аэрофлот. Все они получали существенные субсидии от правительств своих стран.

Расходы на эксплуатацию

Ранее в истории уже существовали сверхзвуковые самолеты — Concorde и Ту-144, однако они оказались нерентабельными.

Дело в том, что в случае подобных самолетов растет стоимость не только их строительства, но и стоимость эксплуатации.

В частности, в случае со сверхзвуковым самолетом Concorde получилось так, что расходы на топливо оказались непомерно высокими.

После начала коммерческой эксплуатации экономисты Air France и British Airways внезапно осознали, что перелёт из Лондона в Нью-Йорк требует заправки 120 тоннами авиационного керосина в 17 топливных баков.

При этом стоит также учитывать масштабы нашей страны, ведь для полета из Москвы во Владивосток потребуется огромный объем топлива, а значит, будут необходимы дозаправки на пути. Или же поиск новых технических решений.

Так, советский сверхзвуковой самолет Ту-144 существенно уступал Concorde в дальности полета, хотя именно эта характеристика очень важна в масштабах нашей огромной страны.

Стоит также отметить и то, что у сверхзвуковых самолетов амортизация выше, чем у обычных самолетов, а значит, что и расходы на ремонт и обновление авиапарка будут выше.

FA-18. Видно облако конденсата, образовавшегося вследствие локального изменения давления (Эффект Прандтля — Глоерта). Зачастую подобная картина ошибочно воспринимается, как «преодоление звукового барьера», о чём свидетельствует и название фотографии.

Волновой кризис — изменение характера обтекания летательного аппарата воздушным потоком при приближении скорости полёта к скорости звука, сопровождающееся, как правило, ухудшением аэродинамических характеристик аппарата — ростом лобового сопротивления, снижением подъёмной силы, появлением вибраций и пр.

Уже в ходе Второй мировой войны скорость истребителей стала приближаться к скорости звука. При этом пилоты иногда стали наблюдать непонятные в то время и угрожающие явления, происходящие с их машинами при полётах с предельными скоростями. Сохранился эмоциональный отчёт лётчика ВВС США своему командиру генералу Арнольду:

После войны, когда многие авиаконструкторы и лётчики-испытатели предпринимали настойчивые попытки достичь психологически значимой отметки — скорости звука, эти непонятные явления становились нормой, и многие из таких попыток закончились трагически. Это и вызвало к жизни не лишённое мистики выражение «звуковой барьер» (фр. mur du son, нем.  — звуковая стена). Пессимисты утверждали, что этот предел превзойти невозможно, хотя энтузиасты, рискуя жизнью, неоднократно пытались сделать это. Развитие научных представлений о сверхзвуковом движении газа позволило не только объяснить природу «звукового барьера», но и найти средства его преодоления.

У крыльев с относительно толстым профилем в условиях волнового кризиса центр давления резко смещается назад, в результате чего нос самолёта «тяжелеет». Пилоты поршневых истребителей с таким крылом, пытавшиеся развить предельную скорость в пикировании с большой высоты на максимальной мощности, при приближении к «звуковому барьеру» становились жертвами волнового кризиса — попав в него, было невозможно выйти из пикирования не погасив скорость, что в свою очередь очень сложно сделать в пикировании. Наиболее известным случаем затягивания в пикирование из горизонтального полёта в истории отечественной авиации является катастрофа Бахчиванджи при испытании ракетного БИ-1 на максимальную скорость. У лучших истребителей Второй мировой войны с прямыми крыльями, таких как P-51 «Мустанг» или Me-109, волновой кризис на большой высоте начинался со скоростей 700—750 км/ч. В то же время, реактивные Мессершмитт Me.262 и Me.163 того же периода имели стреловидное крыло, благодаря чему без проблем развивали скорость свыше 800 км/ч. Самолёт с традиционным винтом в горизонтальном полёте не может достичь скорости, близкой к скорости звука, поскольку лопасти воздушного винта попадают в зону волнового кризиса и теряют эффективность значительно раньше самолёта. Сверхзвуковые винты с саблевидными лопастями способны решить эту проблему, но на данный момент такие винты получаются слишком сложными в техническом плане и очень шумными, поэтому на практике не применяются.

Современные дозвуковые самолёты с крейсерской скоростью полёта, достаточно близкой к звуковой (свыше 800 км/ч), обычно выполняются со стреловидным крылом и оперением с тонкими профилями, что позволяет сместить скорость, при которой начинается волновой кризис, в сторону бо́льших значений. Сверхзвуковые самолёты, которым приходится проходить участок волнового кризиса при наборе сверхзвуковой скорости, имеют конструктивные отличия от дозвуковых, связанные как с особенностями сверхзвукового течения воздушной среды, так и с необходимостью выдерживать нагрузки, возникающие в условиях сверхзвукового полёта и волнового кризиса, в частности — треугольное в плане крыло с ромбовидным или треугольным профилем.

Рекомендации для безопасных околозвуковых и сверхзвуковых полётов сводятся к следующему:

Термин волновой кризис применяется и к водным судам, движущимся со скоростями, близкими к скорости волн на поверхности воды. Развитие волнового кризиса затрудняет рост скорости. Преодоление судном волнового кризиса означает выход на режим глиссирования (скольжения корпуса по поверхности воды).

Безопасность окружающей среды

Экологи бьют тревогу как в отношении обычных самолетов, так и в отношении возможных вредных выбросов сверхзвуковых самолетов.

Несмотря на эти сложности, в сентябре 2018 года заместитель гендиректора ПАО «Туполев» Валерий Солозобов заявил, что предприятие завершает предпроектные работы по сверхзвуковому пассажирскому самолёту, который сможет развивать скорость до 1900 км/ч на высоте 11 км.

При это Солозобов отметил, что авиационным специалистам ещё предстоит работа по снижению звукового воздействия на самолёт.

Гонка за небеса

Другие компании уже работают над тем, чтобы сделать бизнес сверзвуковой авиации реальностью. Airbus запатентовала дельта-крылый сверзхвуковой проект на 4,5 маха, который можно будет использовать для создания самолетов бизнес-класса. Также компания работает с американским стартапом Aerion над созданием доступного флота сверхзвуковых самолетов для богатых клиентов.

Spike Aerospace, другая американская компания, планирует запустить аналогичный бизнес сверхзвуковых пассажирских самолетов с внутренними видеоэкранами, соединенными с внешними камерами, которые будут вместо окон. У Lockheed Martin есть коммерческий самолет, N+2, который будет летать на 1,7 маха.

Есть одна проблема с быстрыми полетами — тот самый «бум», когда вы разрываете звуковой барьер. Европейские сверхзвуковые самолеты будут летать над Северным полюсом и пересекать Берингов пролив, избегая населенных земель. Звуковой взрыв порождает 160 децибел шума, который доходит до земли и может повредить слух человека. Старенький «Конкорд» производил 135 децибел шума на Земле — намного больше, чем среднестатистический авиалайнер.

Еще одна проблема в том, что когда сверхзвуковой самолет изменяет свою скорость, совершает маневр или поворачивает, рождается «супербум». На земле этот «супербум» в два-три раза громче, чем на высоте самолета. Поскольку европейский сверхзвуковой самолет будет летать выше, его ударные волны на земле будут рассеиваться и производить меньшую ударную волну.

NASA работает с Lockheed Martin и Boeing с целью разработки самолетов, которые будут разрывать звуковой барьер тише. С 2020 по 2025 год может вполне стать возможным появлением самолета, который сможет преодолевать звуковой барьер над населенной землей, не вызывая особого диссонанса.

В Европе, группа Стиланта испытывает свой проект на 300 мест, хотя пока и в масштабе 1:120 на скорости в 8 махов в аэродинамической трубе. Они доказали, что этот проект может вырабатывать положительную тягу. Хотя проект потребляет в два раза больше топлива в секунду, чем самолет на 4 маха, он и путь его проходит за половину времени — поэтому потребление топлива на временном отрезке будет практически таким же.

Проблемы полёта пассажирских авиалайнеров на сверхзвуковых скоростях

Для всех транспортных средств, движущихся по воздуху, сила сопротивления пропорциональна коэффициенту сопротивления, квадрату скорости полета и плотности воздуха. Поскольку лобовое сопротивление быстро возрастает со скоростью, ключевым приоритетом проектирования сверхзвуковых самолётов является минимизация этой силы за счет снижения коэффициента лобового сопротивления. Это приводит к появлению очень обтекаемых форм самолётов. В некоторой степени сверхзвуковые самолёты также управляют сопротивлением, летая на больших высотах, чем дозвуковые самолёты, где плотность воздуха ниже.

Качественное изменение коэффициента сопротивления для самолётов

«Конкорд» British Airways на аэродроме Филтон в Бристоле имеет тонкий фюзеляж, необходимый для сверхзвукового полета.

По мере приближения скорости к скорости звука появляется дополнительное явление волнового сопротивления. Это мощная форма сопротивления, которая начинается на околозвуковых скоростях (около 0,88 Маха). Около 1 Маха пиковый коэффициент сопротивления в четыре раза превышает дозвуковое сопротивление. Выше околозвукового диапазона коэффициент снова резко падает, хотя остается на 20% выше на 2,5 Маха, чем на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой самолёт должен обладать значительно большей мощностью, чем требуется дозвуковому самолёту для преодоления этого волнового сопротивления, и хотя крейсерские характеристики выше околозвуковой скорости более эффективны, они все же менее эффективны, чем полеты на дозвуковой скорости.

Конструкция реактивного двигателя значительно меняется между сверхзвуковыми и дозвуковыми самолётами. Реактивные двигатели, как класс, могут обеспечить повышенную топливную экономичность на сверхзвуковых скоростях, даже если их удельный расход топлива больше на более высоких скоростях. Поскольку их скорость над землей больше, это снижение эффективности меньше, чем пропорционально скорости до тех пор, пока она не превысит 2 Маха, а потребление на единицу расстояния ниже.

Когда «Конкорд» проектировался Aérospatiale–BAC, реактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности («турбовентиляторные» двигатели) ещё не были внедрены на дозвуковых самолётах. Если бы «Конкорд» был выпущен во время эксплуатации более старых моделей, таких как Boeing 707 или de Havilland Comet, он был бы гораздо более конкурентоспособным, хотя те по-прежнему перевозили больше пассажиров. Когда же реактивные двигатели с высокой степенью двухконтурности поступили в коммерческую эксплуатацию в 60-х годах, дозвуковые реактивные двигатели сразу же стали намного эффективнее, ближе к эффективности турбореактивных двигателей на сверхзвуковых скоростях. Одно из главных преимуществ сверхзвукового транспорта исчезло.

Например, ранние Ту-144 были оснащены турбовентиляторным двигателем с низкой степенью двухконтурности, и были намного менее эффективны, чем турбореактивные двигатели Concorde в сверхзвуковом полете. Более поздние модели имели турбореактивные двигатели с сопоставимой эффективностью. Эти ограничения означали, что конструкции сверхзвуковых авиалайнеров не смогли воспользоваться преимуществами значительного улучшения экономии топлива, которое двигатели с высокой двухконтурностью принесли на рынок дозвуковых двигателей, но они уже были более эффективными, чем их дозвуковые турбовентиляторные аналоги.

Сверхзвуковые скорости транспортных средств требуют более узких конструкций крыла и фюзеляжа и подвержены большим нагрузкам и температурам. Это приводит к проблемам аэроупругости, которые требуют более тяжелых конструкций для минимизации нежелательного изгиба. Сверхзвуковые авиалайнеры также требуют гораздо более прочной (и, следовательно, более тяжелой) конструкции, поскольку их фюзеляж должен быть герметизирован с большим перепадом давления, чем у дозвуковых самолётов, которые не работают на больших высотах, необходимых для сверхзвукового полета. Все эти факторы, вместе взятые, означали, что относительный вес одного пустого места в «Конкорде» более чем в три раза превышает аналогичный вес у «Боинга-747».

Однако и «Конкорд», и ТУ-144 были изготовлены из обычного алюминия и дюралюминия, в то время как более современные материалы, такие как углеродное волокно и кевлар, намного прочнее при растяжении из-за их веса, а также являются более жесткими. Поскольку вес конструкции на одно сиденье в сверхзвуковом авиалайнере намного выше, любые улучшения приведут к большему росту эффективности, чем те же изменения в дозвуковом самолёте.

Более высокие затраты на топливо и меньшая пассажировместимость из-за аэродинамических требований к узкому фюзеляжу делают сверхзвуковой транспорт более дорогостоящим видом коммерческих и гражданских перевозок по сравнению с дозвуковыми самолётами. Например, Боинг 747 может перевозить более чем в три раза больше пассажиров, чем Конкорд, при использовании примерно такого же количества топлива.

Если стрелу уменьшить, это может сделать даже очень большие конструкции сверхзвуковых самолётов приемлемыми для полётов над сушей. Исследования показывают, что изменения в носовом обтекателе и хвосте могут снизить интенсивность звукового удара ниже той, которая вызывает раздражение пассажиров. В 1960-х годах было высказано предположение, что тщательная обработка фюзеляжа самолёта может снизить интенсивность ударных волн звукового удара, достигающих земли. Одна конструкция приводила к тому, что ударные волны мешали друг другу, значительно уменьшая звуковой удар. В то время это было трудно проверить, но с тех пор растущие возможности автоматизированного проектирования значительно упростили эту задачу. В 2003 году был запущен демонстрационный самолёт, который доказал надежность конструкции и продемонстрировал возможность уменьшения удара примерно в 2 раза. Даже удлинение транспортного средства без значительного увеличения веса уменьшит интенсивность удара.

Сложность управления самолётом в широком диапазоне скоростей

Аэродинамическая конструкция сверхзвукового самолёта должна изменяться вместе с его скоростью для достижения оптимальной производительности. Таким образом, сверхзвуковой авиалайнер идеально изменил бы форму во время полёта, чтобы поддерживать оптимальную производительность как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. Такой вариант приведёт к усложнению конструкции, что увеличит потребности в техническом обслуживании, эксплуатационные расходы и проблемы безопасности.

На практике все сверхзвуковые транспортные средства использовали одну и ту же форму для дозвукового и сверхзвукового полёта, поскольку выбирался компромисс в производительности часто в ущерб полёту на низкой скорости. Аэродинамическое качество Например, Конкорд имел очень высокое лобовое сопротивление (отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению около 4) на низкой скорости, но большую часть полёта он летел с высокой скоростью. Конструкторы Конкорда потратили 5000 часов на оптимизацию формы транспортного средства в ходе испытаний в аэродинамической трубе, чтобы максимизировать общую производительность по всему плану полёта.

Boeing 2707 имел поворотные крылья для повышения эффективности на низких скоростях, но увеличенное пространство, необходимое для такой функции, создавало проблемы с производительностью, которые в конечном итоге оказались непреодолимыми.

У North American Aviation был необычный подход к этой проблеме с XB-70 «Валькирия». Опустив наружные панели крыльев на высоких скоростях, они смогли воспользоваться преимуществами подъёмной силы сжатия на нижней стороне самолёта. Это улучшило аэродинамическое качество примерно на 30 %.

Высокая температура оболочки

На сверхзвуковых скоростях самолёт адиабатически сжимает воздух перед собой. Повышенная температура воздуха нагревает самолёт. Дозвуковые самолёты обычно изготавливаются из алюминия. Однако алюминий, будучи лёгким и прочным, не способен выдерживать температуры намного выше 127 °C; при таких высоких температурах алюминий постепенно теряет свои свойства, которые сформировались в процессе векового затвердевания. Для самолётов, которые летают со скоростью 3 Маха, использовались такие материалы, как нержавеющая сталь (XB-70 «Валькирия», МиГ-25) или титан (SR-71, Т-4), при значительном увеличении затрат, поскольку свойства этих материалов значительно усложняют производство самолёта.

Небольшая дальность полёта

Дальность полета сверхзвукового самолёта можно оценить с помощью уравнения дальности Бреге. Высокая взлетная масса на одного пассажира затрудняет получение хорошей фракции топлива. Эта проблема, наряду с проблемой, связанной с низкими коэффициентами подъемной силы/сопротивления, значительно ограничивает диапазон сверхзвуковых транспортных средств. Поскольку маршруты на большие расстояния не были жизнеспособным вариантом, авиакомпании были мало заинтересованы в покупке сверхзвуковых авиалайнеров.

Невостребованность сверхзвуковых авиалайнеров у авиакомпаний

Поскольку сверхзвуковые авиалайнеры производят звуковые удары на сверхзвуковых скоростях, им редко разрешается превышать скорость звука над сушей, и поэтому они должны делать это над морем. Поскольку они неэффективны на дозвуковых скоростях по сравнению с дозвуковыми самолётами, дальность полета ухудшается, а количество маршрутов, по которым самолёт может летать без остановок, уменьшается. Это также снижает желательность таких самолётов для большинства авиакомпаний. Сверхзвуковые самолёты имеют более высокий расход топлива на одного пассажира, чем дозвуковые самолёты; это обязательно повышает цену билета при прочих равных условиях, а также делает эту цену более чувствительной к цене на нефть. Это также делает сверхзвуковые полёты менее благоприятными для окружающей среды, что вызывает все большую озабоченность у широкой общественности, включая туристов.

Основной целью инвестиций в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке нового сверхзвукового авиалайнера является увеличение скорости воздушного транспорта. Как правило, помимо стремления к новым технологическим достижениям, основной их движущей силой является конкурентное давление со стороны других видов транспорта. Конкуренция между различными поставщиками услуг в рамках одного вида транспорта обычно не приводит к таким технологическим инвестициям для увеличения скорости. Вместо этого поставщики услуг предпочитают конкурировать по качеству и стоимости услуг. Примером этого явления является высокоскоростная железная дорога. Ограничение скорости железнодорожного транспорта было так сильно увеличено, что позволило ему эффективно конкурировать с автомобильным и воздушным транспортом. Но было сделано не для того, чтобы усилить конкуренцию между железнодорожными компаниями.

Это явление также снижает востребованность сверхзвуковых авиалайнеров для авиакомпаний, поскольку для перевозок на очень большие расстояния (пара тысяч километров) конкуренция между различными видами транспорта скорее похожа на скачки на одной лошади: у воздушного транспорта нет значительного конкурента. Единственная конкуренция существует между авиакомпаниями, и они скорее будут платить умеренно, чтобы снизить стоимость и повысить качество обслуживания, чем платить намного больше за увеличение скорости. Кроме того, коммерческие компании обычно предпочитают бизнес-планы с низким уровнем риска с высокой вероятностью получения заметной прибыли, но дорогостоящая программа передовых технологических исследований и разработок является предприятием с высоким уровнем риска, поскольку возможно, что программа не удастся по непредвиденным техническим причинам или увеличит расходы настолько, что вынудит компанию из-за ограничений финансовых ресурсов отказаться от усилий до того, как они приведут к какой-либо инновационной технологии в производстве, что потенциально ведет к потере всех инвестиций.

Экономическая целесообразность

Как уже отмечалось выше, два предыдущих сверхзвуковых самолета – Concorde и Ту-144 – оказались нерентабельными.

Однако затраты на строительство и эксплуатацию подобных самолетов настолько велики, что маловероятно, что цена на билет будет демократичной и доступной.

Таким образом, встает вопрос о том, насколько самолет будет востребован, ведь дело не только в стоимости строительства такого аппарата, но и в огромных расходах на топливо.

В случае с Concorde стоимость билета составляла 11 тыс. долларов, что было накладно даже для тех пассажиров, которые предпочитали бизнес-класс.

Как был преодолен звуковой барьер?

Как это часто бывает — мирные технологии появились в результате военных разработок: после появления в 1940-х годах реактивных самолетов-истребителей перед авиаконструкторами встала задача увеличить их скорость. Такая опция расширяла боевые возможности как истребителей, так и бомбардировщиков. Уже 14 октября 1947 года на экспериментальном самолете Bell X-1 с ракетным двигателем XLR-11 была достигнута сверхзвуковая скорость в управляемом полете.

5 ноября 1956 года в Великобритании был создан Комитет по сверхзвуковым транспортным самолетам, объединивший 9 крупнейших авиационных организаций страны для внедрения реактивной коммерческой авиации и выбора проекта сверхзвукового самолета. В 1960 году работа комитета основывалась на успешно испытанном с 1954 года проекте рекордного опытного истребителя фирмы Fairey Delta 2, который впервые представил общие черты сверхзвуковых пассажирских самолетов: бесхвостку с крылом малого удлинения и сложной передней кромкой, однокилевое оперение, высокое шасси и опускаемую переднюю часть фюзеляжа для обзора на посадке с большим углом атаки. Этот этап завершился выбором проектного предложения фирмы Bristol type 223 и поиском партнеров для разработки столь крупного коммерческого предприятия. Чуть позже похожие работы начаты во Франции — проект фирмы Sud Aviation Super-Caravelle. В 1962 году правительства Великобритании и Франции объединили усилия для создания и производства самолета. Так был создан проект сверхзвукового пассажирского самолета «Concorde» — Согласие. В те годы США, Великобритания и Франция уже сотрудничали в разработке поколения реактивных и сверхзвуковых военных самолетов. В США развернули собственные работы, но их проекты отличались размерами самолетов и заданными показателями. Американским проектом по созданию сверхзвукового пассажирского самолета занималась авиакомпания Boeing. Самолет Boeing 2707 должен был вмещать до 300 пассажиров и разгоняться до 3000 км/ч.

Советские специалисты знали о зарубежных проектах сверхзвуковых пассажирских самолетов, изучали их макеты на международных авиационных салонах. В СССР велись собственные разработки такого самолета в нескольких конструкторских бюро и исследовательских институтах. Эти исследования завершились 16 июля 1963 года, когда вышло постановление «О создании ОКБ А. Н. Туполева СПС Ту-144 с четырьмя реактивными двигателями и о постройке партии таких самолетов».

Советские инженеры имели обширный опыт военного реактивного самолетостроения, но с гражданскими сверхзвуковыми машинами столкнулись впервые. Тем не менее в июне 1969 года опытный образец впервые превысил скорость звука, а 12 ноября 1970 года достиг максимальной скорости 2430 км/ч. Один из полетов пришлось прервать на скорости около 2000 км/ч из-за плохой управляемости самолета. Выяснилось, что на высокой скорости отклонение аэродинамических элементов управления самолетом вызывало рысканье (неконтролируемые угловые перемещения самолета), что провоцировало появление ложных ощущений у пилота. Дефект удалось устранить.

«Наша машина будет первым советским сверхзвуковым пассажирским самолетом, — отмечал авиаконструктор Туполев-старший. – Крейсерская скорость Ту-144 – 2500 км/ч, дальность полета – 6500 км, нормальный взлетный вес 130 т. Лайнер будет совершать рейсы на высоте 20 км. Управляет им экипаж из трех человек. Всего три с половиной часа потребуется Ту-144, чтобы доставить 121 пассажира из Москвы в Коломбо. Лайнер обещает быть экономичным в эксплуатации, стоимость полета на нем будет не выше, чем на дозвуковых самолетах. Как и во всех современных машинах, в Ту-144 предусмотрен максимум удобств для пассажиров. Они разместятся в двух комфортабельных салонах. Поскольку двигатели расположены в задней части фюзеляжа, шум в салонах будет незначительным».

Что удалось реализовать? Многие процедуры были автоматизированы, например, заход на посадку: у пилотов было нечто вроде навигатора, показывающего положение самолета относительно точки отправления, а при взлете и посадке — относительно полосы. Ту-144 был больше Конкорда. Мог перевозить до 150 пассажиров. Но его двигатели потребляли 38 тонн топлива в час против 20 у конкурента. В результате с максимальной нагрузкой Ту-144 мог пролететь всего 3000 километров (планировалось 6500) — это в два раза меньше, чем западный аналог. Рейс «Москва — Хабаровск» протяженностью 6250 километров реализовать не удалось, не говоря уже о более дальних, как например «Париж — Новосибирск — Токио».

Ударная волна, вызванная летательным аппаратом

Распространение ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом. Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.

При обтекании сверхзвуковым воздушным потоком твёрдого тела на его передней кромке образуется ударная волна (иногда не одна, в зависимости от формы тела). На фото слева видны ударные волны, образованные на острие фюзеляжа модели, на передней и задней кромках крыла и на заднем окончании модели.

На фронте ударной волны (называемой иногда также скачком уплотнения), имеющем очень малую толщину (доли миллиметра), почти скачкообразно происходят кардинальные изменения свойств потока — его скорость относительно тела снижается и становится дозвуковой, давление в потоке и температура газа скачком возрастают. Часть кинетической энергии потока превращается во внутреннюю энергию газа. Все эти изменения тем больше, чем выше скорость сверхзвукового потока. При гиперзвуковых скоростях (число Маха=5 и выше) температура газа достигает нескольких тысяч кельвинов, что создаёт серьёзные проблемы для аппаратов, движущихся с такими скоростями (например, шаттл «Колумбия» разрушился 1 февраля 2003 года из-за повреждения термозащитной оболочки, возникшего в ходе полёта).

Фронт ударной волны по мере удаления от аппарата постепенно принимает почти правильную коническую форму, перепад давления на нём уменьшается с увеличением расстояния от вершины конуса, и ударная волна превращается в звуковую. Угол между осью и образующей конуса   связан с числом Маха соотношением

Когда эта волна достигает наблюдателя, находящегося, например, на Земле, он слышит громкий звук, похожий на взрыв. Распространенным заблуждением является мнение, будто бы это следствие достижения самолётом скорости звука, или «преодоления звукового барьера». На самом деле, в этот момент мимо наблюдателя проходит ударная волна, которая постоянно сопровождает самолёт, движущийся со сверхзвуковой скоростью. Обычно сразу после «хлопка» наблюдатель может слышать гул двигателей самолёта, не слышный до прохождения ударной волны, поскольку самолёт движется быстрее звуков, издаваемых им. Очень похожее наблюдение имеет место при дозвуковом полёте — самолёт, летящий над наблюдателем на большой высоте (больше 1 км), не слышен, точнее, слышим с опозданием: направление на источник звука не совпадает с направлением на видимый самолёт для наблюдателя с земли.

Аналогичное явление может наблюдаться при артиллерийском огне: наблюдатель в нескольких километрах перед орудием может сначала видеть вспышку выстрела, через некоторое время слышит «гром» пролетевшего снаряда (и ещё несколько секунд после этого — создаваемый им шум).

Шум в сверхзвуковых самолетах был такой громкий, что люди, сидевшие на соседних креслах, могли услышать друг друга только крича. Про то, каково приходилось в «хвосте» лайнера — можно догадаться. Виной тому работа двигателей и системы кондиционирования — при сверхзвуковых скоростях обшивку самолета необходимо было охлаждать, а система это очень шумная.

Вопрос безопасности пассажиров

Сверхзвуковые самолеты должны летать в более высоких слоях атмосферы.

И если для военных самолетов это не проблема, так как пилоты надевают высотные компенсирующие костюмы, то для пассажиров в повседневной одежде такие перелеты могут быть опасны.

Кроме того, такие самолеты должны быть оснащены дополнительными системами подачи кислорода, отмечают эксперты, иначе перелет становится очень рискованным для пассажиров.

Сверхзвуковые скорости транспортных средств требуют более узких конструкций крыла и фюзеляжа и подвержены большим нагрузкам и температурам. Это приводит к проблемам аэроупругости, которые требуют более тяжелых конструкций для минимизации нежелательного изгиба. Сверхзвуковые авиалайнеры также требуют гораздо более прочной (и, следовательно, более тяжелой) конструкции, поскольку их фюзеляж должен быть герметизирован с большим перепадом давления, чем у дозвуковых самолетов, которые не работают на больших высотах, необходимых для сверхзвукового полета. Все эти факторы, вместе взятые, означали, что относительный вес одного пустого места в «Конкорде» более чем в три раза превышает аналогичный вес у «Боинга-747».

Однако и «Конкорд», и ТУ-144 были изготовлены из обычного алюминия и дюралюминия, в то время как более современные материалы, такие как углеродное волокно и кевлар намного прочнее при растяжении из-за их веса, а также являются более жесткими. Поскольку вес конструкции на одно сиденье в конструкции сверхзвукового авиалайнера намного выше, любые улучшения приведут к большему росту эффективности, чем те же изменения в дозвуковом самолете.

Концепция Lockheed Martin была представлена Директорату исследовательской миссии НАСА по аэронавтике в апреле 2010 года

Для поддержания экономической жизнеспособности сверхзвукового транспорта, исследования НАСА с 2006 года были сосредоточены на уменьшении звукового удара, чтобы обеспечить сверхзвуковой полет над землей. Недавно НАСА разработало демонстрационную модель с относительно низким шумом, смягчённым за счет планирования, чтобы получить общественное одобрение возможного снятия запрета Федерального управления гражданской авиации США и Международной организации гражданской авиации в начале 2020-х годов. Lockheed Martin X-59 QueSST будет имитировать сигнатуру ударной волны на скорости от 1,6 до 1,8 Маха с воспринимаемым уровнем шума 75 PNLdB по сравнению со 105 PNLdB у Конкорда.

Запущенные сверхзвуковые авиалайнеры

Всего было построено 20 «Конкордов»: два опытных образца, два самолёта разработки и 16 серийных самолётов. Из шестнадцати серийных самолётов два не поступили в коммерческую эксплуатацию, а восемь оставались в эксплуатации по состоянию на апрель 2003 года. Все эти самолёты, кроме двух, сохранились; два самолёта модели F-BVFD, припаркованные в качестве источника запасных частей в 1982 году и списанные в 1994 году, и F-BTSC, который разбился под Парижем 25 июля 2000 года, в катастрофе погибло 100 пассажиров, 9 членов экипажа и 4 человека на земле.

Всего было построено шестнадцать летных Ту-144; семнадцатый так и не был достроен. Кроме того, параллельно с разработкой нового прототипа был создан, по крайней мере, один наземный испытательный планер для статических испытаний.

Частые катастрофы

Самая весомая причина, по которой перестали использовать сверхзвуковые самолеты гражданской авиации.

Первая катастрофа с участием советского Ту-144 произошла 3 июня 1973 года при демонстрационном полете на международном авиасалоне «Ле-Бурже» во Франции. Тогда на глазах многотысячной толпы зрителей самолет пикировал и упал на жилой квартал. Погибли все 6 членов экипажа и 8 человек, находящихся на земле. Причины авиакатастрофы не были установлены.

Вторая катастрофа с участием Ту-144 случилась 23 мая 1978 года во время контрольно-приемочного (испытательного) полета, который был запланирован перед тем, как передать машину для перевозки пассажиров. Во небе на борту начался пожар, однако летчики смогли посадить самолет в поле под Егорьевском и эвакуироваться. Но это удалось сделать не всем, два члена экипажа все же погибли. Сам самолет восстановлению не подлежал. Две этих катастрофы послужили толчком к тому, чтобы прекратить эксплуатацию Ту-144.

У европейского «Конкорда» на счету была только одна катастрофа, но она произошла, когда самолет выполнял пассажирский рейс «Париж — Нью-Йорк», а, это значит, что на борту был не только экипаж, но и большое количество людей. Во время движения по взлетно-посадочной полосе у «Конкорда» загорелся двигатель, пилоты приняли решение поднять борт в небо для последующей аварийной посадки, так как совершить торможение уже было невозможно, однако через две минуты после взлета самолет упал на гостиницу в 4 километрах от аэропорта. Погибли все пассажиры и члены экипажа — 109 человек, а так же 4 человека на земле.

Этот полет стал последним в истории сверхзвуковых пассажирских самолетов. После катастрофы «Конкорда» их эксплуатацию запретили.

Когда мы снова полетим на сверхзвуковых лайнерах?

Идея о пассажирских сверхзвуковых полетах, конечно, не была забыта. Уже несколько лет предпринимаются попытки и демонстрируются новые прототипы самолетов, которые могли бы перевозить пассажиров на небывалых скоростях.

Центральный аэрогидродинамический институт в 2017 году представил модель сверхзвукового бизнес-джета, развивающего скорость 2100 км/ч.

Из 4 миллиардов авиапассажиров в 2017 году более 650 миллионов летали на расстояния от 3200 до 11 300 км, включая 72 миллиона пассажиров в бизнес- и первом классах. По подсчетам количество таких пассажиров достигнет 128 миллионов к 2025 году, что является достаточно объемным потенциальным рынком для сверхзвуковых перелетов.

Одним из самых перспективных проектов на данный момент можно считать Overture американской компании Boom Supersonic. Авиалайнер будет рассчитан на 65-88 пассажиров. Он будет летать со скоростью до 2100 км/ч на высоте свыше 18 км. В нем планируют использовать биотопливо. Предполагается, что первый полет состоится в 2026 году, а перевозки пассажиров начнутся в 2029 году.

Пока компания готовится провести первые испытания небольшого прототипа XB-1, одна из крупнейших мировых авиакомпаний United Airlines объявила о том, что готова купить 15 авиалайнеров Overture, как только они будут готовы и будут соответствовать всем стандартам безопасности. Кроме того, United Airlines готова будет расширить заказ до 50 самолетов.

Последний полет на сверхзвуковом лайнере

Начало конца для сверхзвуковых пассажирских самолетов стала авиакатастрофа 25 июля 2000 года в Париже. При вылете из аэропорта «Шарль де Голль», разбился «Конкорд» авиакомпании Air France, летевший рейсом Париж — Нью-Йорк. Причиной стал наезд тележки левого шасси на металлическую деталь обшивки двигателя другого самолета. Часть покрышки лопнувшей шины повредила топливный бак самолета, а вылившееся топливо загорелось, попав на раскаленные сопла двигателей. Вероятно, часть покрышки колеса повредила провода привода выпуска шасси, которые при взлете не убрались, оголенные провода стали причиной воспламенения топлива. Возникший пожар привел к отказу обоих левых двигателей не успевшего набрать скорость самолета и его падению на небольшой отель в двух километрах от аэропорта.

Все находившиеся на борту — 100 пассажиров и 9 членов экипажа — погибли. Также погибло 4 человека, находившихся в отеле.

После этого события полеты «Конкордов» были приостановлены. 16 августа сертификат летной годности «Конкордов» был отозван.

Весь следующий год велись работы по модификации парка самолетов, и 5 сентября 2001 года, сертификат летной годности был восстановлен. Регулярные пассажирские перевозки возобновились только 7 ноября полетом из Лондона в Нью-Йорк. После этого последовала череда других критических инцидентов, повлекших отключение двигателей. 10 апреля 2003 года British Airways и Air France объявили о прекращении эксплуатации парка «Конкордов». Последний полет «Конкорда» состоялся 26 ноября 2003 года: последний построенный самолет вылетел из лондонского Хитроу, пролетел над Атлантическим океаном и вернулся в Бристоль, где он и был построен.

Сейчас на главной