Пассажирские сверхзвуковые самолеты могут вскоре вернуться в авиацию. Для этого они должны стать иными, чем ушедшее первое поколение. Каким же будет новое?
Сверхзвуковой пассажирский Overture от компании Boom Technology
Фото: Boom Supersonic
Сверхзвуковой пассажирский Overture от компании Boom Technology
Фото: Boom Supersonic
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
Советский пассажирский сверхзвуковой Ту-144
Фото: РИА Новости
Советский пассажирский сверхзвуковой Ту-144
Фото: РИА Новости
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
Британско-французский сверхзвуковой пассажирский Concorde
Фото: Getty Images
Британско-французский сверхзвуковой пассажирский Concorde
Фото: Getty Images
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.
Есть и другие специальные сверхзвуковые коридоры, некоторые под управлением гражданских органов. Например, коридор на северо-востоке штата Нью-Йорк возле Саранак-Лейк (Saranac Lake), контролируемый федеральным управлением гражданской авиации (Federal Aviation Administration, FAA).
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
Экспериментальный сверхзвуковой самолет XB-1 Baby Boom от компании Boom Technology
Фото: Boom Supersonic
Экспериментальный сверхзвуковой самолет XB-1 Baby Boom от компании Boom Technology
Фото: Boom Supersonic
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.