Ушли на второй круг. Ученые оценили попытки создать сверхзвуковой самолет

21 Октября 2019

МОСКВА, 21 октября —, Татьяна Пичугина. На авиасалоне МАКС-2019 российские инженеры представили макет сверхзвукового пассажирского теплохода нового поколения. Технические решения, которые в нем будут реализованы, позволят создать летательный аппарат, полностью отвечающий нынешним жестким требованиям к экономичности, экологичности и комфорту. Сверхзвуковая авиация снова в тренде

В СССР работы над пассажирским сверхзвуковым самолетом развернулись в начале 1960-х, и уже 31 декабря 1968 года в воздух поднялся первый Ту-144. Минуло полвека, срок большой. С тех пор мир технологически сильно изменился, — рассказывает академик Сергей Чернышев, научный руководитель Центрального аэрогидродинамического научно-исследовательский института имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ), профессор МФТИ, один из ведущих специалистов в области звукового удара.

У Ту-144 были прочные летные характеристики, он упреждал звук в 2, 2 раза. Однако большой расход топлива и сложно решаемые технические неполадки значительно ограничивали его применение. Немаловажен оказался и экономический критерий.

Топливо для него было очень дорогим, специального состава. Требовалось налаживать соответствующую наземную инфраструктуру. Это стало одним из препятствий для внедрения самолета, — продолжает академик Чернышев. / Лев Поликашин Самолет Ту-144 развивал скорость в 2, 2 раза выше скорости звука

Еще одна проблема, не принципиальная в те годы, но первостепенная в наши дни, — высокий уровень шума при взлете и по достижении скорости звука. С ней скрестился и французский Конкорд, организовывавший рейсы из Лондона до 2003 года. Сейчас эксплуатировать такие самолеты нереально: они простого не вписываются в национальные и международные авиационные нормы.

Дозвуковые лайнеры, напротив, успешно эксплуатируются по всему миру: их стало много, они безопасны, инфраструктура прекрасно развита, улететь можно практически в любую точку планеты, билеты обычно недорогие. Но скорость уже не делает глобализованный мир.

Перелет из Москвы, скажем, в Токио занимает десять часов, а с учетом проезда в аэропорт и обратно, паспортного контроля, ожидания багажа — весь световой день. По нынешним меркам это непозволительная трата времени. Вот почему в обществе снова зреет запрос на сверхзвуковую авиацию, в первую очередь среди бизнесменов и у крупных компаний. Это чувствуют инвесторы, готовые вкладываться в подобные планы. Вот ученые и инженеры из России, США, Японии, ЕС и взялись за разработку самолетов нового колена. 20 ноября 2018, 14:35Названы сроки создания крупного сверхзвукового лайнераДвигатели — ключевое звено

Разработчикам предстоит создать принципиально новые двигатели. На дозвуковые самолеты сейчас выбирают двухконтурные силовые агрегаты с соплом большего диаметра, чтобы убавить скорость вытекающей реактивной струи, а значит, и уровень шума. Преодолеть скорость звука с ними не получится: большие двигатели увеличивают сопротивление воздуха.

Поэтому бочку нужно уменьшить, тем самым уменьшив степень двухконтурности. Струя станет более скоростной, но повысится шум. Здесь одно улучшаешь, другое портишь. Простое решение — подвесить двигатели под крыло, как у дозвуковых самолетов, не годится. В нашей модельки они располагаются над планером самолета. Во-первых, сам он немного экранирует их шум, во-вторых, струя вытекает на его поверхность, увлекает за собой холодный окружающий воздух, эффективный поперечный размер струи набегает, а скорость уменьшается, то есть мы можем ее притормозить, получив при этом хорошую тягу с двигателя. Такого больше ни у кого нет, это новая концепция, — объясняет ученый. / Рамиль Ситдиков Турбовентиляторный двигатель ПД-14, представленный на Международном авиационно-космическом автосалоне МАКС-2019

Хорошо бы, конечно, называет он, сделать двигатель неустойчивого цикла. На взлете у него большой поперечный размер, чтобы меньше шуметь, в полете поперечник уменьшается, сажу сопротивление воздуха и позволяя разбежаться, а на дозвуке снова увеличивается. Но это пока слабопроработанная концепция, в достижимости придется искать компромисс между размерами двигателя и его расположением на планере самолета.

Военные самолеты тут не могут служить образцом. Они летают в режиме сверхзвука очень ограниченное время, и резерв двигателей небольшой. Примерно через тысячу часов их отправляют на капремонт. Пассажирский же теплоход должен в каждом рейсе на три-четыре часа включать сверхзвуковую скорость. Ресурс быстро исчерпается, и любая, даже любая крупная гражданская авиакомпания разорится на капремонтах.

Сейчас ни у кого нет нужного двигателя, да и проблема его размещения на планере не изучена до конца. Но прогресс есть. Современные модели раза в два экономнее, чем те, что были пятьдесят лет назад, у них более горячие камеры сгорания, более высокая температура на турбинах за счет применения новых жаропрочных материалов. У нас скоро поступит в разработку двигатель ПД-14, базовый для нашего среднемагистрального самолета МС-21. Вот его горячую часть вполне можно взять за основу для сверхзвукового двигателя, — отмечает Сергей Чернышев. 22 мая, 08:00Как в России делают суперлегкие детали для самолетов и ракетСкелет как у пигалицы

Самолет падает в атмосфере, толкая перед собой и увлекая за собой огромную массу вещества. Чем выше скорость, тем могучей сопротивление воздушной среды. Представьте, что человек с яра забегает в воду: сначала легко, а потом деревяшки вязнут, словно на них гири. Так же и с самолетом при переходе на сверхзвуковую скорость. Один из способов решить проблему — продлить высоту полета до 15 или даже 18 километров. Там атмосфера менее плотная.

Чем быстрее движется самолет, тем сильнее отапливается его корпус, особенно заостренные части — носовая, фасадные кромки крыла, кромки воздухозаборника. Ту-144 с числом Маха крейсерского полета 2, 2 отапливался до 120-150 градусов. Чуть выше — и алюминиевый спуст, из которого сделан фюзеляж, потек бы.

Сейчас есть жароустойчивые композитные материалы, в том числе полимерные на основе углеволокна. Они легче алюминия, а модуль прочности выше, чем у стали.

Здесь важна конструктивно-силовая схема. Сегодня авиастроители всего мира используют концепцию blackmetal или black aluminum — когда скелет фюзеляжа выполнен из композитов по традиционной схеме с анфиладными стрингерами и поперечными шпангоутами. В новых сверхзвуковых самолетах она не годится, мы предлагаем сеточную конструкцию, причем с неравномерной ячейкой сетки:, где нагрузка больше, например на крыле, там сетка чаще, в носовой части, где нагрузка меньше, — сетка редкая. Это бионическая силовая конструкция летательного аппарата, то есть как в душе. Как скелеты у пигалиц, человека, — подчеркивает академик Чернышев. 20 июля 2017, 12:37В России разработали сверхпрочный углепластик для космоса и авиацииВ беспилотном распорядке

У ультразвукового самолета должна быть иная аэродинамическая компоновка, чтобы обеспечить большую скорость, устойчивость полета, посадку на обычные полосы. Традиционный подход, использовавшийся в Ту-144 и Конкорде, — треугольное крыло большой стреловидности, для уменьшения лобового сопротивления воздуха и снижения звукового удара.

В нашей модели крыло сделано в виде двойного поперечного V. Это снижает сопротивление, звуковой тумак и улучшает аэродинамику, — говорит ученый.

Журавлиный нос Ту-144 стал его визитной карточкой. В полете он прямой, а при посадке опускается вниз, чтобы не загораживать пилотам ликбез. Для управления им плюсовали гидравлические приводы, а это лишний вес. Инженеры ЦАГИ предлагают убить сразу двух зайцев — сделать цельный фюзеляж без окон, их не будет даже в кабине пилотов. Вместо них — жидкокристаллические экраны, на которые выводится картинка с внешних камер. Таким образом проблема обзора при посадке решается сама собой.

В салоне по бокам и на потолке ЖК-экраны. Пассажиры видят, что происходит за бортом благодаря числовому зрению самолета, чувствуют себя комфортно. Пилоты ведут по приборам, которые сейчас куда совершеннее, чем органы впечатлений человека. Труба корпуса без вырезов — более прочная, за счет этого мы сократим толщину стенок и снизим вес конструкции, — уточняет он.

Не исключено, что ультразвуковой самолет вообще станет беспилотным. Современный уровень автоматики это дозволяет. Летчиков уже критикуют за то, что они перевоплотились в операторов ЭВМ, но это отражает технологический тренд: вскоре самолетом будет управлять только автоматика, а на борту останется один пилот-контролер. Фото : ЦАГИМакет ультразвукового пассажирского лайнера представлен ЦАГИ на МАКС-2019Как образуются ударные волны

Летящий самолет создаёт в атмосфере ударные волны. Но если огромные пассажирские теплоходы неслышно пролетают у нас над головами на большой высоте, то летящий на той же высоте сверхзвуковой легкий истребитель беззвучным никак не покажется.

Дело в том, что ударные волны движутся впереди дозвукового самолета, разбредаются от носа во все стороны и быстрее рассеиваются с высотой.

На сверхзвуковой скорости самолет обгоняет созданное им возмущение среды, ударная волна огибает его и складывает позади воронку — конус Маха. Подходя к земле, она создает скачок давления — звуковой удар. Иллюстрация. Из поэмы С. Л. Чернышева Звуковой удар Самолет, летящий быстрее скорости звука, обгоняет собственные ударные волны. Они образуют за ним воронку — конус Маха

Перепад давления достигает ста паскалей для самолетов массой до 150 тонн. Это безопасно для здоровья, но дискомфортно для уха. Действует и фактор внезапности — люди просто пугаются. Регулярные же звуковые удары способны со временем повредить наземные сооружения. По этой причине, к примеру, над США летать на сверхзвуке запрещено. В Европе авиакомпаниям также предписано избегать звукового удара.

Бытует мнение, что он происходит один раз при переходе самолета на сверхзвук. В реальности лайнер складывает коридор до земли на всем протяжении полета шириной десятки и сотни километров, в связанности от числа Маха и высоты.

Есть еще интересный эффект. Отраженная от поверхности звуковая волна достигает верхних слоев атмосферы — стратосферы или мезосферы, отражается, направляется вниз и возвращается к земле, создавая вторичный акустический удар — порой в сотнях километров перед самолетом или сбоку от трассы полета.

Это явление втолковали советские ученые еще в 1940-х годах, изучая распространение ударных волн от взрыва снарядов. Интенсивность вторичного звукового удара ниже, но он протяжнее, ощущается как раскат грома. И это было проблемой при эксплуатации Конкордов.

Жители Европы жаловались на шум приближающегося самолета, хотя вроде бы он тормозил задолго до приближения к населенным арбатам и не должен был делать звукового удара. Кроме первичного звукового удара, обусловленного скрещением конусом Маха поверхности океана (при приближении к земле конус исчезал, так как самолет замедлялся до дозвуковой скорости), создавался вторичный удар, устилающий, как ковром, значительные территории, — детализирует Сергей Чернышев. 31 декабря 2013, 10:40Сверхзвуковой авиалайнер Ту-144: летно-технические характеристики31 декабря 2013 года исполняется 45 лет с первого полета опытного образца Ту-144. Борьба со акустическим ударом

Совершенно избавиться от звукового удара при сверхзвуке невозможно — законы учителя неумолимы. Остается подавлять его активными или пассивными способами. Тут многое зависит от тьмы и размеров самолета, высоты и скорости полета. Например, ударная волна от обычного легкого аппарата с числом Маха 1, 1 на высоте десять километров может не достигать земли. Совсем другое дело — пассажирский лайнер с числом Маха 2, 2.

Во времена Ту-144 неполадка звукового удара так остро не стояла. Самолет летал только в Алма-Ату, а Конкорд при подлете к Европе или США переходил на дозвуковую скорость, — рассказывает Татьяна Киселева, кандидат физико-математических наук, сотрудник лаборатории № 5 Института теоретической и практический механики имени С. А. Христиановича СО РАН, где исследуют звуковой удар.

Один из вариантов — ограничить скорость полета, например до числа Маха 1, 6. Этим путем идут в ЦАГИ и NASA. Иллюстрация. Фото: ЦАГИКонцепт ультразвукового лайнера ЦАГИ

Когда инженеры определились с фактами полета, позволяющими минимизировать акустический удар, можно заняться корректировкой формы летательного аппарата. Чем он длиннее и чем меньше диаметр корпуса, тем по большей поверхности самолета распределяются возмущения и меньше ударные волны, — излагает исследовательница общие командовала.

Отдельная задача, которой занимаются в ИТПМ СО РАН, — как исследовать сами ударные шубы, когда расчетная область занимает не две-три длины лайнера, а целый коридор высотой 15-18, шириной — десятки-сотни и длиной — тысячи километров. Для этого нужны огромные вычислительные и экспериментальные ресурсы.

Ученые действуют по двум направлениям. Смотрят, как в аэродинамической трубе хор огибает самолет, формируются скачки давления в ближнем поле, и затем численно моделируют появление их до земли. Кроме того, изучают, как на перераспределение давления по плоскости самолета влияют форма крыла, носа, оперения и других элементов.

Допустим, на крыле есть излом или у него неизбежная стреловидность. Мы исследуем, как оно будет обтекаться, как генерируются ударные волны, в какую сторону уходят, как взаимодействуют с другими частями самолета, в каком виде доходят до поверхности земли, — продолжает Киселева. 21 ноября 2018, 21:00Физики из США создали первый ионный самолет

Изменение формы различных частей планера самолета, расположения двигателей, — это пассивные способы борьбы со звуковым ударом. А можно активно воздействовать на набегающий хор.

К примеру, мы фокусировали излучение мощного лазера в определенную область в потоке, получали плазму и таким образом локально заменяли набегающий на крыло или нос самолета воздух. В смысле, это возможно, но не на данном этапе распространения лазерной техники, когда она слишком громоздка, чтобы поднимать ее на борт. Другой вариант— охладить поток выдувом в нос самолета жидкого азота. В этом случае придется поднимать на борт его запас, чтобы использовать на всем протяжении полета, а это лишний вес, — рассуждает ученый.

В общем, победить звуковой тумак сейчас нельзя, можно только ослабить его до какой-то размерности. Главный вопрос — до какой. 16 июля, 12:41Российские ученые разработали новые способы борьбы с тряской самолетаДрайверы сверхзуковой авиации

Требования по авиационному шуму за последние полвека сильно изменились. Раньше аэропорты строили вдали от городов, но мегаполисы прибывают. Самолеты мешают людям, это вызывает обеспокоенность во всем мире, так, что секвестрирования будут только ужесточаться, — говорит академик Чернышев.

Норм по шуму специально для сверхзвуковых гражданских самолетов не существует. Сейчас есть только глава 14 Приложения 16 к конвенции Международной организации гражданской авиации (ICAO) Авиационный шум. Тем не менее этим занимаются. Специалисты ЦАГИ участвуют в работе ICAO и проекте ЕС. В Европе эта проблема особенно сложна из-за высокой плотности населения, необходимости согласовывать нормы со множеством стран.

Если мы скажем людям: Давай будем летать на сверхзвуке, но шуметь чуть-чуть побольше, нас не поймут. Все согласны только на уровень, зафиксированный в главе 14. Через пять лет его снизят еще на семь децибел. Это постоянная гонка, потому, что человечество хочет уют и комфорта и не желает терпеть шум у себя в доме, — отмечает академик.

Никто не будет строить новые аэропорты вдали от городов специально для сверхзвуковых теплоходов. Даже отдельная полоса — это слишком затратно. Самолет должен вписываться в общепринятые рамы практически по всем параметрам: уровню шума, длине полосы, толщине покрытия, раствору топлива, обслуживанию. Одна из причин, по коей 600-местный лайнер А-380 компании Airbus так и не получил порядочного распространения, — необходимость двухэтажного причала для пассажиров. Из-за этого не каждый аэропорт хмельный его принять. Иллюстрация. Фото: Boom Technology, Spike Aerospace, Aerion, NASA, BoeingПроекты сверхзвуковых пассажирских самолетов

Самолету также нужна очень хорошая аэродинамика. Иначе он будет садиться с большой скоростью и не успеет остановить на стандартной взлетно-посадочной полосе. Никаких парашютов для торможения не должно быть, — плюсует ученый.

Инженеры ЦАГИ скептически относятся к заявлениям компании Boom Airliner, разрабатывающей самолет Overture и его демонстратор XB-1 Baby Boom.

Крейсерскую скорость 2, 2 Маха очень нельзя обеспечить. Нужны компактные пневмодвигатели, а значит, возникает проблема шума при взлете. Компоновка, пассажиров больше пятидесяти — это большой вес. Вряд ли они впишутся в требования по шуму. Не исключено, что это лишь рекламный ход для привлечения инвестиций, — говорит Сергей Чернышев.

Проект Aerion с прямым стреловидным покрывалом более перспективен.

Такое крыло лучше на дозвуке, и Aerion мог бы летать над населенными территориями. Но здесь опять булава о двух концах: сформировать самолет эффективным в обоих распорядках нереально, слишком противоречивые требования. К тому же крейсерская скорость с числом Маха 1, 4 дает небольшой выигрыш по времени, притом, что предстоит решить множество технических проблем, — комментирует академик. 26 июля 2017, 15:18СМИ: НАСА работает над созданием сверхзвукового пассажирского самолета

NASA заявляет для своего демонстратора X-59 скорость с их количеством Маха 1, 6 — это в два раза больше крейсерской скорости дозвуковых самолетов. Скакнуть сразу на 2, 2 Маха, как это было с Ту-144, и при этом вписаться в современные экологические требования — это практически исключено.

Двигатели должны создавать сумасшедшую тягу, чтобы самолет разрывал воздушное пространство, преодолевал сопротивление. Он будет нагреваться, генерировать ударные шубы огромной энергии. Удивляюсь, что некоторые пытаются идти по этому пути, — говорит ученый.

Российская школа сверхзвуковой авиации первенствует в мире. Ее избранники прекрасно понимают, какой технический вызов брошен, поэтому считают, что эксплуатация сверхзвуковых самолетов начнется не ранее 2030 9-12 месяца.

Прежде всего нужен демонстратор — сокращённая копия реального самолета. Таким была сотка, или изделие 100 для Ту-144. Прототип обычно рассчитан на одного-двух авиаторов, а может, будет беспилотным — так собираются сформировать в Японии. Задача — показать правильность технических решений по аэродинамике, управлению, работе двигателей, материалам, визуализации, отработать взлет и посадку, просчитать траекторию.

Сейчас мы на этапе создания технологического демонстратора, нас поддерживает Минпромторг. Рассчитываем, что к концу 2023 года у нас уже будет все необходимое для запуска летающей лаборатории. Одновременно разворачиваем работы над прототипом реального самолета. В планах до 2050 9-12 месяца — проект гиперзвукового пассажирского не замусорить гаджета на жидком водороде с их количеством Маха 5, — заключает Сергей Чернышев. 13 мая, 08:00Дело в трубе. Как самолеты и шутихи обретают форму НаукаМС-21Ту-144ЦАГИ имени Н. Е. ЖуковскогоРоссийская высшая школа наукНАСАМинистерство промышленности и торговли РФ

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Ушли на второй круг. Ученые оценили попытки создать сверхзвуковой самолет

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер бывший музыкант рок-группы "Крематорий"