Где заблудился пассажирский сверхзвук

Прошло уже более полувека с начала эксплуатации Ту-144 и «Конкорда», а сверхзвуковых пассажирских самолетов нового поколения так и не появилось. Фото Анка Кумара

Первый в мире советский сверхзвуковой пассажирский самолет (СПС) Ту-144 поднялся в небо 31 декабря 1968 года. Через два месяца взлетел англо-французский «Конкорд» – эта машина эксплуатировалась 35 лет. Прошло уже более полувека с начала эксплуатации Ту-144 и «Конкорда», а СПС нового поколения так и не появились – ни в России, ни за рубежом. И это при том, что разработки в этой области ведут все развитые страны и время от времени возникают вполне, казалось бы, готовые для реализации проекты. Почему при бурном развитии военной сверхзвуковой авиации до новых сверхзвуковых пассажирских самолетов дело пока так и не дошло?

Препятствия на пути нового поколения

Первое – это экология, прежде всего воздействие шума и звукового удара на окружающую среду. Хотя и влияние вредных выбросов на озоновый слой Земли также находится в поле зрения специалистов. Повышение высоты полета нежелательно также из-за воздействия эмиссии оксидов азота на озоновый слой, максимальная концентрация которого наблюдается на высотах 20–25 км.

Во-вторых, низкая эксплуатационная эффективность сверхзвуковых самолетов. По топливной эффективности они в 1,5‒2 раза уступают дозвуковым коммерческим самолетам.

Следующая проблема – цена воплощения технологий, которые позволяют удовлетворить первым двум требованиям.

Серьезной является проблема разгерметизации салона на больших высотах полета. Поскольку происходит она очень быстро, нужно учитывать возможность экстренного снижения, поэтому ограничения по высоте могут возникнуть и с точки зрения обеспечения безопасности в случае разгерметизации.

И последняя, «бюрократическая», но очень важная проблема – сертификация. Для сертификации СПС отсутствуют требования, особенно по звуковому удару и шуму на местности, на которые следует ориентироваться потенциальным разработчикам самолетов.

В принципе решить все эти проблемы призваны СПС второго поколения. Но и тут есть свои сложности.

Ректор Московского авиационного института Михаил Погосян считает, что во всем мире разрабатываются как минимум пять проектов сверхзвуковых пассажирских самолетах второго поколения. Ориентировочно срок реализации – 2030 год. А в 2040–2050 годах возможна конкуренция СПС с гиперзвуковыми самолетами. Если, конечно, будет обеспечена высокая весовая, топливная и аэродинамическая эффективность, установлена силовая установка изменяемого цикла и малошумное сопло, применены перспективные композитные и тепло-звуковые поглощающие материалы. Не обойтись и без использования систем искусственного интеллекта.

Спрос на пассажирский сверхзвук 2025–2040-х годов может составить от 2850 до 4110 самолетов. Разработка отечественного СПС обойдется примерно в 44 млрд руб. в течение семи лет. Снятие запретов на полеты СПС над сушей позволит увеличить потенциальный рынок в три раза: до 75 млн премиальных кресел, кресел первого класса.

Скачок вместо удара

У авиастроителей есть популярный афоризм: «С хорошим двигателем и забор полетит!» Генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения Михаил Гордин утверждает, что в свое время ЦИАМ определял параметры и характеристики двигателей, оптимальных для разных конфигураций СПС. К примеру, было установлено, какое конкретно сопло нужно для такого двигателя. Даже проводились эксперименты, связанные с шумоглушащим соплом, модели которого исследовались и в Европе, и в ЦАГИ.

В основу российской конфигурации СПС была взята идея снижения уровня звукового удара. Дело в том, что эта идея является основной критической технологией для сверхзвуковых пассажирских самолетов любой конфигурации. Без этого ни один самолет не будет допущен к полету, как бы хороши ни были остальные параметры. Если вспоминать Ту-144, то у него этот показатель был очень высоким: около 120 Па. Говорят, что иногда от его звукового удара лопались стекла в домах, хотя о проблемах со здоровьем людей информации не было.

Разработанные российскими учеными новые технологии снижения звукового удара направлены как раз на то, чтобы сильный звуковой удар на земле превратить в несколько небольших скачков меньшей интенсивности. Это достигается выбором конфигурации летательного аппарата, в частности крылом типа «чайка». Кроме того, крыло сдвинуто назад относительно носа самолета, а нос и часть фюзеляжа перед крылом имеют удлиненную форму. Американцы даже предлагают использовать на носу штангу, которая позволяет отодвинуть еще дальше вперед точку формирования головной ударной волны.

Кстати, здесь немаловажную роль играет размещение двигательной установки над или под фюзеляжем. В большинстве проектов они в основном надкрыльевые. Это связано и со снижением шума, и с уменьшением звукового удара, поскольку звуковые волны будут в первую очередь отражаться от планера СПС.

В России сейчас изучаются три концепции самолета: легкий, средний и магистральный СПС. В ЦИАМе ведутся работы, посвященные исследованию силовых установок как небольшого сверхзвукового пассажирского самолета типа SSBJ на восемь пассажиров, так и более крупного – на 100 пассажиров. И одна из задач, которую решают в последние два года, – унификация двигателей для этих двух вариантов. Цель – обеспечить возможность поставить на самолете бизнес-класса два двигателя, а на большом самолете – четыре. Эксперименты показали, что в принципе такой двигатель может быть создан.

Такие двигатели для СПС уже есть. Речь идет, в частности, о силовой установке Р-579–300, которая позволит управлять самолетом без механизации – за счет использования струйных рулей. Такая технология также позволяет отказаться от сопла с отклоняемым вектором тяги, тем самым существенно снизить вес самого двигателя и самолета. Такой двигатель способен обеспечить дальность полета более 9000 км с крейсерской скоростью в два раза больше скорости звука (2М).

Также изучается вариант использования газогенератора нового отечественного авиадвигателя ПД-14 для сверхзвукового применения. Однако создание двигателя для СПС в целом, конечно, займет еще много лет.

Если делать его на базе существующего газогенератора, то это потребует от трех до пяти лет. Но если создавать оптимальный двигатель для СПС, то придется начинать с нуля и на это уйдет не менее 7–10 лет.

Бионика спешит на помощь

О совершенно фантастических вещах рассказал недавно представитель Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук. Это бионические и интеллектуальные конструкции, которые будут применяться при создании планера СПС. Например, крыло самолета будет делаться цельным, но работать оно будет как крыло птицы и выпускать электроны, закрылки и предкрылки, как перья, и так же их убирать, придавая снова целостность крылу. Такая плоскость дает ряд важных преимуществ: снижение уровня шума, повышение маневренности, сокращение дистанции разбега и посадочного пробега.

Материал обшивки будущих СПС – это почти живая субстанция, способная к самовосстановлению, а главное, она в состоянии самостоятельно реагировать на внешнее воздействие. То есть обнаруживать дефекты и самостоятельно их устранять. Используются так называемые smart-материалы и конструкции, которые изменяют свои свойства в зависимости от изменения окружающей среды, которые они фиксируют самостоятельно. Они будут созданы на основе искусственных наноструктурированных композитов. Именно из них будут делать, например, крылья самолетов и фюзеляжи.

Также в будущем начнут широко использовать smart-сплавы с памятью формы, пьезоэлектрические материалы. Например, в крылья будущих самолетов будут вживляться пьезоэлектрические и волоконно-оптические датчики, которые будут следить за их состоянием.

Российские ученые и инженеры уже разработали такие материалы и даже сделали опытные элементы крыла и фюзеляжа.

Генеральный директор ФГУП «ЦАГИ», член-корреспондент РАН АН Кирилл Сыпало назвал создание нового поколения сверхзвуковых гражданских самолетов одним из основных вызовов для мирового авиастроения.

«У России есть все шансы занять лидирующие позиции в разработке СПС, – подчеркивает Сыпало. – Именно в нашей стране был создан один из первых в мире сверхзвуковых авиалайнеров – Ту-144. Уверен, что мы сохранили опыт и компетенции для того, чтобы сегодня успешно развивать ключевые технологии в этом перспективном направлении, используя научный задел, который имеется в распоряжении ученых, и современные подходы в формировании отечественной базы фундаментальных знаний».

Добавим, что масштабная модель демонстратора комплекса технологий сверхзвукового гражданского самолета (СГС) «Стриж» стала основным экспонатом института на МАКС-2021.

Макет СГС отражает ряд принципиально новых наработок отечественных ученых. Его компоновка обладает низким уровнем звукового удара при обеспечении высоких аэродинамических характеристик, устойчивости и управляемости во всем диапазоне режимов полета. Инновационная металло-композитная конструктивно-силовая схема создана с применением бионических принципов.

А при чем тут Илон Маск

У пассажирского сверхзвука потенциально есть серьезный конкурент – глава SpaceX Илон Маск с его проектом доставлять на ракете пассажиров из одной точки Земли в другую за полчаса. Например, от Нью-Йорка до Лондона. Эта новая ракета получила название BFR, Big Falcon Rocket (Big Fucking Rocket, как пошутил сам основатель SpaceX). BFR станет третьей ракетой SpaceX – в дополнение к уже успешно работающей Falcon 9 и новой Falcon Heavy.

Первая ступень BFR – это разгонный модуль, вторая представляет собой полноценный космический корабль с пространством для грузов или пассажиров. Туда можно будет поместить 40 кают на 100 человек.

Билет на это чудо-ракету будет стоить столько же, во сколько сейчас обходится полет на обычном самолете в эконом-классе. Выгода для деловых людей прямая. Только вот выдержат ли все пассажиры перегрузки при старте и приземлении ракеты, Маск не сообщил.

Если смотреть более реалистично, то сверхзвук будет дорогим, за скорость придется платить. В России еще в 2019 году предложили создать СГС на базе сверхзвукового стратегического ракетоносца Ту-160. С этим предложением выступил президент Владимир Путин. Неудивительно, что публичное акционерное общество «Туполев» заявило о том, что первый полет опытного образца нового российского сверхзвукового пассажирского самолета планируется уже в 2027 году.

Создание сверхзвукового делового самолета планируется в два этапа. Первый – разработка самолета-демонстратора, первый вылет которого запланирован на 2024 год. Второй этап – разработка опытного образца, вылет которого запланирован на 2027 год.

Научно-исследовательские и экспериментальные работы вместе с постройкой демонстратора обойдутся в более чем 42 млрд, опытно-конструкторские работы – в 57 млрд, а постройка серийного самолета – в 6 млрд руб.