Сверхзвуковой самолет

Будущее сверхзвуковых полетов

Не все так печально, как может показаться на первый взгляд. Кроме гражданской авиации существует и всегда будет существовать военная отрасль. Боевые потребности государства как раньше двигали развитие авиации, так и продолжат это делать. Армии всех государств нуждаются во все более совершенных летательных аппаратах. Из года в год эта потребность только возрастает, что влечет за собой создание новых конструкторских и технологических решений.

Рано или поздно развитие выйдет на такой уровень, когда использование военных технологий, возможно, станет рентабельным и в мирных целях.

Скорость сверхзвукового пассажирского самолета

Разработчики умудрились произвести сверхзвуковые самолеты, которые могут развивать скорость в 2,5-3 раза больше, нежели обычный авиалайнер. Не сложно подсчитать, что разогнать такой самолет можно примерно на 2500 км/ч.

Однако они же давно отказались от производства так называемых самолетов со сверхзвуковыми скоростями. Почему? Причин несколько:

  1. Безопасность. Самолеты, предназначенные для работы на сверхзвуковых скоростях, должны обладать максимально обтекаемой формой корпуса. Разбирающиеся в конструктивных особенностях построения самолета понимают, что чем дольше длина лайнера, тем сложнее добиться такой формы. Если не соблюдать этих особенностей, это грозит тем, что во время достижения сверхзвуковой скорости, корпус лайнера может попросту распасться на кусочки.
  2. Экономическая сторона. Все самолеты со сверхзвуковой скоростью имеют небольшую экономичность топлива, и в отличие от более медленных лайнеров, скорее расходуют ее. Билеты на рейс таким самолетом в разы дороже, нежели на обычный рейс.
  3. Не подготовленность аэропортов. Самолеты со сверхзвуковой скоростью являются масштабными, объемными агрегатами. Чтобы посадить такой самолет нужно специальное, отдельное место.
  4. Частый технический осмотр. Исходя из того, что самолет работает на сверхбыстрых скоростях, уход за ним должен проводиться практически после каждого рейса, чтобы не пропустить возможной поломки. Естественно, авиаперевозчики не желают покупать и пользоваться активами, постоянно нуждающимися в ремонте.

Несмотря на ряд недостатков этого самолета, некоторые компании всерьез рассматривают возможность их производства и эксплуатации самолета, достигающего сверхзвуковых скоростей.

Закрытие или заморозка

На фоне продолжающихся разработок и заявлений, что к 2025 году самолеты ТУ-244 поступят в эксплуатацию гражданской авиации в количестве 100 единиц, весьма неожиданным стало отсутствие данного проекта в государственной программе по развитию авиации на 2013-2025 гг., которая была принята в 2012 году. Нужно сказать, что в данной программе отсутствовали и ряд других заметных разработок, которые до того времени считались перспективными в авиастроении, например, сверхзвуковой самолет деловой авиации Ту-444.

b32afbecdd77e305fd3e48988603080d.jpg

Данный факт мог говорить о том, что проект Ту-244 либо окончательно закрыт, либо заморожен на неопределенное время. В последнем случае, выпуск этих сверхзвуковых самолетов возможен будет только гораздо позже 2025 года. Впрочем, никаких официальных разъяснений по этому поводу так и не было дано, что оставляет довольно широкое поле для различных интерпретаций.

Как вышло за рубежом

Европейский Конкорд, в свою очередь, отлетал гораздо дольше с 1976 г. по 2003 г. Однако из-за нерентабельности (самолет так и не смогли вывести на минимальную окупаемость), эксплуатацию также в итоге свернули. Во многом это произошло из-за авиакатастрофы в Париже 25 июля 2000 г.: при взлете из аэропорта Шарль Де Голль загорелся двигатель, и самолет рухнул на землю (погибло 113 человек, в том числе 4 на земле), а также террористическим атакам 11 сентября 2001 г. Несмотря на то, что это была единственная катастрофа самолета за 37 лет эксплуатации, а теракты не имели непосредственного отношения к Конкорду, общее снижение потока пассажиров уменьшило и без того отсутствующую рентабельность полетов и привело к тому, что последний рейс данный самолет совершил по маршруту Хитроу – Филтон 26 ноября 2003 г.

b0feb1f3b7a219e8e557451866618113.jpg

Европейский Конкорд осуществляет взлет

Интересный факт. Билет на рейс Конкорда в 70е годы стоил не меньше 1500 долларов в один конец, ближе к концу девяностых цена выросла до 4000 долларов. Билет за место на последнем рейсе этого лайнера стоил уже 10000 долларов.

С чего все начиналось

Стремительными шагами авиация начала развиваться после Второй мировой войны. Разрабатывались различные проекты летательных аппаратов с реактивными двигателями, которые должны были прийти на смену обычным силовым агрегатам. Важным моментом в создании сверхзвуковых лайнеров было не достижение а преодоление этого барьера, поскольку аэродинамические законы на подобных скоростях меняются.

Массово подобные технологии начали использоваться с пятидесятых годов прошлого века. Среди серийных модификаций можно отметить отечественные «МиГи», американские истребители North American, Delta Dagger, французские «Конкорды» и многие другие. В пассажирской авиации внедрение сверхзвуковых скоростей происходило намного медленнее. Ту-244 – самолет, который мог составить не просто конкуренцию в этой отрасли, а стать в ней мировым лидером.

МиГ-25

МиГ-25, неофициально именуемый «летучей мышью», удерживает звание самого быстрого реактивного истребителя в течение полувека. Военную машину спроектировали в СССР в 1964 году. В 1977 «летучая мышь» установила мировой рекорд высоты полета, поднявшись на 37 650 м. В целом творению российских ученых принадлежит 29 мировых рекордов.

f9a717cdf8a67f28bd377bd152ccbd78.jpgИстребитель МиГ-25

Скорость с полным ракетным оснащением составляет 3 000 км/ч. Отсутствие ракет увеличивает возможности военной техники на 15%. Американские наблюдатели подтвердили, что МиГ-25 способен развить скорость до 3400 км/ч. Летучая мышь представлена в двух модификациях – разведчик и перехватчик (разведчики летают быстрее).

МиГ-25 использовался в Сирии, Ираке, неоднократно участвовал в разведывательных миссиях. Последующие модификации и усовершенствования позволили ему “переплюнуть” более поздние авиационные конструкции. Аппаратом интересовались страны СНГ, по состоянию на 2016 год используется военно-воздушными войсками Алжира и Сирии.

Историяправить

После появления в 1940-х годах реактивных самолётов-истребителей перед авиаконструкторами встала задача дальнейшего увеличения их скорости. Более высокая скорость расширяла боевые возможности как истребителей, так и бомбардировщиков.

Начало сверхзвуковой эре положил полёт Чака Йегера, американского лётчика-испытателя, 14 октября 1947 года на экспериментальном самолёте Bell X-1 с ракетным двигателем XLR-11 достигшего сверхзвуковой скорости в управляемом полёте.

Развитие[править]

60—70-е годы XX-го века ознаменовались бурным развитием сверхзвуковой авиации. В полной мере результаты этих экспериментов воплотились в первом советском сверхзвуковом истребителе МиГ-19, поступившем в серийное производство в 1954 году.  Были решены основные проблемы устойчивости и управляемости самолётов, их аэродинамической эффективности. Большая скорость полёта также позволила увеличить потолок свыше 20 км, что было актуально для разведчиков и бомбардировщиков. В то время, до появления зенитно-ракетных комплексов, способных поражать цели на больших высотах, основным принципом применения бомбардировщиков был полёт к цели на максимально возможной высоте и скорости. В эти годы были построены и запущены в серийное производство сверхзвуковые самолёты самого различного назначения: истребители (тактические и перехватчики), бомбардировщики, истребители-бомбардировщики, разведчики
(первый сверхзвуковой всепогодный перехватчик — Convair F-102 Delta Dagger;
первый сверхзвуковой дальний бомбардировщик — Convair B-58 Hustler).

В наши дни появляются новые самолёты, в том числе выполненные по технологии снижения заметности «Стелс».

4556e2ac45d14a2c72de6d2d900b0bec.jpg
Сравнительные схемы Ту-144 и конкорда

Российские гиперзвуковые аппараты

В данный момент российский гиперзвуковой самолет находится в стадии разработки. Но идет она достаточно активно. Речь идет о самолете Ю-71. Его первые испытания, судя по сообщениям в СМИ, были проведены в феврале 2015 года под Оренбургом.

Предполагается, что самолет будет использоваться в военных целях. Так, гиперзвуковой аппарат сможет при необходимости осуществлять доставку поражающих средств на значительные расстояния, вести мониторинг территории, а также задействоваться как элемент штурмовой авиации. Некоторые исследователи полагают, что в 2020-2025 гг. в РВСН поступит порядка 20 самолетов соответствующего типа.

В СМИ есть сведения о том, что рассматриваемый гиперзвуковой самолет России будет размещаться на баллистической ракете «Сармат», которая также находится на стадии проектирования. Некоторые аналитики считают, что разрабатываемый гиперзвуковой аппарат Ю-71 — это не что иное, как боеголовка, которая должна будет отделяться от баллистической ракеты на конечном участке полета, чтобы затем, благодаря высокой, характерной для самолета маневренности, преодолевать системы ПРО.

Сверхзвуковая авиация на данный момент

На сегодняшний день решений, подобным Ту-144 и Конкорд, не предвидится. Но, если вы тот человек, которому неважна стоимость билетов, – есть ряд наработок в сфере бизнес перелетов и маломестных воздушных средств.

cbfefba9fefc52ca1a839a7698be4a57.jpg

Концепт X1

Наиболее перспективная разработка – самолет XB-1 Baby Boom американской компании Boom technology из Колорадо. Это маленький самолет, длиной около 20 м и размахом крыльев в 5,2 м. Он оборудован 3мя двигателями, разработанными в пятидесятых годах для крылатых ракет.

Вместительность планируется сделать около 45 человек, при дальности перелета 1800 км на скорости до 2х махов. На данный момент это пока разработка, но первый полет прототипа планируется произвести уже в 2018 г., а сам самолет должен пройти сертификацию к 2023му году. Создатели планируют использовать разработку как в качестве бизнес-джета для частных перевозок, так и на регулярных рейсах малой вместительности. Планируемая стоимость для перелета на данной машине будет составлять около 5000 долларов, что достаточно много, но при этом сопоставимо со стоимостью перелета в бизнес классе.

Однако если смотреть на всю отрасль гражданских авиаперевозок в целом, то с сегодняшним уровнем развития технологий, выглядит все не очень перспективно. Крупные компании больше озабочены получением выгоды и рентабельностью проектов, чем новыми разработками в области сверхзвуковых полетов. Причина в том, что за всю историю авиации не было в достаточной степени успешных реализаций задач подобного рода, сколько ни пробовали достичь целей, все они в той или иной степени провалились.

В целом те конструкторы, которые занимаются текущими проектами, – это скорее энтузиасты, с оптимизмом смотрящие в будущее, которые, конечно, рассчитывают получать прибыли, но достаточно реалистично смотрят на итоги, да и большая часть проектов пока существует только на бумаге, и аналитики достаточно скептично смотрят на возможность их реализации.

Один из немногих действительно крупных проектов – это запатентованный в прошлом году компанией Airbus сверхзвуковой самолет Concorde-2. Конструктивно он будет представлять собой летательный аппарат с тремя типами двигателей:

  • Турбовентиляторные реактивные двигатели. Будут устанавливаться в передней части самолета;
  • Гиперзвуковые воздушно-реактивные двигатели. Будут монтироваться под крыльями лайнера;
  • Ракетные двигатели. Установлены в хвостовой части фюзеляжа.

b0b547b757d2d92267fdec73751bec28.jpg

Концепт Конкорд-2

Эта конструктивная особенность предполагает работу различных двигателей на определенных этапах полета (взлет, посадка, движение на крейсерской скорости).

Учитывая одну из основных проблем гражданских авиаперевозок – шум (стандарты организации воздушного движения в большинстве стран выставляют ограничение на уровень шума, если аэропорт расположен близко к жилым зонам, это накладывает ограничения на возможность ночных полетов), компания Airbus для проекта Concorde-2 разработала специальную технологию, позволяющую производить вертикальный взлет. Это позволит практически избежать попадания ударных волн на поверхность земли, что в свою очередь, обеспечит отсутствие дискомфорта для людей внизу. Также благодаря подобной конструкции и технологии полет авиалайнера будет проходить на высоте около 30-35000 м (на данный момент гражданская авиация летает максимум на 12000 м), что будет способствовать снижению шума не только при взлете, но и на протяжении всего полета, так как с такой высоты ударные звуковые волны не смогут достичь поверхности.

Что дальше

Сверхзвуковой Ту-244 (самолет, фото которого представлено ниже) неожиданно пропал из проектной документации как объект исследования. Она была принята в две тысячи двенадцатом году и предполагала, что первые сто единиц пассажирских авиалайнеров поступят в эксплуатацию не позже 2025 года. Такая чехарда с документацией вызвала ряд вопросов и кривотолков. Кроме того, из этой программы пропало еще несколько интересных и многообещающих разработок.

Подобная перспектива виделась в негативном плане. Факты свидетельствовали о том, что проект заморожен или закрыт полностью. Однако официального подтверждения или опровержения по этому поводу не последовало. Учитывая нестабильность экономики, можно сделать массу предположений в субъективной конфигурации, но факты говорят сами за себя.

Предназначение

Основной задачей разрабатываемого проекта стало создание реактивного сверхзвукового самолета, способного безопасно, быстро и на длительные дистанции перевозить пассажиров. При этом аппарат должен был значительно превосходить по всем параметрам обычные реактивные летательные корабли. Особую ставку конструкторы делали на скорость.

В остальных аспектах сверхзвуковые самолеты уступали своим собратьям. Во-первых, перевозки экономически не окупались. Во-вторых, безопасность полетов была ниже. Кстати, серийный выпуск и использование в гражданской авиации предшественника Ту-244 было прекращено именно по второй причине. Ту-144 за первый год эксплуатации потерпел несколько аварий, приведших к гибели экипажа. В новом проекте предполагалось устранить имеющие недочеты.

f770036b6b23c5e4a497c9155bc321c7.jpg

Развитие

Бурное развитие сверхзвуковой авиации началось в 60-70 гг. XX века. Тогда разрешились проблемы аэродинамической эффективности, управляемости и устойчивости самолетов. Большая скорость полета позволила также увеличить практический потолок на более 20 000 м, который являлся комфортной высотой для бомбардировщиков и разведчиков.

До появления зенитно-ракетных установок и комплексов, которые могли поражать цели на больших высотах, главным принципом проведения бомбардировочных операций было удерживание самолетов-бомбардировщиков на максимальной высоте и скорости. Тогда были построены и запущены в серийное производство сверхзвуковые самолеты различного назначения – разведчики-бомбардировщики, перехватчики, истребители, перехватчики-бомбардировщики. Convair F-102 Delta Dagger стал первым сверхзвуковым самолетом-разведчиком, Convair B-58 Hustler – первым сверхзвуковым дальним бомбардировщиком.

75b579e2cd485ef6b3f00c469c5b1dbb.jpg

В настоящее время проводится проектирование, разработка и выпуск новых самолетов, часть которых производится по особой технологии, снижающей их радиолокационную и визуальную заметность, – «Стелс».

Пассажирские сверхзвуковые самолеты

В истории авиации были созданы только 2 пассажирских сверхзвуковых самолета, которые осуществляли регулярные рейсы. Первый полет советского самолета Ту-144 состоялся 31.12.1968 г., время его эксплуатации – 1975-1978 гг. Англо-французский самолет «Конкорд» сделал первый полет 2.03.1969 г. и эксплуатировался на трансатлантическом направлении в 1976-2003 гг.

0d3c8200e0553e6e4d481d4e89c411ba.jpg

Использование таких самолетов позволило не только уменьшить время перелета на дальние расстояния, но и использовать незанятые воздушные линии на больших высотах (около 18 км) в то время, когда высоты 9-12 км, которые использовали лайнеры, были сильно загруженными. Также сверхзвуковые самолеты выполняли рейсы вне воздушных трасс (по спрямленным маршрутам).

Несмотря на провал нескольких проектов околозвуковых и сверхзвуковых самолетов (SSBJ, Ту-444, Ту-344, Ту-244, Lockheed L-2000, Boeing Sonic Cruiser, Boeing 2707) и снятие двух реализованных проектов с эксплуатации, продолжается разработка современных проектов гиперзвуковых авиалайнеров (например SpaceLiner, ZEHST) и десантных (военно-транспортных) самолетов быстрого реагирования. В производство запущен сверхзвуковой бизнес-джет Aerion AS2.

162340deea14d42448c56db77f8836d1.jpg

Теоретические вопросы

По сравнению с дозвуковым полет на сверхзвуковой скорости выполняется по другому закону, потому что при достижении самолетом скорости звука происходят изменения в схеме обтекания, как следствие, увеличивается кинетический нагрев аппарата, возрастает аэродинамическое сопротивление, наблюдается смена аэродинамического фокуса. Все это в сумме сказывается на ухудшении управляемости и устойчивости самолета. Также появилось неизвестное доселе явление волнового сопротивления.

cd1bfdaed94d2b473122107b4d1d91f3.jpg

Поэтому эффективный полет при достижении скорости звука требует не просто увеличения мощности двигателей, но и внедрения новых конструктивных решений.

Поэтому такие самолеты получили изменение в своем внешнем облике – появились острые углы и характерные прямые линии по сравнению с «гладкой» формой дозвуковых самолетов.

На сегодняшний день задача создания действительно эффективного сверхзвукового самолета не решена. Создатели обязаны находить компромисс между сохранением нормальных взлетно-посадочных характеристик и требованием увеличения скорости.

Поэтому завоевание современной авиацией новых рубежей по высоте и скорости связано не только с внедрением новых двигательных установок и компоновочных схем, но и с изменениями геометрии полетов. Эти изменения должны улучшать качества самолета при полете на больших скоростях, не ухудшая при этом их характеристики на малых скоростях, и наоборот. Конструкторы в последнее время отказываются от уменьшения площади крыльев и толщины их профилей, увеличения угла стреловидности, возвращаясь к крыльям большой относительной толщины и малой стреловидности, если удалось достигнуть требований практического потолка и скорости.

b23de3f7c97daf4f172a873ac09631bf.jpg

Важно, чтобы сверхзвуковой самолет обладал хорошими летными данными на малых скоростях и был устойчив к лобовому сопротивлению при больших скоростях, особенно на приземных высотах. 

 

Пассажирские сверхзвуковые самолёты

Известны всего два серийно выпускавшихся пассажирских сверхзвуковых самолёта, выполнявших регулярные рейсы: советский самолёт Ту-144, совершивший первый полёт 31 декабря 1968 года и бывший в эксплуатации с 1975 по 1978 год и выполнивший двумя месяцами позже — 2 марта 1969 года — свой первый полёт англо-французский «Конкорд» (фр. Concorde — «согласие»), совершавший трансатлантические рейсы с 1976 по 2003 год. Их эксплуатация позволяла не только значительно сократить время перелёта на дальних рейсах, но и использовать незагруженное воздушное пространство на больших высотах (≈18 км), в то время как основное используемое лайнерами воздушное пространство (высоты 9—12 км) уже в те годы было сильно загруженным. Также сверхзвуковые самолёты совершали полёты по спрямлённым маршрутам (вне воздушных трасс).

Несмотря на неосуществление нескольких других бывших и существующих проектов пассажирских сверхзвуковых и околозвуковых самолётов (Boeing 2707, Boeing Sonic Cruiser, Douglas 2229, Lockheed L-2000, Ту-244, Ту-344, Ту-444, SSBJ и др.) и вывод из эксплуатации самолётов двух реализованных проектов, разрабатывались ранее и существуют современные проекты гиперзвуковых (в том числе суборбитальных) пассажирских авиалайнеров (напр., ZEHST, SpaceLiner) и военно-транспортных (десантных) самолётов быстрого реагирования. На разрабатываемый пассажирский бизнес-джет Aerion AS2 в ноябре 2015 был сделан твердый заказ на 20 единиц суммарной стоимость 2,4 миллиарда долларов с началом поставок в 2023 году.

Интересные факты

Кардинальной особенностью двести сорок четвертого проекта от своего прототипа под индексом “144” является отсутствие отклоняемого вниз носа. Остекление кабины выполнено в минимальном оснащении. Такое решение ориентировано на то, что во время полета будет обеспечиваться необходимая обзорность, а взлет и посадку, независимо от метеоусловий, контролирует блок оптики электронного обзора.

Стоит отметить, что современные требования экологического плана к гражданским авиалайнерам существенно препятствуют созданию сверхзвуковой машины рассматриваемого класса, поскольку её эксплуатация априори становится экономически ущербной. Были предприняты разработки по созданию сверхзвукового самолета бизнес-класса, способного преодолевать сверхзвуковой барьер. Однако проект Ту-444 также был приостановлен. Его преимущества над конкурентами – это относительная дешевизна по сравнению с лайнером Ту-244, а также решение технических вопросов, связанных с экологическими требованиями, предъявляемыми к современным самолетам. Для справки: рассматриваемый сверхзвуковой лайнер широкой публике был представлен во Франции (1993 г., авиасалон в Ле Бурже).

b0c634e70581e8e439702deec0bb024f.jpg

Основные проблемы гиперзвуковых решений

Концепциям гиперзвуковых решений — много десятилетий. На протяжении всех лет разработки соответствующего типа аппаратов мировые инженеры решают ряд существенных проблем, объективно мешающих поставить выпуск «гиперзвука» на поток — подобно организации производства турбовинтовых самолетов.

Основная сложность в конструировании гиперзвуковых самолетов — создание двигателя, способного быть в достаточной мере энергоэффективным. Другая проблема — выстраивание необходимой аппарата. Дело в том, что скорость гиперзвукового самолета в тех значениях, что мы рассмотрели выше, предполагает сильный нагрев корпуса за счет трения об атмосферу.

Сегодня мы рассмотрим несколько образцов удачных прототипов летательных аппаратов соответствующего типа, разработчики которых смогли значительно продвинуться вперед в части успешного решения отмеченных проблем. Изучим теперь наиболее известные мировые разработки в части создания гиперзвуковых летательных аппаратов рассматриваемого типа.

С чего все началось

В сороковых годах ХХ века во время Второй Мировой Войны над решением этого вопроса активно работали немецкие конструкторы, надеясь с помощью подобных летательных аппаратов переломить ход войны. Как мы знаем, у них этого не получилось, война закончилась. Однако в 1945 г., ближе к ее завершению, немецкий пилот Л. Гофман, испытывая первый в мире реактивный истребитель Me-262, на высоте 7200 м смог развить скорость около 980 км/ч.

Первым, кто воплотил мечту всех летчиков о преодолении сверхзвукового барьера, стал американский пилот-испытатель Чак Йегер. В 1947 году этот пилот первым в истории сумел преодолеть скорость звука на пилотируемом аппарате. Он управлял прототипным летательным аппаратом Bell X-1 с ракетным двигателем. Кстати, захваченные во время войны немецкие ученые и их разработки, довольно сильно способствовали появлению этого аппарата, как и, собственно, всему дальнейшему развитию летных технологий.

56ba83cf85cbe5d63174244abd550bbc.jpg

Чак Йегер перед установкой рекорда

В Советском Союзе достигли скорости звука 26 декабря 1948 г. Это был экспериментальный самолет ЛА-176, на высоте полета 9060 м, который пилотировали И.Е. Федоров и О.В. Соколовский. Примерно через месяц на данном самолете, но уже с более совершенным двигателем, была не только достигнута, но и превышена скорость звука на 7000 м. Проект ЛА-176 был весьма перспективным, но из-за трагической гибели О.В. Соколовского, управлявшего этим аппаратом, разработки были закрыты.

В дальнейшем развитие данной отрасли несколько замедлилось, так как возникло значительное количество физических сложностей, связанных с управлением летательным аппаратом на сверхзвуковых скоростях. На высоких скоростях начинает проявляться такое свойство воздуха, как сжимаемость, аэродинамическая обтекаемость становится совершенно иной. Появляется волновое сопротивление, и такое неприятное для любого летчика явление, как флаттер – самолет начинает сильно нагреваться.

Столкнувшись с этими проблемами, конструкторы начали искать кардинальное решение, способное преодолеть сложности. Таким решением оказался полный пересмотр конструкции летательных аппаратов, предназначенных для сверхзвуковых полетов. Те обтекаемые формы авиалайнеров, которые мы сейчас наблюдаем, – результат многолетних научных изысканий.

Теоретические проблемы

Основная статья: Звуковой барьер

Полёт на сверхзвуковой скорости, в отличие от дозвукового, протекает в условиях иной аэродинамики, поскольку при достижении воздушным судном скорости звука качественно меняется аэродинамика обтекания, из-за чего резко возрастает аэродинамическое сопротивление, также растёт кинетический нагрев конструкции от трения набегающего на большой скорости воздушного потока, смещается аэродинамический фокус, что ведёт к утрате устойчивости и управляемости самолёта. Кроме того, проявилось такое неизвестное до создания первых сверхзвуковых самолётов явление, как «волновое сопротивление».

Поэтому достижение скорости звука и эффективный стабильный полёт на около- и сверхзвуковых скоростях были невозможны за счёт простого увеличения мощности двигателей — потребовались новые конструктивные решения. Как следствие, изменился внешний облик самолёта: появились характерные прямые линии, острые углы, в отличие от «гладких» форм дозвуковых самолётов.

Следует отметить, что проблему создания эффективного сверхзвукового самолёта нельзя считать разрешённой до сих пор. Создателям приходится идти на компромисс между требованием увеличения скорости и сохранением приемлемых взлётно-посадочных характеристик. Таким образом, завоевание авиацией новых рубежей по скорости и высотности связано не только с использованием более совершенной или принципиально новой двигательной установки и новой конструктивной компоновки самолётов, но также с изменениями их геометрии в полёте. Такие изменения, улучшая характеристики самолёта на больших скоростях, не должны ухудшать их качества на малых скоростях, и наоборот. В последнее время создатели отказываются от уменьшения площади крыла и относительной толщины их профилей, а также увеличения угла стреловидности крыла у самолётов с изменяемой геометрией, возвращаясь к крыльям малой стреловидности и большой относительной толщины, если уже достигнуты удовлетворительные величины максимальной скорости и практического потолка. В таком случае считается важным, чтобы сверхзвуковой самолёт имел хорошие лётные данные на малых скоростях и малое сопротивления при больших скоростях, особенно на малых высотах.

История

При выполнении коммерческих рейсов в авиации крейсерская скорость имеет большое значение, так как позволяет выполнять полёты на максимальную дальность с наименьшим расходом топлива.

Одним из первых самолётов в истории авиации, выполнявших полёт на суперкрейсерской скорости, стал Ту-144, а несомненным лидером по проведённому количеству часов в воздухе на этом режиме — Конкорд. Сверхзвуковая крейсерская скорость Ту-144 составляла 2 300 км/ч, а Конкорда — 2 150 км/ч.

2056a600dd3102db62a620939680feee.jpg

F-22 Raptor способен поддерживать режим суперкрейсерской скорости без форсажей

В военных разработках большое значение уделяется именно созданию двигателей, позволяющих самолёту поддерживать сверхзвуковую крейсерскую скорость на бесфорсажных режимах, поскольку форсаж приводит к повышенному расходу топлива и, как следствие, уменьшению времени для выполнения боевой задачи[2][3][4][5].

Подавляющее большинство военных самолетов не способны развивать число М более 0,98 в горизонтальном полете с бесфорсажным режимом работы двигателей, более того сверхзвуковая скорость для многих из них не являться крейсерской и может достигаться лишь на коротких участках полета. МиГ-25 и Lockheed SR-71 Blackbird сконструированы для крейсерского полета с большими числами М при включенном форсажном режиме двигателей, при этом конструкция их двигателей обеспечивает приемлемую дальность полета. Дальность полета МиГ-25 на крейсерской сверхзвуковой скорости 2500 км/ч (М = 2,35) лишь на 230 км меньше чем на дозвуковой. Способность поддерживать сверхзвуковую скорость полета без включения форсажа является обязательным требованием предъявляемым к истребителю пятого поколения. Максимальная скорость бесфорсажного полета для военных самолетов принадлежит истребителю F-22 и составляет 1960 км/ч (М = 1,82). Пассажирский сверхзвуковой самолет Конкорд осуществлял бесфорсажный крейсерский полет с числом М = 2,02 на рекордную дальность более 7000 км. Такая возможность обеспечивалась за счет относительно низкой степени сжатия в компрессоре двигателя равной 11:1. Низкая степень сжатия разгружает двигатель от излишней тепловой нагрузки на сверхзвуке когда сжатие воздуха происходит за счет торможения потока на входе, но делает его менее мощным и эффективным на дозвуковых скоростях, что компенсируется в Конкорде за счет временного включения форсажа. При создании двигателя для военного самолета конструкторы вынуждены обеспечивать высокие боевые характеристики на дозвуковых скоростях за счет высоких степеней сжатия, в свою очередь это делает двигатель излишне теплонагаруженным при попытках обеспечить необходимую тягу для сверхзвукового полета без включения форсажного режима. Истребитель F-35 хоть и относиться к 5 поколению, но способен поддерживать сверхзвуковую бесфорсажную скорость полета М = 1,2 лишь на протяжении 150 миль. Впервые сверхзвуковая скорость горизонтального полета в бесфорсажном режиме двиагателей была достигнута в 5 августа 1954 года на экспериментальном самолете Nord Gerfaut[en]. Первым серийным самолетом способным на бесфорсажный сверхзвукой полет был истребитель – перехватчик , достигнувший 11 августа 1954 года в горизонтальном полете скорость М = 1,02.

Скорость Боинг 747 и Боинг 737

Самолет Boeing 737 является самым продаваемым в мире. За всю историю существования компании, «737» переправили больше 12 миллиардов человек. Максимальная скорость, которую может достигать самолет – 917 км/ч. А вот нормально летать сможет при минимальной скорости в 330 км/ч.

5ad95547c70aadc2f14f8f3b910679a6.jpg

Несомненно, самым узнаваемым самолетом компании Боинг является модель 747. С 1969 по 2005 год, этот самолет являлся наиболее вместительным, габаритным и тяжелым пассажирским самолетом.

Boeing 747 один из немногих современных самолетов, который может достигать скорости 1150 км/ч. Этот оснащен двухпалубной компоновкой, общая вместимость самолета – 520 пассажиров.

a4509e8fef17b27296b1f97bfed1e7c8.jpg

Знали ли вы, что Boeing 747 – рекордсмен среди самолетов по дальности перелетов. В 1989 году был совершен беспосадочный перелет из Великобритании, а конкретнее, из Лондона, в Сидней. Самолет преодолел расстояние в 20 тысяч километров за 20 часов и 9 минут. Примечательно то, что перелет совершался без груза и пассажиров.

Авиация СССР

Советский Ту-144 был построен несколько раньше европейского аналога, поэтому можно считать его первым в мире пассажирским сверхзвуковым лайнером. Внешний вид этих самолетов, как Ту-144, так и Конкорда, и сейчас не оставит равнодушным ни одного человека. Вряд ли в истории авиастроения были более красивые машины.

e070273d868aa6eb23806b5c1b3d73a9.jpg

Советский Ту-144 на взлете

У Ту-144 привлекательные характеристики, за исключением дальности практического применения: выше крейсерская и меньше посадочная скорости, более высокий потолок полета, но и история нашего лайнера значительно трагичнее.

Важно! Ту-144 не только первый летающий, но и первый разбившийся пассажирский сверхзвуковой лайнер. Катастрофа на авиасалоне в Ле-Бурже 3 июня 1973 г., в которой погибло 14 человек, стала первым шагом к завершению полетов Ту-144

Однозначные причины так и не были установлены, а итоговая версия катастрофы вызывает множество вопросов.

Вторая катастрофа под Егорьевском в Московской области 23 мая 1978 г., где в полете произошло возгорание, и при посадке погибли 2 члена экипажа, стала окончательной точкой в решении о прекращении эксплуатации этих самолетов. Несмотря на то, что после анализа было установлено, что возгорание произошло в результате наличия недоработки в топливной системе нового, тестируемого двигателя, а сам самолет показал прекрасную управляемость и надежность конструкции, когда горящий смог произвести посадку, машины сняли с рейсов и вывели из коммерческой эксплуатации.

Теория

В аэродинамике часто скорость характеризуют числом Маха, которое определяется следующим образом:
M=ucs{\displaystyle M={\frac {u}{c_{s}}}}, где u — скорость движения потока или тела, cs{\displaystyle c_{s}} — скорость звука в среде.
Звуковая скорость определяется как cs=γpρ{\displaystyle c_{s}={\sqrt {\gamma {\frac {p}{\rho }}}}}, где γ{\displaystyle \gamma } — показатель адиабаты среды (для идеального n-атомного газа, молекула которого обладает i{\displaystyle i} степенями свободы он равен i+2i{\displaystyle {\frac {i+2}{i}}}). Здесь i=np+nr+2nc{\displaystyle i=n_{p}+n_{r}+2n_{c}} — полное число степеней свободы молекулы. При этом, количество поступательных степеней свободы np=3{\displaystyle n_{p}=3}. Для линейной молекулы количество вращательных степеней свободы nr=2{\displaystyle n_{r}=2}, количество колебательных степеней свободы (если есть) nc=3n−5{\displaystyle n_{c}=3n-5}. Для всех других молекул nr=3{\displaystyle n_{r}=3}, nc=3n−6{\displaystyle n_{c}=3n-6}.

При движении в среде со сверхзвуковой скоростью тело обязательно создаёт за собой звуковую волну. При равномерном прямолинейном движении фронт звуковой волны имеет конусообразную форму, с вершиной в движущемся теле. Излучение звуковой волны обуславливает дополнительную потерю энергии движущимся телом (помимо потери энергии вследствие трения и прочих сил).

Аналогичные эффекты испускания волн движущимися телами характерны для всех физических явлений волновой природы, например: , волна, создаваемая судами на поверхности воды.

Самые быстрые серийные самолеты

Изученные нами выше гиперзвуковые аппараты фактически относятся к категории исследовательских. Полезно будет рассмотреть некоторые серийные образцы самолетов, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым или являющихся (по той или иной методологии) ими.

1a903b3cfcc27c1dcf3a6ce35e83d8b9.jpg

В числе подобных машин — американская разработка SR-71. Данный самолет некоторые исследователи не склонны относить к гиперзвуковым, поскольку его предельна скорость составляет порядка 3,7 тыс. км/час. В числе наиболее примечательных его характеристик — взлетная масса, которая превышает 77 тонн. Длина аппарата — более 23 м, размах крыльев — более 13 м.

Одним из самых быстрых военных самолетов считается российский МиГ-25. Аппарат может развивать скорость более 3,3 тыс. км/ч. Максимальный взлетный вес российского самолета — 41 тонна.

9eb69b60c9419b02b7b73c18259eb965.jpg

Таким образом, на рынке серийных решений, приближенных по характеристикам к гиперзвуковым, РФ — в числе лидеров. Но что можно сказать о российских разработках в части «классических» гиперзвуковых самолетов? Способны ли инженеры из РФ создать решение, конкурентное машинам от Boeing и Orbital Scence?

Продолжение разработок

Проект постройки сверхзвукового авиалайнера второго поколения Ту-244 принял довольно затяжной характер и несколько раз претерпевал существенных изменений. Тем не менее даже после распада СССР ОКБ Туполева не прекращало разработок в данном направлении. Например, уже в 1993 году на авиасалоне во Франции была предоставлена подробная информация о разработке. Впрочем, экономическое положение страны в 90-х годах не смогло не сказаться на судьбе проекта. Фактически его участь зависла в воздухе, хотя проектные работы продолжались, да и официального сообщения об его закрытии не было. Именно в это время, к проекту активно стали подключатся американские специалисты, хотя контакты с ними проводились ещё во времена СССР.

c84ac0790fe826f7aac742fcbb754c56.jpg

Для продолжения исследований по созданию пассажирских сверхзвуковых авиалайнеров второго поколения, в 1993 году два самолета Ту-144 были переоборудованы под летающие лаборатории.

Скоростные характеристики гражданских вертолетов

  •  Ми-26Т имеет возможность разогнаться до 270 км/ч, что касается крейсерской скорости, то она равна 255 км/ч. Аппарат оснащен двумя двигателями мощностью в 10 тысяч лошадиных сил. Настолько мощные двигатели обеспечивают легкий подъем машины с максимальной массой, которая составляет  56 тонн.

  • Ka-32A11BC – этот гражданский вертолет можно разогнать до скорости в 260 км/ч, а крейсерский полет машины проходит при скорости  200 км/ч при максимальной дальности полета. Максимальный взлетный вес составляет 11 тонн.

  • Ми-8/17  имеет максимальную скорость, равную 250 км/ч, при этом крейсерский полет проходит на скорости 230 км/ч. Масса при взлете составляет 13 тонн. Силовая установка представлена двумя двигателями, мощность которых равна 2 тысячам лошадиных сил каждый.

  • Ка-62 производит крейсерский полет при скорости в 290 км/ч, а максимальная скорость выше ненамного и равна 308 км/ч. Невысокие отличия в скоростных параметрах можно объяснить небольшой максимальной массой подъема в 6,5 тонны и тем, что аппарат имеет один двигатель мощностью в 1,7 тысячи лошадиных сил.

  • Ансат являет собой легкий гражданский вертолет с максимальной массой подъема в 3,6 тонны. Крейсерская скорость в полете равна 250 км/ч, а максимальная 275 км/ч. Вертолет имеет два двигателя, которые при взлете дают 1260  лошадиных сил.

  •  Ми-38 имеет крейсерскую скорость в 285 км/ч, при этом максимальная масса взлета равна 16,2 тонны. При взлете силовая установка, состоящая из двух двигателей, выдает мощность в 5 тысяч лошадиных сил.

  •  Ка-226 является небольшим гражданским вертолетом с максимальной скоростью полета в 250 км/ч. Крейсерский полет проходит при скорости в 220 км/ч. Аппарат может подняться в воздух с массой в 3,6 тонны. Подъем обеспечивают два двигателя мощностью по 580 лошадиных сил.

9b5551591ee8206ba63bba2abac8b684.jpg

Классификация скоростей в атмосфере

При обычных условиях в атмосфере скорость звука составляет примерно 331 м/сек. Более высокие скорости иногда выражаются в числах Маха и соответствуют сверхзвуковым скоростям, при этом гиперзвуковая скорость является частью этого диапазона. НАСА определяет «быстрый» гиперзвук в диапазоне скоростей 10-25 М, где верхний предел соответствует первой космической скорости. Скорости выше считаются не гиперзвуковыми скоростями, а «скоростями невозврата» космических аппаратов на Землю.

Сравнение режимов

Режим Числа Маха км/ч м/сОбщие характеристики аппарата
Дозвук<1,0<1230<340Единственный диапазон скоростей для самолётов с воздушным винтом, прямые или скошенные крылья.
Трансзвук (англ.)русск.0,8—1,2980—1470270—400Воздухозаборники и слегка стреловидные крылья, сжимаемость воздуха становится заметной.
Сверхзвук1,0—5,01230—6150340—1710Более острые края плоскостей, хвостовое оперение цельноповоротное.
Гиперзвук5,0—10,06150—123001710—3415Охлаждаемый никелево-титановый корпус, небольшие крылья. Пример: «Кинжал».
Быстрый гиперзвук10,0—25,012300—307403415—8465Кремниевые плитки для теплозащиты, несущий корпус аппарата вместо крыльев.
«Возвращение в плотные слои атмосферы»>25,0>30740>8465 , нет крыльев, форма капсул.

Немного о предшественнике

Разработка ТУ-144 по решению Совета Министров Советского Союза началась в тысяча девятьсот шестьдесят девятом году. Строительство сверхзвукового гражданского самолета началось на ММЗ «Опыт». Расчетная дальность полета лайнера должна составить три с половиной тысячи километров. Для улучшения аэродинамики самолет получил измененную форму крыльев в плане и увеличенную их площадь.

Длина фюзеляжа выполнена с расчетом внутреннего размещения ста пятидесяти пассажиров. Две пары двигателей разместили под каждым крылом. Первый полет реактивный совершил в 1971 году. Программа заводских испытаний предусмотрела около двухсот тридцати вылетов.

Рассмотрим понятие скорости самолета с физической стороны

Скорость. Скоростью движения какого-либо тела (в том числе самолета) называется отношение длины пройденного пути ко времени, в течение которого тело проходит этот путь. Если движение происходит с переменной скоростью, то можно рассматривать среднюю скорость движения на определенном участке пути и скорость движения в данный момент. Для того чтобы определить скорость движения в данный момент, следует брать достаточно малые промежутки времени. Чем меньше взят интервал времени, тем точнее будет определена скорость в данный момент.

В технике принято измерять скорость в метрах в секунду (м/сек) и в километрах в час (км/ч). Для того чтобы скорость, выраженную в метрах в секунду, перевести в километры в час, необходимо умножить значение скорости на 3,6.

Например, скорость звука на высоте 8 000 м составляет 308 м/сек, или 308 X 3,6 = 1108,8 ж 1109 км/ч.

Истинная скорость. Скорость, с которой движется самолет относительно воздушной среды, называется истинной или воздушной скоростью Уи.

Истинная скорость определяет величину аэродинамических сил и моментов, действующих на самолет.

При отсутствии ветра истинная скорость совпадает с путевой скоростью — скоростью движения самолета относительно земли.

Приборная скорость. В авиационной технике нашло широкое применение определение скорости при помощи замера разности полного и статического давлений воздуха. Приемником полного давления является специальный насадок (трубка), установленный на самолете (например ТП-156). Статическое давление обычно подводится к прибору от заборника, представляющего собой калиброванное отверстие в одной из точек фюзеляжа. Скорость, измеренная указанным образом, называется приборной скоростью УПр.

Попятно, что уменьшение плотности воздуха при постоянной истинной скорости будет сопровождаться уменьшением скоростного напора и, следовательно, уменьшением приборной скорости.

Указатель скорости не является идеально точным инструментом. В его показания необходимо вводить инструментальную поправку б Приемник статического давления также не является идеальным — на измерении давления сказывается возмущение воздушного давления в месте расположения приемника.

Вертикальная ось лежит в плоскости симметрии самолета и направлена в сторону верхней поверхности крыла. В скоростной системе ось О у перпендикулярна оси О*. В связанной системе ось перпендикулярна основе.

Поперечная ось направлена в сторону правого крыла.

Угол между направлением скорости набегающего потока и плоскостью хорд крыла называется углом атаки а.

Угол между направлением скорости набегающего потока и плоскостью симметрии самолета называется углом скольжения.

Перегрузкой п называется безразмерное отношение, показывающее, во сколько раз сумма всех действующих на тело сил (кроме силы тяжести) больше веса тела. Если перегрузка равна нулю, то это значит, что на тело действует только неуравновешенная сила тяжести, а сумма остальных сил равна нулю.

6319e8b31922f48d7e307956abc117c3.jpg

В заключение

Если бы все советские начинания в авиации были доработаны и реализованы, вполне возможно, что эта отрасль сделала бы огромный скачок вперед. Однако экономические, политические и прочие проблемы существенно тормозят этот процесс. Одним из самых ярких представителей в мире сверхзвуковой гражданской авиации должен был стать лайнер Ту-244. К сожалению, по ряду причин проект до сих пор находится в разработке или «подвешенном» состоянии. Хочется надеяться, что найдутся люди, которые профинансируют проект, а это в итоге приведет к созданию не только самого быстрого пассажирского самолета, но и транспорта будущего, отличающегося экономичностью, вместимостью и безопасностью.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.