Сверхзвуковой пассажирский самолет: что это такое, на какой высоте летают

В этом обзоре мы расскажем, что такое сверхзвуковые самолеты, как они выглядят и на какой высоте летают, а также для чего их используют в авиации. Речь пойдет об авиалайнерах, которые превосходят быстроту движения звука, поскольку звуковая волна распространяется не мгновенно в окружающей среде. Дрожащие стекла и стены домов, оглушительный хлопок в воздухе, который так пугает жителей и затем обсуждения в социальных сетях – все это объясняется перемещением военных и гражданских лайнеров.

Общие сведения

Летательный аппарат, конструкция и технические характеристики которого, позволяют совершать полеты быстрее, чем 1235 км/час или 343 метра в секунду, как известно, называется сверхзвуковым самолетом. Звуковой барьер в аэродинамике – это резкий скачок, возникающий при воздушном сопротивлении. Когда машина достигает скорости звука, меняется характер обтекания воздушным потоком. В окружающей среде создаются ударные волны и скачки воздушного давления.

Характеристики гиперзвукового гражданского транспорта

Основные особенности:

• Заостренная носовая часть.

• Крылья имеют треугольную форму либо выполнены в виде стрел.

• Два киля на хвосте, предназначенные для обеспечения устойчивости.

Новые воздушные птицы имели самый отличительный и легко узнаваемый элемент: кабина пилота в виде клюва поднималась при посадке. Уши за кабиной убирались при подъеме. На малых скоростях создавали хорошую управляемость и дополнительную силу. 

Сверхзвуковые самолеты: история создания этого летательного аппарата

Время взлета конструкторской мысли в авиации пришлось на послевоенные годы. Ни советским конструкторам, ни англо-французским инженерам не пришлось опираться на успехи и ошибки конкурентов. Это было самостоятельное решение задачи с неизвестными данными.

Первая модель, побившая рекорд, это истребители F–102 Delta Dagger, F–100 North American. Аппараты выпускались Великобританией, Америкой и Францией совместно. Советские изобретатели приняли вызов от западных конкурентов в гонке вооружений и добились того, что русские турбовинтовые МиГи превзошли западный «Супер Сейбры». 

В середине 1950-х обстановка в мире требовала новых высот и рекордов в сфере авиастроения. Между создателями пассажирских летательных аппаратов снова началось противостояние. Главными лидерами мирового авиастроения на тот период стали СССР, США, Англия и Франция.

Запущенные авиалайнеры 

Главная цель разработчиков амбициозных проектов по запуску сверхзвуковых самолетов состояла в том, чтобы понять, как машине нового поколения перевозить до 300 пассажиров на скорости 2500 км/час. Тогда многим авиаконструкторам идея, связанная со сверхзвуком, казалась абсурдной. В Великобритании разрабатывалась «Бристоль 233», во Франции – «Каравелла». 

Цели французов были более скромные, в их планы входило создание авиамодели на основе бомбардировщика средней дальности. Но даже в этом решении проблемы две державы столкнулись с трудностями. Тогда Англия и Франция подписали соглашение, подтолкнув тем самым США включиться в гонку. Совместный легендарный проект, объединивший усилия двух европейских государств, получил название «Конкорд». Проект американцев – «Валькирия» – должен был превосходить его по быстроте и вместимости пассажиров, но амбиции американцев быстро сошли на нет из-за отсутствия финансирования. Даже сверхбогатые американские корпорации не потянули стоимость аппарата. 

«Конкорд»

Разработка этого сверхзвукового самолета обошлась почти в 3 миллиарда долларов: ничего подобного не поднималось в воздух до 2 марта 1969 года. Это был настоящий триумф изобретательской мысли. Разработчики такого коммерческого авиалайнера удовлетворили самые высокие требования состоятельных пассажиров. Авиастроение вышло новый уровень. Поистине чудо инженерной мысли превратило военную конструкцию в транспорт для перевозки людей. Двигатель был разработан на основе культового британского военного бомбардировщика Авро «Вулкан». Эти были самые эффективные из когда-либо созданных устройств. 

«Ту-144»

На гражданской линии в 1950 годах обходились реактивными летательными аппаратами. В июле 1963 г. вышло закрытое постановление министров о создании в конструкторском бюро Туполева А. Н. и Мясищева В. М. пассажирского авиалайнера. Задача ученым были поставлены четко: согласно этому заданию новый сверхзвуковой самолет должен иметь такие характеристики, какие позволяли бы ему при перевозке пассажиров беспрепятственно преодолевать расстояние 4500 км со скоростью 2700 км/час. В ВКБ имелся успешный опыт конструирования ракетоносцев и бомбардировщиков. 

Мощнейший двигатель конструктора Кузнецова, который был испытан военными, работал в режиме форсажа, а это требовало больших затрат топлива, и это было главным его недостатком. Возникали не только необоснованные траты горючего, но и сокращалась дальность полета. Тогда, чтобы снизить вес, убрали хвостовое оперение – цель оправдывала средства. Это была политическая гонка: «ТУ» обязан был подняться в небо раньше, чем «Конкорд».

Важным этапом создания советского модернизированного транспорта стал макет в полный размер гражданского первенца. Он необходим был для разработки архитектуры будущего сверхзвукового самолета, для чего нужно было отработать размещение двигателя, расположить кабину и пассажирский салон. Конструкция выглядела впечатляюще. Особенно поражало, что эта махина должна была взлететь при весе 195 тонн. Символ прогресса социализма на 2 месяца обогнал «Конкорд». Полвека назад советский человек не знал, что такое цветной телевизор, но мог промчаться над страной быстрее, чем звук. Ту-144 отлетал 102 рейса.

	Конкорд	Ту-144
Страна – производитель	Франция	Великобритания
Производитель	Aerospatiale (EADS), BAC (BAE Systems)	Воронежский авиазавод (ВАСО)
Начало эксплуатации	21 января 1976	26 декабря 1975
Размеры (м)	Длина - 61.66; Размах крыльев - 25,57; Высота - 11,58	Длина 66,695; Размах крыльев - 28,00; Высота - 12,50
Масса (т)	78,7	85
Масса (max)	187,7 т	195 т
Экипаж (чел)	3	4
Скорость (max)	2500 км/ч	2500 км/ч
Дальность полета	6470 км	3100 км
Практический потолок	18300 м	19000 м
Расход топлива	22 т/час	39 т/час
Пассажировместимость (чел)	128	от 98 до 150 в зависимости от модификации

Проблемы полета на гиперзвуковых скоростях

Мы уже говорили, что, поднявшись на высоту, сверхзвуковой самолет тянет за собой ударную волну, и тот, до кого она дошла, обязательно слышит громкий хлопок. Подъемная сила возникает за счет специального крыла, но что влияет на продолжительность полета? Здесь вступают в действие аэродинамические свойства летательного аппарата. Чем сильнее сопротивление, тем выше расход топлива. При одинаковом резерве горючего, у машины с большим сопротивлением значительно снижается дальность полета. 

Аэродинамика

На аэродинамические качества влияет чистота поверхности и обледенения корпуса. Это значит, что любое загрязнение увеличивает сопротивление, снижает эффективность при движении сверхзвукового самолета. КБ вместе с Туполевым пытались решить технические проблемы аэродинамики. Для этого для крыла была сделана обшивка из алюминия, а элероны задней кромки выполнялись из титановых сплавов.

Двигатели 

Установленная под крылом реактивная установка, не обеспечивала заданного расстояния перелетов. Ту-144 был способен куда больше, чем возить людей из Москвы в Алма-Ату и обратно. Но на то были не способны двигатели НК-144, поскольку они ограничивали радиус использования. Проблему попытались решить турбореактивными РД-36. Последовала очередная модернизация всего авиалайнера. Так как разработчики столкнулись с совсем другим температурным режимом, пришлось использовать большое количество титана, что в свою очередь спровоцировало серьезные изменения в плане.

Структурные проблемы

Состояние сверхзвуковых самолетов показывало, что над ними еще предстоит много работать, так как в процессе летных испытаний обнаруживалось множество сложностей с силовыми установками. Обнаружилось также, что взлетно-посадочные характеристики были не из лучших: требовалось обеспечить плавный взлет и посадку. От мелких модификаций приходили к более масштабным изменениям, поэтому все проблемы решались параллельно с эксплуатацией.

Высокие затраты

Еще одним препятствием стали внушительные затраты на эксплуатацию Ту. Пассажирский билет стоил 82 рубля, в то время как на Ил цена составляла 48 рублей. И даже при таких ценах Ту не окупал своих расходов и являлся убыточными. Заполняемость пассажирами для рентабельных перевозок должна составлять 98%, а этого не наблюдалось. К тому же для самолетопроизводства требовались иные материалы, двигатели и даже дизайн.

Взлетный шум

За высокую скорость приходилось жертвовать деньгами и испытывать дискомфорт. Если тесноту салона компенсировал высочайший сервис, то как только сверхзвуковой самолет взлетал, он издавал шум, создающий угрозу человеческим ушам, а корпус подвергался значительным перегрузкам. 

Разгон у лайнера стремителен, как у ракеты. Когда он взмывал вверх, пассажиры вдавливались в сидение. Такой перегрузки не было ни на одном гражданском авиалайнере. При отрыве от земли в салоне создавалось такое впечатление, что ноги существуют отдельно от головы. На протяжении полета человек испытывал длительную акустическую нагрузку. А чтобы услышать друг друга, людям приходилось разговаривать криком.

Машина имела автономную систему навигации, и это значило, что на аэродром выходили без наведения и всякой ориентировки. В стекло для иллюминации было добавлено золото в целях защиты пассажиров от радиации при перелетах в стратосфере. Золотые нити имелись и в шторках кабины пилота.

Каждый, кто летал на Ту-144 хотя бы раз, помнят какой взлетный шум стоял в салоне для пассажиров. Он исходил от двигателей и от системы кондиционеров. Кроме того, на протяжении всего расстояния работала система охлаждения, создающая дополнительную звуковую нагрузку. 

Ударная волна

Скорость звука в атмосфере равна примерно 1330 км/час и зависит от высоты и плотности воздуха. Быстрее всего звук распространяется в твердых телах. Если где-то самолет преодолел звуковой барьер, слышен грохот, похожий на взрыв. Сейчас жители Краснодарского края и Ростовской области ежедневно слышат такие хлопки: это работа нашей боевой авиации. 

При разгоне, звуковые колебания уплотняются, создавая ударную волну. С увеличением быстроты движения она принимает форму конуса. Это явление не кратковременное и сопровождает пилотов весь путь. К счастью летчикам не суждено оглохнуть от грохота. Чем быстрее передвигается воздушный транспорт, тем сильнее она воздействует на окружающую атмосферу.

Как летают сверхзвуковые самолеты: сложность управления в широком скоростном диапазоне

Двухконтурная компоновка хоть и была перспективной, но имела некоторые недостатки. Главным из них была невозможность поддержания крейсерской скорости. Пилоту приходилось постоянно держать включенный форсаж, что усиливало уровень шума, а также выводило показатели расхода топлива на совершенно невероятные отметки.

Высокая температура

Расположенные друг к другу вплотную, двигатели имели плохой отвод тепла, что приводило к сильному нагреву оболочки и всего хвоста. Их близость вызывала сильные вибрации, передающиеся в фюзеляж.

Небольшая дальность полета

Проблема расхода топлива оказалась куда сложнее. Емкость баков была не бесконечной. При таком расходе дальность полета едва дотягивала до 3000 км. Баки при модернизации увеличивали, но и этого было недостаточно. Инженеры модернизировали моторы до версии НК-144А, что незначительно улучшило показатели, поскольку эта модель развивала максимальную тягу до 18 тонн сил – рекорд для того времени. Но бесфорсажный режим давал лишь около 15 тон сил. В итоге, лайнер так и не вышел на экономичный крейсерский полет. Решением стало разработать новый бесфорсажный двигатель. Таким стал РД-36.

Невостребованность сверхзвуковых авиалайнеров у авиакомпаний

Летом 1973 года над парижским небом разбился Ту-144. Это был сокрушительный удар по проекту и престижу всех отечественных и зарубежных гиперзвуковых машин. Авиакомпании сделали вывод, что такие лайнеры трудно управляемы, ненадежны и опасны для путешествий. Высокий расход топлива, выбросы в атмосферу и звуковые удары дополняли отрицательный темп на продвижение этих лайнеров. Несмотря на то, что серийные самолеты уже летали, рейсы имели множество ограничений. Некоторое время пассажирские перелеты были отменены в СССР. Ту-144 перевозил лишь грузы и почту. 

Экологические последствия

Большинство представителей современной авиаиндустрии делают ставки на водород. Благодаря своей энергоемкости, он обгоняет электрические батареи в гонке за экологичные полеты. К 2050 году водородные технологии могут сократить выбросы углерода на 75%. Все эти изменения предназначены для того, чтобы авиация перешла на экологически чистый уровень, чего не скажешь о сверхзвуковых самолетах: из-за сжигания дополнительного топлива и увеличения максимальной тяги скорость увеличения отработавших газов возросла вдвое. У супер транспорта возникала еще одна проблема – экологический шум. 

Гиперзвуковой воздушный транспорт

На сегодняшний день продолжается модернизацию российской и американской авиации. Державы давно конкурируют в развитии гиперзвуковых технологий. Американцы пытаются сконструировать ракеты, оружие и прямоточный воздушный двигатель. У Российской Федерации уже в наличии ракетные гиперзвуковые комплексы «Кинжал». Самый ожидаемый и новый проект в области авиации РФ – это истребитель МиГ-41. Ему предстоит стать новейшей технологией в авиационной промышленности. Ожидается что быстрота полета будет в 4 раза выше скорости звука.

В России ведется разработка сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения. На инновационной перспективной машиной работают инженеры и ученые. Проект реализовывается при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. 

Аэродинамические характеристики будущего летательного аппарата:

• Низкий уровень шума при взлете и посадке.

• Незначительный звуковой удар во время крейсерского движения. 

Гиперзвуковой авиалайнер Boeing

Модель многоразового гиперзвукового летательного аппарата представила компания «Боинг». Новый дизайн имеет плоский фюзеляж, короткие крылья и двойной хвост. Двигатели находятся внутри двух отдельных обтекателей, но еще неясно какие реактивные установки будет использовать компания для этой машины. Неизвестно, что именно побудило «Боинг» именно сейчас предоставить новую концепцию. Первая презентация компании под названием «Валькирия» состоялась в 2018 г. Основное внимание компании уделяется разработке гиперзвуковых летательных аппаратов, способных выполнять задачи по нанесению ударов и разведке.

Подведем итоги

Сегодня сверхзвуковые пассажирские самолеты не эксплуатируются. Гонка авиаконструкторов различных держав стала источником надежд и разочарований. Скептики утверждают, что подобный вид летательных машин уже никогда не будет востребованным в гражданской авиации, потому что признан неэффективным и небезопасным. Изменилось время, поменялась скорость передачи информации. Электронные подписи, онлайн-конференции, скайп. Но Ту-144 и «Конкорд» навсегда останутся в истории не только как опередившие звук, но и как опередившие время.