Обгоняя звук и время: прошлое, настоящее и перспективы в области гражданской сверхзвуковой авиации
Первый в мире сверхзвуковой пассажирский авиалайнер Ту-144 совсем недавно пересек полувековой рубеж со дня первого полета. И, словно не прошло пяти десятков лет, он все также волнует умы авиаэкспертов по всему миру.
Еще со времен СССР в западной прессе было моветоном отзываться об уникальной туполевской машине хорошо, хотя бы потому что советский самолет, запоздав на старте, умудрился обойти европейского конкурента Concord на финишной прямой. Поколение туполевцев, в свое время работавших над Ту-144, вспоминает о самолете с неизменной гордостью, а авиационные аналитики отмечают новый виток интереса к развитию сверхзвуковых гражданских программ.
Разберемся, как начинался нелегкий путь этой машины и заглянем в будущее российского и зарубежного сверхзвукового авиастроения.
Стрела стратосферы
Интерес к гражданскому сверхзвуку с учетом успешной эксплуатации дальних боевых самолетов в 1950-1960-х годах был неизбежен. Старшее поколение помнит громкие заявления первых лиц Советского Союза и ряда других стран, ввязавшихся в гонку за престижем на ниве сверхзвукового авиастроения. Считается, что пара «гончих» - Ту-144 и англо-французский Concorde - шли практически наравне, при этом обычно опускается немаловажный факт: трасса у соперников была принципиально разная. Европеец летал над морем, что позволяло зарубежным инженерам не заострять внимание на проблемах интенсивности звукового удара и снижения уровня шума на местности при длительном сверхзвуковом полете.
В СССР изначально проектировали самолет, который будет летать над головами людей и приземляться на обычные аэродромы с длиной полосы до 3500 м. В условиях цейтнота решение таких задач требовало сверхчеловеческих усилий инженерного состава КБ Андрея Николаевича Туполева, которое взялось за этот сложный проект. В работу по данному направлению подключили спецотдел «К», специалисты которого ранее занимались беспилотной техникой и имели опыт в создании аппаратов с длительным полетом на скорости звука. Согласно техзаданию, Ту-144 должен был везти на борту до 100 человек на крейсерской скорости 2 300-2 700 км/ч на расстояние до 4 500 км, а с дополнительными топливными баками - до 6 500 км.
«По уровню аэродинамического совершенства в крейсерском сверхзвуковом полете серийный Ту-144 не превзойден как в нашей стране, так и за рубежом до настоящего времени, - рассказывает генеральный директор ЦАГИ, член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало. - Наш институт принимал активное участие в проведении расчетных и экспериментальных исследований на всех этапах создания опытного и серийного самолета. Работы выполнялись в части формирования аэродинамической компоновки, прочности и аэроупругости конструкции, обеспечения устойчивости и управляемости самолета. В процессе создания Ту-144 были разработаны нормы прочности, межгосударственный ГОСТ, содержавший требования и ограничения по звуковому удару и другие нормативные документы».
Первый опытный экземпляр строился на площадке завода «Опыт» в Москве - сегодня там располагается центральный офис компании «Туполев». Серийное производство планировали развернуть на авиазаводе в Воронеже. Для самолета Туполев выбрал схему планера «бесхвостка», наиболее выгодную для такого типа самолетов. Таким же строили и Concorde. Для тестирования аэродинамических характеристик крыла машины был построен самолет-аналог МиГ-21И, он проводил тестовые полеты в ЛИИ им. М. М. Громова и подтвердил заявленные характеристики. Туда же, на туполевскую летно-испытательную базу, для доводки привезли и «нулевку» (так летчики называли первую опытную машину) - готовились к отправке в небо.
В последние дни декабря 1968 года погода не радовала, в подмосковном Жуковском стоял туман. Только в канун Нового года, 31 декабря, когда немного распогодилось, было решено лететь. Полет длился 37 минут, все прошло по плану. Впервые на сверхзвук Ту-144 вышел уже в июне 1969 года, на высоте 11 000 м - фактически в нижних слоях стратосферы Земли. Через год летчикам-испытателям удалось достигнуть скорости 2 420 км/ч на высоте почти 17 000 м над землей.
«При производстве Ту-144 мы, кажется, опередили мировой уровень, впервые освоив масштабное изготовление деталей из титана. В опытном Ту-144 мы варили шпангоуты из двух листов - была отработана специальная технология сварки, технология отжига, ковки, штамповки», - отмечал главный конструктор стратегических ракетоносцев Ту-160 ОКБ Туполева Валентин Близнюк, в свое время руководивший проектированием сверхзвуковой машины. В дальнейшем эти технологии были доработаны и успешно применены при производстве Ту-160.
«Многие агрегаты топливной системы, которые были апробированы на Ту-144, перешли на Ту-160, в том числе система балансировочной перекачки топлива, которая использовалась в целях оптимального положения центра тяжести самолета. Да и сама идеология создания топливной системы в значительной мере была освоена вначале на Ту-144 и потом перешла на “Белый лебедь”», - отмечает инженер авиационного учебно-методического центра компании «Туполев» Алексей Амелюшкин, работавший инженером по эксплуатации Ту-144.
На самолете была применена принципиально новая дистанционная система управления, инновационная схема автоматической уборки шасси, устанавливалась самая совершенная на тот момент отечественная авионика: автопилот и ЭВМ поддерживали курс полета, пилоты видели местонахождение самолета с помощью специального экрана на приборной доске, а заход на посадку и вовсе осуществлялся автоматически в любое время суток и при любой погоде.
Инженер по летным испытаниям Ту-144 Сергей Авакимов рассказывает: «На базе этой машины создали другие, где были использованы и материалы, и идеи, алгоритмы в системе управления, и другое. Мы на этом самолете достигли скорости 2 Маха и дальности 7 050 км. Я был в составе экипажа в одном из полетов, когда мы провели на сверхзвуке единовременно 3 часа 16 минут. До сегодняшнего момента никто никогда и нигде такого не повторил».
Более трех тысяч советских граждан стали пассажирами сверхзвуковых лайнеров. Два самолета Ту-144 в ливрее «Аэрофлота» один раз в неделю летали по маршруту Москва-Алма-Ата-Москва. Несмотря на повышенную стоимость (84 рубля против 60 рублей на дозвуковом лайнере) билеты на рейсы Ту-144 быстро вошли в разряд дефицита.
«Засветился» Ту-144 и на большом экране - все помнят белоснежного красавца в кинофильме «Мимино», ожидающего разрешение на полет в Дели. Самолет мог похвастаться узнаваемым экстерьером, в том числе благодаря опускающейся носовой части фюзеляжа и выдвигающимся передним крылышкам-стабилизатора.
Кстати, эти самые «ушки» или переднее горизонтальное оперение Ту-144 получил далеко не сразу, на первой тестовой машине их не было. Их внедрение в конструкцию было обусловлено дальнейшими работами над улучшением аэродинамики самолета на взлете и посадке. Авиастроители в ходе дальнейших доводок значительно перекроили конструкцию лайнера, изменилась форма срединной части крыла, увеличилась длина фюзеляжа и вместе с тем до 140 количество перевозимых пассажиров. Все эти меры были призваны увеличить дальность полета «кинозвезды», ведь на существующих двигателях НК-144А до Дели Ту-144 долететь бы никак не смог.
В дальнейшей работе по проекту ставки делались на бесфорсажные экономичные двигатели РД-36-51. В конце 1970-х годов Ту-144Д на новых моторах доказал эксплуатационную годность для полетов на расстояние 5-6 тыс. км, но к пассажирским перевозкам допущен не был. В начале 1980-х активные работы по проекту были свернуты - сказывалась турбулентная политическая и экономическая обстановка в стране. Тем не менее, внутри ОКБ в инициативном порядке сохранялось направление по созданию отечественного сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения. Об этом свидетельствует и тот факт, что в 1996-1999 годах переоборудованный в летающую лабораторию ремоторизованный Ту-144ЛЛ проводил летные эксперименты по совместной с Национальным аэрокосмическим агентством США (NASA) программе в интересах накопления научно-технического задела для будущих сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС).
Сверхзвуковой ренессанс
Х-59
Сегодня на повестке дня у российских авиастроителей и их зарубежных коллег стоит не менее интересная, чем у их предшественников, задача - создание деловой версии сверхзвукового гражданского самолета, предназначенного для перевозки небольшого количества пассажиров. Это кажется более экономически привлекательным и открывает рыночную нишу, пока еще никем не занятую.
Возобновление исследовательских работ по СПС в нашей стране и за рубежом обусловлено не только интересами бизнеса, но и активностью Международной организации гражданской авиации (ICAO) в части формирования требований по уровню звукового удара (в настоящее время общепринятых норм по уровню звукового удара нет). Отечественные ученые и специалисты также участвуют в процессе выработки перспективных требований к пороговым уровням и метрикам их измерения.
Ведущие мировые авиаконцерны и исследовательские центры уже включились в новую гонку за гражданским сверхзвуком, впрочем, сталкиваясь на своем пути с теми же проблемами, которые не удалось преодолеть при разработке предыдущих версий СПС:
1. Низкая топливная эффективность и высокая себестоимость перевозок.
2. Высокий уровень звукового удара и шума на местности при сверхзвуковом полете.
3. Отрицательное воздействие на климат.
Решением первых двух вопросов активно занимаются американские разработчики. Стоит отметить, что и в прошлом столетии США пытались посостязаться в этой области авиастроения - Boeing готовил к выходу в свет лайнер 2707, однако дальше незаконченных прототипов дело не пошло.
Наверстывая упущенное время, за последние пару десятков лет в разработку сверхзвуковых самолетов вложились сразу несколько крупных американских компаний, в их числе Boeing (проект Aerion AS2), Gulfstream (самолет SSBJ Quiet Spike) и Lockheed Martin (самолет X-59), поддерживаемые NASA. Кстати именно создание демонстратора Lockheed Martin X-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport) зарубежные СМИ называют мировым технологическим прорывом в области коммерческого сверхзвукового самолетостроения.
Новаторство заключается в значительном снижении интенсивности звукового удара за счет ряда инженерных решений - удлиненная аэродинамическая форма самолета распределяет волны вдоль фюзеляжа, не позволяя им объединиться, а верхнее расположение воздухозаборника будет также способствовать снижению шума. В NASA уверяют, что переход самолета на сверхзвуковой режим для человеческого уха будет не громче хлопка дверью машины (около 75 дБ), а полет СПС на крейсерской скорости 1,5 Маха не будет отличаться по уровню шума от полета обычного дозвукового авиалайнера.
Aerion AS2
Следует заметить, что по состоянию на начало 2019 года стоимость единицы AS2 оценивается в $120 млн. Для сравнения дозвуковой бизнес-джет с более экономичными двигателями и налаженным эксплуатационным сервисом обойдется в 2-3 раза дешевле.
Вероятно, экономическую целесообразность создатели СПС видят не только в реализации воздушных судов vip-клиентам (хотя своя рыночная ниша у них, конечно, есть), но также в создании прорывных технологий, связанных с освоением фактически нового вида авиационной техники. Именно с этим связано стремление многих стран мира, даже традиционно далеких от новаторства в области авиастроения, заняться подобными рода изысканиями.
В частности, японское агентство аэрокосмических исследований JAXA занимается развитием проекта с рабочим названием Next Generation Supersonic Transport. Кроме того, еще в 2011 году японцы вступили в коллаборацию с европейцами в части работ по созданию самолета ZEHST (Zero Emission Hyper Sonic Transport). В феврале 2019 года JAXA подписало соглашение с концерном Boeing на проведение исследований в области авиатехнологий, каких именно - азиатские коллеги не раскрывают.
Европейцы работают над созданием СПС не только в кооперации, но и по отдельности. Германия самостоятельно взялась за освоение сверхзвука, для чего привлекла ученых национального центра исследований. Немецкие инженеры несколько лет назад представили миру проект самолета SpaceLiner, отдаленно напоминающий советский Буран, но программу заморозили. Второе дыхание SpaceLiner обрел совсем недавно, о чем свидетельствует заявление разработчиков на Международном астронавтическом конгрессе (IAC) в октябре 2018 года в Бремене. Они предложили французам использовать наработки по проекту для совместного создания суборбитального космического челнока.
Да и сами наследники богатого авиационного прошлого предпринимали попытки самостоятельно создать гиперзвуковой самолет. Некоторое время назад французская компания HyperMach выпустила в свет проект под названием SonicStar, в который закладывались рекордные показатели скорости до 4,4 Маха, правда с несуществующими на тот момент двигателями.
В целом международные научные исследования в области повышения скоростей самолетов допускали возможность коммерческих путешествий на скоростях 5 Маха и выше, однако в данное время человечество не обладает достаточным технологическим заделом для реализации таких идей.
На фото: экспериментальное исследование модели сверхзвукового пассажирского самолёта в аэродинамической трубе ЦАГИ | (c) пресс-служба ЦАГИ
Самое интересное развертывается в стенах отечественных научных организаций, КБ и исследовательских центров, которые имеют не только богатые наработки, связанные с созданием СПС первого поколения, но также ведут активные научно-исследовательские работы, чтобы представить миру проект нового российского сверхзвукового лайнера.
За создание гражданской версии сверхзвукового самолета высказался президент России Владимир Путин. «Надо сделать гражданскую версию», - отметил глава государства в ходе своего визита на авиазавод в Казани. Со своей стороны, президент ОАК Юрий Слюсарь подтвердил, что у корпорации уже есть некоторые наработки подобного сверхзвукового гражданского лайнера.
Раскрыл некоторые подробности относительно этих работ российских инженеров министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров: «Следующим этапом в 2020-2022 годах предварительно должна стать разработка технического задания на демонстратор технологий сверхзвукового пассажирского самолета, создание такого демонстратора и проведение с его помощью натурных исследований, направленных на совершенствование аэродинамических характеристик и повышение весовой отдачи».
В дальнейшем планируется, что на основании технических параметров, сформированных учеными, ОАК совместно с входящими в ее структуру КБ и институтами авиационной промышленности займется эскизным и рабочим проектированием СПС второго поколения.
Как отмечают в ЦАГИ, у СПС нового поколения предполагается более высокий уровень аэродинамического и массового совершенства, топливной эффективности, безопасности, комфорта пассажиров, по сравнению с СПС первого поколения. Перепад давления в головной ударной волне в крейсерском сверхзвуковом полете у перспективного СПС должен быть меньше в 5-6 раз. Это должно быть первым и главным отличием нового СПС. Безусловно, за прошедший период, с момента создания первого сверхзвукового лайнера, существенным образом ужесточились требования по уровню шума в зоне аэропорта и вредным выбросам в атмосферу. Эти общепринятые требования должен выполнять и СПС нового поколения. По предварительным оценкам, справиться с этими проблемами позволит разработка специальной аэродинамической компоновки, новых двигателей для силовой установки и системы шумоглушения.
На данный момент одним из сдерживающих факторов является отсутствие подходящей отечественной маршевой силовой установки, необходимой для создания такого типа самолета. Согласно технической записке, озвученной первым заместителем начальника проектно-конструкторского центра «Технические проекты» компании «Туполев» Михаилом Никулочкиным, на сверхзвуковой авиалайнер необходимо устанавливать пару турбореактивных двухконтурных двигателя тягой по 15 т для обеспечения тяговооруженности не менее 0,42. Специалисты ЦАГИ оптимистичны: по предварительным оценкам создание стендового образца подходящего двигателя возможно за 5-7 лет.
Работы по созданию нового поколения «гражданского сверхзвука» ведутся сразу по нескольким направлениям, прорабатывается несколько концепций, вариантов компоновки, аэродинамических схем.
В своих расчетах специалисты компании «Туполев» ориентируются на создание самолета вместимостью до 30 пассажиров, весом до 70 т и дальностью полета 7 500 км на скорости 1,6-2 Маха.
В свою очередь, внимательные посетители выставки «Гидроавиасалон-2018» могли заметить на стенде ЦАГИ необычную модель легкого сверхзвукового делового самолета, в характеристиках которого указывались параметры: скорость 1 800 км/ч и расстояние полета до 7 000 км. Тем самым ученые слегка приоткрыли завесу над одним из векторов своих научных изысканий.
«Часть из работ (по разработке СПС нового поколения. - Ред.) ЦАГИ ведет вместе с КБ, где формируются новые компоновки, где оттачиваются решения, в том числе по проектным нормативным документам», - отмечает Кирилл Сыпало.
Так или иначе весьма актуальной остается еще одна проблема создания СПС, а именно - климатическая безопасность внедрения такого рода ВС в международный авиатраффик. Если в части звуковой экологии подвижки в сторону решения этого вопроса есть, то в части загрязнения воздуха за счет повышенной эмиссии переработанного топлива двигателей, разгоняющих самолет до скорости звука и выше, еще предстоит большая работа.