Что такое сверхзвуковой самолет
Сверхзвук, часть1. Кое-что о сверхзвуковых самолетах.
Привет, друзья!
Один из примеров существующих проектов сверхзвуковых самолетов.
Сегодня начну с небольшого предисловия 🙂.
На этом сайте у меня уже есть статья о дозвуковых скоростях полета летательных аппаратов. То есть давно уже пришла пора написать что-нибудь и о сверхзвуке, тем более, что я обещал это сделать :-). На днях взялся за работу с немалым рвением, но понял, что тема настолько же интересна, насколько и объемна.
Мои статьи в последнее время краткостью не блещут, не знаю уж достоинство это или недостаток :-). А выпуск на тему «сверхзвук» грозил стать еще больше и уж неизвестно сколько бы времени мне пришлось бы его «творить» :-).
Итак, поговорим сегодня о сверхзвуке и сверхзвуковых самолетах. Само понятие «сверхзвук» в нашем языке (тем более в превосходной степени) мелькает гораздо чаще, чем термин « дозвук ».
С одной стороны это, вобщем-то, понятно. Дозвуковые летательные аппараты давно стали в нашей жизни чем-то совсем обыденным. А сверхзвуковые самолеты, хоть и летают в воздушном пространстве вот уже 65 лет, но до сих пор представляются чем-то особенным, интересным и заслуживающим повышенного внимания.
Говоря с другой стороны, это вполне справедливо. Ведь полеты на сверхзвуке — это, можно сказать, отдельная, закрытая неким барьером область движения. Однако, у людей неискушенных вполне может возникнуть вопрос: «А чего, собственно, такого выдающегося в этом сверхзвуке? Какая разница летит самолет со скоростью 400 км/ч или 1400 км/ч? Дайте ему движок помощнее и все будет в порядке!» Примерно в таком смысловом положении находилась авиация на заре своего развития.
Messerschmitt Me 262.
Однако, далее скорость расти не хотела. Даже при пологом пикировании. Более того проявились проблемы с управляемостью. Хотя, казалось бы, на первый взгляд преград в достижении цели нет….
Уже со скоростей порядка 400 км/ч начинает понемногу проявляться такое свойство воздуха, как сжимаемость. И ничего здесь, в принципе, неожиданного нет. Воздух – это газ. А все газы, как известно, в отличие от жидкостей, сжимаемы. При сжатии меняются параметры газа, такие, например, как плотность, давление, температура. Из-за этого в сжатом газе уже по-другому могут протекать различные физические процессы, нежели в разреженном.
Чем быстрее летит самолет, тем больше он вместе со своими аэродинамическими поверхностями становится похожим на эдакий поршень, в определенном смысле сжимающий воздух перед собой. Утрированно, конечно, но в целом именно так :-).
С ростом скорости аэродинамическая картина обтекания летательного аппарата меняется и чем быстрее, тем больше :-). А на сверхзвуке она уже качественно другая. При этом на первый план выходят новые понятия аэродинамики, которые для малоскоростных самолетов зачастую просто не имеют никакого смысла.
Кроме того ухудшаются управляемость и характеристики устойчивости самолета из-за смещения назад точки приложения аэродинамических сил.
При подходе к области околозвуковых скоростей самолет может испытывать сильную тряску (это было более характерно для первых самолетов, штурмовавших тогда еще таинственный рубеж скорости звука), схожую по своим проявлениям с еще одним очень неприятным явлением, с которым пришлось столкнуться авиаторам в своем профессиональном развитии. Это явление называется флаттер (тема для очередной статьи :-)).
Обо всех упомянутых выше понятиях и явлениях, а также причинах их возникновения мы обязательно поговорим в других статьях более подробно. Но сейчас итак, я думаю, вполне понятно, что сверхзвук – это уже нечто совсем другое, нежели полет на дозвуковой ( тем более малой) скорости.
Для того, чтобы ужиться со всеми вновь возникающими эффектами и явлениями на больших скоростях и полностью соответствовать своему предназначению, летательный аппарат тоже должен качественно измениться. Теперь это должен быть сверхзвуковой самолет, то есть самолет, способный выполнять полет со скоростью, превышающей скорость звука на данном участке воздушного пространства.
И для него недостаточно только лишь увеличения мощности двигателя (хотя это тоже очень важная и обязательная деталь). Такие самолеты обычно меняются и внешне. В их облике появляются острые углы и кромки, прямые линии, в отличие от «плавных» очертаний дозвуковых самолетов.
Сверхзвуковые самолеты имеют стреловидное или треугольное в плане крыло. Типичный и один из самых известных самолетов с треугольным крылом – замечательный истребитель МИГ-21 (максимальная скорость на высоте 2230 км/ч, у земли 1300 км/ч).
Сверхзвуковой самолет с треугольным в плане крылом МИГ-21.
Один из вариантов стреловидного – это крыло оживальной формы, имеющее повышенный коэффициент подъемной силы. У него имеется специальный наплыв около фюзеляжа, предназначенный для образования искусственных спиральных вихрей.
МИГ-21И с крылом оживальной формы.
Оживальное крыло ТУ-144.
SuperJet 100. Пример сверхкритического крыла. Хорошо виден изгиб профиля (задняя часть)
Профиль крыла, особенно если самолет предназначен для полетов на больших сверхзвуковых скоростях (тем более длительных полетов), обычно тонкий с острыми кромками (характерный пример — МИГ-25 ).
Управляющие поверхности хвостового оперения из-за ухудшения условий управляемости на сверхзвуке имеют достаточно большую площадь. Часто стабилизаторы бывают цельно-поворотными, а на некоторых сверхзвуковых самолетах цельноповоротными сделаны и кили.
Х-1 был создан чисто для эксперимента по достижению высоких скоростей и явился родоначальником Х-серии экспериментальных самолетов, на которых отрабатывались различные новинки и разработки из области скоростных и высотных полетов.
Bell X-1. Первый самолет, преодолевший скорость звука.
Ракетный двигатель XLR-11 для самолета Х-1.
Charles Yeager у самолета Х-1.
Подвеска Х-1 (№46-064) под самолетом ЕВ-50А 9 ноября 1951 года на авиабазе Эдвардс (Калифорния).
ЛА-176 по внешнему виду был, вобщем-то, типичным сверхзвуковым самолетом со стреловидным крылом и тонким профилем. Однако потерянная из-за нелепой случайности экспериментальная машина (срыв фонаря на взлете и неправильные действия летчика О.В.Соколовского, закончившиеся катастрофой и его гибелью), поставила крест на дальнейшей разработке этого проекта.
North American F-100, 1953 год.
Истребитель МИГ-19 (аэродром Кубинка).
Этот самолет выпускался в различных модификациях и в качестве истребителя-перехватчика в войсках ПВО страны в начале 60-х годов успешно выполнял реальные боевые задачи.
МИГ-19 в китайском варианте J-6 на авиашоу в 2006 году.
Легендарный МИГ-15, правда уже не наш :-). Тоже кандидат на сверхзвук.
Немного отвлекаясь упомяну об интересном факте. Вышеупомянутому летчику испытателю Чаку Йегеру довелось опробовать МИГ-15 в полете. Это случилось уже после окончания войны, когда лейтенант северокорейских ВВС НО Гым Сок угнал самолет в Южную Корею. За это он, кстати, получил 100000 долларов, как обещанную США награду за доставку невредимого МИГ-15. Теперь этот самолет находится в национальном музее ВВС США.
«Американский» МИГ-15 после окончания войны в Корее. Похоже тот самый угнанный.
Эти, хоть и первые, но уже достаточно смелые шаги стали началом эры бурного развития сверхзвуковой авиации. В течение 60-х-70-х годов авиационной наукой были решены многие проблемы, связанные со сверхзвуком и осложнявшие эксплуатацию самолетов на больших скоростях. Появилось много моделей сверхзвуковых самолетов различного назначения, от истребителя и истребителя-бомбардировщика до бомбардировщика и разведчика.
Большая скорость и высота полета была наиболее актуальна для истребителей-перехватчиков, а также для самолетов-разведчиков и бомбардировщиков, основной принцип применения которых был полет к цели на максимально возможной высоте и скорости для преодоления ПВО противника.
Сверхзвуковые самолеты создаются и по сей день. Практически любой вновь создаваемый военный самолет в наши дни обладает возможностью сверхзвукового полета.
СУ-35. Современный сверхзвуковой самолет.
Сверхзвуковой стратегический бомбардировщик-ракетоносец ТУ-22М3. Исключительный самолет. Максимальная скорость на высоте 2300 км/ч.
Перехватчик МИГ-31. Крейсерская скорость сверхзвука 2,35М (2500 км/ч), максимально допустимая скорость на высоте 3000 км/ч (2,82М). Потомок МИГ-25.
McDonnell Douglas DC-8, первый гражданский самолет, вышедший на сверхзвк.
Эксперимент проводился при пологом пикировании с динамической высоты 15877 м, в результате чего на высоте 12300 м была достигнута скорость 1262 км/ч (число М= 1,012).
Был в истории гражданской авиации еще один заслуживающий внимание случай, когда самолет, не предназначенный для полетов на сверхзвуке, тем не менее стал на некоторое время сверхзвуковым :-).
Повреждения хвостового оперения Boeing-747 после вынужденного сверхзвука.
Однако из 251 пассажира и 23 членов экипажа, находившихся на борту, относительно серьезные травмы получили только 2 человека. Самолет произвел благополучную посадку в Сан-Франциско и впоследствии был восстановлен для дальнейших полетов.
Случай, конечно, курьезный, но тем не менее по теме… А вобщем все хорошо, что хорошо кончается :-).
Однако же эти два примера, вобщем-то, случайны и бессистемны. Настоящих сверхзвуковых самолетов в мировой гражданской авиации, которые более или менее длительно использовались по своему прямому назначению было всего два. И наверное нет на земле человека, который бы о них не знал.
ТУ-144 и Concorde были в этом плане одними из первых. Ведь в то время, когда они создавались, время полета для подавляющего большинства самолетов на сверхзвуке ограничивалось довольно короткими промежутками времени. Исключениями были двухмаховый (максимальная скорость 2100 км/ч на высоте) английский перехватчик English Electric Lightning (ставший пионером в освоении «суперкруиза»), перехватчик ТУ-128 (максимальная скорость с нагрузкой/без – 1655 км/ч/1900 км/ч), наш замечательный МИГ-25 (скорость на высоте до 3000 км/ч, 2,83М), да полуэкзотические А-12,YF-12 и SR-71 (допустимая скорость до 3,2-3,3М).
Дальний истребитель-перехватчик ТУ-128.
Британский перехватчик English Electric «Lightning». Первый суперкруизер.
Один из самых скоростных серийных самолетов в истории авиации разведчик-бомбардировщик МИГ-25РБ.
Разведчик А-12. (60-е годы).
Легенда скорости Lockheed SR-71 «Blackbird».
Разведчик-перехватчик YF-12. Прототип SR-71. Хорошо видно, что кили цельно-поворотные.
Сейчас на таком режиме летает все больше эксплуатируемых и вновь создаваемых сверхзвуковых самолетов.
Как наш, так и англо-французский пассажирские сверхзвуковые самолеты создавались практически одновременно, но ТУ-144 все же несколько раньше :-). Поэтому он носит почетное звание «первый в мире». Внешний вид их даже для неосведомленного человека не оставляет сомнений: их стихия – сверхзвук. Оба выполнены по схеме «бесхвостка» и имеют тонкое крыло оживальной формы.
ТУ-144 и Concorde оборудованы четырьмя мощными ТРДФ. Причем на первом эти двигатели предназначены для длительной работы на форсаже, а на втором форсаж используется только для взлета и прохождения звукового барьера с достижением определенной скорости. Именно поэтому (из-за неэкономичности двигателей) практическая дальность 144-го была меньше, чем у Конкорда (3080 км против 6400 км).
Однако наш самолет имел ряд преимуществ перед Конкордом, которые были результатом огромной конструкторской работы, проделанной его создателями. ТУ-144 имел максимальную скорость полета 2500 км/ч, Конкорд – 2330 км/ч, крейсерская скорость на сверхзвуке была соответственно 2200 км/ч и 2150 км/ч. Посадочная скорость у 144-го 270 км/ч и 295 км/ч у Конкорда соответственно. Практический потолок 20000 м и 18300 м соответственно.
ТУ-144 имел возможность использовать для перелетов 18 аэропортов Советского Союза, в то время как для приема и посадки Конкорда требовалась специальная сертификация аэропорта.
Наш лайнер стал средоточием самых передовых достижений науки и конструкторских решений (одно только переднее горизонтальное оперение чего стоит :-)). Но судьба его оказалась несчастливой.
Две громких катстрофы, одна на авиасалоне в Ле Бурже в 1973 году, вторая во время испытательного полета под Москвой в 1978 году. Совсем короткая коммерческая эксплуатация с 1 ноября 1977 по 1 июня 1978 года.
Самолет оказался нерентабельным и, думается мне, не только в экономическом плане…
Первый сверхзвуковой пассажирский самолет ТУ-144.
Конкорд. Ушедший символ.
После закрытия обоих программ, как ТУ-144, так и Конкорда, в мире не осталось постоянно летающих сверхзвуковых пассажирских самолетов. Все существующие на данный момент разработки имеют место только в качестве перспективных в той или иной степени проектов. Хотя на мой взгляд перспективность эта здесь достаточно эфемерна. В физическом смысле, то есть чтобы «пощупать», есть разве что летающие модели. Но в основном все же красивые картинки :-).
Один из проектов сверхзвукового самолета. Aerion Supersonic Business Jet-5.
Еще один проект сверхзвукового самолета будущего.
Вот такие не совсем веселые итоги. На сегодняшний момент нельзя сказать, что задача по созданию полностью эффективного сверхзвукового самолета уже решена. Дело в том, что в существующей ситуации конструкторам и инженерам приходится решать очень сложные задачи и для достижения искомой эффективности приходится неимоверно изощряться :-), совмещая вещи часто несовместимые.
В наибольшей степени это относится к взлетно-посадочным характеристикам и выполнению различных задач на малых и относительно малых скоростях. Тонкое крыло с большим углом стреловидности, отлично выполняющее свою задачу на сверхзвуке, значительно менее эффективно на взлете и посадке, нежели прямое крыло с толстым профилем. А прямое крыло, в свою очередь, мало подходит для сверхзвуковых скоростей.
Сверхзвуковой самолет со «скоростным» крылом практически всегда имеет большую посадочную скорость, длинну разбега и пробега, что влечет за собой множество неудобств и технических проблем, как для самого самолета,так и для аэродромного оборудования, вплоть до невозможности выполнения полета.
Компромиссом в этом случае становятся самолеты с изменяемой геометрией крыла в полете. Это различные модели как истребителей, так и бомбардировщиков.
Сверхзвуковой стратегический бомбардировщик с изменяемой в полете геометрией крыла ТУ-160. Максимальная скорость на высоте 2230 км/ч (1,87М).
Сверхзвуковой самолет с изменяемой в полете геометрией крыла истребитель МИГ-23.
Но изменяемая геометрия — это тоже своего рода компромисс. Он не всегда может стать выходом из положения, потому что опять же влечет за собой необходимость решения множества технических и аэродинамических проблем.
Кроме того нельзя забывать о том, что сверхзвуквые самолеты, особенно большие и тяжелые типы, предназанченные для долгого суперкруиза на больших числах М – это машины высокозатратные, как на этапе их создания, так и на этапе эксплуатации, сложные (зачастую даже громоздкие) в обслуживании и управлении, и не каждое государство может себе позволить заниматься такого рода удовольствиями :-).
North American XB-70. Красавица Валькирия.
Су-100 (Т-4). Легендарная «сотка». С совсем не легендарной судьбой.
Т-4 (СУ-100) в музее в Монино.
Все эти замечательные по сути самолеты теперь остались только в музеях (последние два в единственном экземпляре каждый) и достойных наследников у них нет. Все в основном на уровне теоретических прожектов. Относительно ХВ-70, кстати, были намерения о переделке его в пассажирский самолет. Однако намерения таковыми и остались :-).
К сожалению, технический прогресс в авиации (и, похоже, не только там) получает толчок в своем развитии именно через разработки в военной сфере. И выходит, что у нас на Земле практически все самые красивые и «умные» самолеты ( особенно это касается сверхзвуковых самолетов) создают только с одной целью…. эту самую красоту уничтожить….
Никуда от этого не денешься, факт остается фактом…
Однако, пора заканчивать. Хватит я думаю для введения. На этом я с вами прощаюсь. С надеждой, все же, на лучшее 🙂 и до новых встреч в следующих статьях этой серии… и не только этой :-)…..
Иллюзия возможностей: зачем нужен сверхзвуковой пассажирский самолет
Дети золотого века
Расцвет реактивной авиации в 1950-1960-х годах, когда рекорды переписывались почти ежегодно, а постоянный рост характеристик новых самолетов воспринимался как естественное явление, стал временем первого всплеска интереса к сверхзвуковым пассажирским самолетам. Соответствующие разработки впервые стартовали в Великобритании в 1954 году, несколькими годами позже свои проекты начали французские, советские, а затем и американские авиапроизводители. Будущее казалось безоблачным, а прогнозы звучали самые восторженные. Даже Boeing, выведя в 1969 году на линии легендарный B-747, полагал, что дни этой машины, хоть и только созданной, уже сочтены и будущее дальнемагистральных перевозок принадлежит сверхзвуковым самолетам. Сегодня, как мы знаем, B-747 все еще летает, более того, остается в серийном производстве (пусть уже и не столь масштабном, как в 1970-80-е годы).
Первая выкатка американского cамолета Boeing-747-100 на заводе в Эверетте, 30 сентября 1968 года
Реальность оказалась жестче. До воплощения в летающих машинах дошли только два проекта: объединенный франко-британский (в 1962 году в Париже и Лондоне договорились о совместной разработке) и советский, при этом СССР тоже вел переговоры с Францией о совместной разработке, не увенчавшиеся успехом. Советская машина — Ту-144 — полетела первой, впервые поднявшись в воздух 31 декабря 1968 года. «Конкорд» взлетел 2 марта 1969-го. Эксплуатация Ту-144 в качестве грузовой машины — для перевозки срочных почтовых отправлений — началась в конце декабря 1975 года, в конце января 1976-го на линии вышел «Конкорд», но сразу как пассажирский. Ту-144 доверили перевозки пассажиров несколько позже: с ноября 1977 года.
Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144 во время испытательного полета
Судьба двух самолетов-ровесников, очень похожих внешне, сложилась по-разному. Ту-144 сняли с пассажирских линий всего через семь месяцев после начала работы, в июне 1978-го. Поводом стала катастрофа опытного экземпляра усовершенствованного Ту-144Д, но причина заключалась в нерентабельности самолета и отсутствии практической необходимости в пассажирской машине со скоростью полета более 2 тыс. км/ч. Впоследствии Ту-144 еще использовали для разных специальных перевозок и экспериментальных задач, но на линии он так и не вернулся.
Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144 в аэропорту Шереметьево
«Конкорд» эксплуатировался куда дольше, сойдя с линий в ноябре 2003 года, но масштабы его использования оказались далеки от ожидаемых: продать удалось только 9 самолетов, да и то «домашним» для разработчиков British Airways (пять машин) и Air France (четыре). Позднее обе компании увеличили свой парк до семи самолетов каждая, получив оставшиеся на чрезвычайно льготных условиях.
Причин было несколько. Во-первых, появление на рубеже 1960-1970-х вместительных и одновременно достаточно экономичных лайнеров, как средне- так и дальнемагистральных, резко расширило рынок авиаперевозок, до того считавшихся скорее исключительно уделом состоятельных людей. Модель заработков авиакомпаний сместилась с сокращения времени перелета на расширение рынка путем снижения цены на билет, что позволяло охватывать авиаперевозками всё новые слои населения.
Сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд» в ливрее английской авиакомпании British Airways
Полноразмерный макет американского сверхзвукового пассажирского самолета Boeing 2707
Самыми предприимчивыми в то время оказались американцы: начав свой проект сверхзвуковой пассажирской машины несколько позже, чем англофранцузские и советские разработчики, они так и не подняли свой самолет в воздух, прекратив разработку Boeing 2707 в 1971 году.
Новая надежда
Вновь о разработке сверхзвуковых пассажирских самолетов заговорили в 1990-х годах. КБ Туполева последовательно представило проекты Ту-244 («апгрейд» Ту-144Д), Ту-344 (сверхзвуковой бизнес-джет на базе бомбардировщика-ракетоносца Ту-22М3), Ту-444 (усовершенствованный проект бизнес-джета). Тогда же свой проект SSBJ продемонстрировало КБ Сухого.
Все эти проекты, впрочем, роднят два фактора. Ни один из них не пошел в сколько-нибудь детальную разработку, и все они были предложены российской промышленностью, переживавшей в 1990-е острый кризис в отсутствие спроса на имевшиеся серийные машины.
Макет сверхзвукового пассажирского самолета Ту-244
Итог был вполне предсказуем: ни один из этих проектов не состоялся. На Западе в это время о сверхзвуковых лайнерах уже особо не задумывались: сложившаяся в 1990-е дуополия Boeing и Airbus, выкативших полную линейку самолетов для средних и дальних рейсов, устраивала всех, не требуя вложений в принципиально новый проект.
Кроме того, в 2000-х годах исчез последний важный фактор, делавший «Конкорды» действительно нужными: развитие технологий видеоконференций и вообще связи резко сократило число важных деловых встреч, требовавших обязательного физического наличия собеседников. Действительно срочные вопросы теперь можно было обсудить дистанционно без потери качества коммуникации, для всего остального хватало скорости обычных лайнеров и бизнес-джетов.
Модель сверхзвукового пассажирского самолета Ту-344
Российский авиапром в это время решал куда более насущную задачу собственного выживания и решил ее в первую очередь через военные поставки — как для собственных ВВС (возобновивших закупки во второй половине 2000-х годов), так и на экспорт. Производство коммерческих авиалайнеров на сегодня ограничено единственным, по сути, серийным самолетом «Сухой Суперджет», хотя есть надежда, что проходящий испытания МС-21 найдет спрос, и даже в больших, чем «Суперджет», масштабах.
Какую задачу в этих условиях может решить постройка в России нового сверхзвукового авиалайнера?
Самолет МС-21 совершает взлет в аэропорту Иркутск
Определенно, такой самолет может быть создан, тем более если речь идет о разработке на основе бомбардировщика Ту-160, серийное производство которого сейчас возобновляется.
Опытный образец самолета Ту-160М2 во время выкатки на Казанском авиационном заводе им. С.П. Горбунова, 16 ноября 2017 года