Как был преодолен звуковой барьер?
Как это часто бывает — мирные технологии появились в результате военных разработок: после появления в 1940-х годах реактивных самолетов-истребителей перед авиаконструкторами встала задача увеличить их скорость. Такая опция расширяла боевые возможности как истребителей, так и бомбардировщиков. Уже 14 октября 1947 года на экспериментальном самолете Bell X-1 с ракетным двигателем XLR-11 была достигнута сверхзвуковая скорость в управляемом полете.
5 ноября 1956 года в Великобритании был создан Комитет по сверхзвуковым транспортным самолетам, объединивший 9 крупнейших авиационных организаций страны для внедрения реактивной коммерческой авиации и выбора проекта сверхзвукового самолета. В 1960 году работа комитета основывалась на успешно испытанном с 1954 года проекте рекордного опытного истребителя фирмы Fairey Delta 2, который впервые представил общие черты сверхзвуковых пассажирских самолетов: бесхвостку с крылом малого удлинения и сложной передней кромкой, однокилевое оперение, высокое шасси и опускаемую переднюю часть фюзеляжа для обзора на посадке с большим углом атаки. Этот этап завершился выбором проектного предложения фирмы Bristol type 223 и поиском партнеров для разработки столь крупного коммерческого предприятия. Чуть позже похожие работы начаты во Франции — проект фирмы Sud Aviation Super-Caravelle. В 1962 году правительства Великобритании и Франции объединили усилия для создания и производства самолета. Так был создан проект сверхзвукового пассажирского самолета «Concorde» — Согласие. В те годы США, Великобритания и Франция уже сотрудничали в разработке поколения реактивных и сверхзвуковых военных самолетов. В США развернули собственные работы, но их проекты отличались размерами самолетов и заданными показателями. Американским проектом по созданию сверхзвукового пассажирского самолета занималась авиакомпания Boeing. Самолет Boeing 2707 должен был вмещать до 300 пассажиров и разгоняться до 3000 км/ч.
Советские специалисты знали о зарубежных проектах сверхзвуковых пассажирских самолетов, изучали их макеты на международных авиационных салонах. В СССР велись собственные разработки такого самолета в нескольких конструкторских бюро и исследовательских институтах. Эти исследования завершились 16 июля 1963 года, когда вышло постановление «О создании ОКБ А. Н. Туполева СПС Ту-144 с четырьмя реактивными двигателями и о постройке партии таких самолетов».
Советские инженеры имели обширный опыт военного реактивного самолетостроения, но с гражданскими сверхзвуковыми машинами столкнулись впервые. Тем не менее в июне 1969 года опытный образец впервые превысил скорость звука, а 12 ноября 1970 года достиг максимальной скорости 2430 км/ч. Один из полетов пришлось прервать на скорости около 2000 км/ч из-за плохой управляемости самолета. Выяснилось, что на высокой скорости отклонение аэродинамических элементов управления самолетом вызывало рысканье (неконтролируемые угловые перемещения самолета), что провоцировало появление ложных ощущений у пилота. Дефект удалось устранить.
«Наша машина будет первым советским сверхзвуковым пассажирским самолетом, — отмечал авиаконструктор Туполев-старший. – Крейсерская скорость Ту-144 – 2500 км/ч, дальность полета – 6500 км, нормальный взлетный вес 130 т. Лайнер будет совершать рейсы на высоте 20 км. Управляет им экипаж из трех человек. Всего три с половиной часа потребуется Ту-144, чтобы доставить 121 пассажира из Москвы в Коломбо. Лайнер обещает быть экономичным в эксплуатации, стоимость полета на нем будет не выше, чем на дозвуковых самолетах. Как и во всех современных машинах, в Ту-144 предусмотрен максимум удобств для пассажиров. Они разместятся в двух комфортабельных салонах. Поскольку двигатели расположены в задней части фюзеляжа, шум в салонах будет незначительным».
Что удалось реализовать? Многие процедуры были автоматизированы, например, заход на посадку: у пилотов было нечто вроде навигатора, показывающего положение самолета относительно точки отправления, а при взлете и посадке — относительно полосы. Ту-144 был больше Конкорда. Мог перевозить до 150 пассажиров. Но его двигатели потребляли 38 тонн топлива в час против 20 у конкурента. В результате с максимальной нагрузкой Ту-144 мог пролететь всего 3000 километров (планировалось 6500) — это в два раза меньше, чем западный аналог. Рейс «Москва — Хабаровск» протяженностью 6250 километров реализовать не удалось, не говоря уже о более дальних, как например «Париж — Новосибирск — Токио».
Каково это — лететь на сверхзвуковом лайнере?
Первое, с чем сталкивались пассажиры сверхзвукового самолета — очень громкий взлет. Работа 4 двигателей, разгоняющих самолет до высочайшей скорости, сопровождалась большим шумом.
Билет на «Конкорд» стоил порядка $10000, поэтому пользовались такими авиаперевозками в основном бизнесмены и знаменитости. Поначалу на «Конкордах» работали только стюарды, но впоследствии рейсы стали обслуживать стюардессы.
По большинству свидетельств ни пассажиры, ни пилоты не могли отметить момент, когда самолет преодолевал сверхзвуковой барьер. А идентифицировать скорость было практически невозможно: находясь в небе, взгляду не на что было опереться, чтобы убедиться в том, что скорость полета действительно невероятная.
Удобство размещения пассажиров и предоставляемые в полете услуги делали сверхзвуковые перелеты ничуть не менее комфортабельными, чем обычные.
Последний полет на сверхзвуковом лайнере
Начало конца для сверхзвуковых пассажирских самолетов стала авиакатастрофа 25 июля 2000 года в Париже. При вылете из аэропорта «Шарль де Голль», разбился «Конкорд» авиакомпании Air France, летевший рейсом Париж — Нью-Йорк. Причиной стал наезд тележки левого шасси на металлическую деталь обшивки двигателя другого самолета. Часть покрышки лопнувшей шины повредила топливный бак самолета, а вылившееся топливо загорелось, попав на раскаленные сопла двигателей. Вероятно, часть покрышки колеса повредила провода привода выпуска шасси, которые при взлете не убрались, оголенные провода стали причиной воспламенения топлива. Возникший пожар привел к отказу обоих левых двигателей не успевшего набрать скорость самолета и его падению на небольшой отель в двух километрах от аэропорта.
Все находившиеся на борту — 100 пассажиров и 9 членов экипажа — погибли. Также погибло 4 человека, находившихся в отеле.
После этого события полеты «Конкордов» были приостановлены. 16 августа сертификат летной годности «Конкордов» был отозван.
Весь следующий год велись работы по модификации парка самолетов, и 5 сентября 2001 года, сертификат летной годности был восстановлен. Регулярные пассажирские перевозки возобновились только 7 ноября полетом из Лондона в Нью-Йорк. После этого последовала череда других критических инцидентов, повлекших отключение двигателей. 10 апреля 2003 года British Airways и Air France объявили о прекращении эксплуатации парка «Конкордов». Последний полет «Конкорда» состоялся 26 ноября 2003 года: последний построенный самолет вылетел из лондонского Хитроу, пролетел над Атлантическим океаном и вернулся в Бристоль, где он и был построен.
Проблемы развития сверзвуковой пассажирской авиации
Удивительно, но у сверхзвуковых самолетов было достаточно ограничений. Советский сверхзвуковой лайнер Ту-144 выполнял только 2 рейса: Москва — Алма-Ата и обратно. Стоимость таких перелетов была в 1,5 раза выше, чем на обычном самолете. Количество пассажиров не должно было превышать 80 человек. На самолеты возлагали большие надежды, но в силу технических ограничений они не смогли их оправдать. Всего через 7 месяцев после начала эксплуатации Ту-144 прекратил свою работу. Ключевым поводом для этого стала авиакатастрофа опытного экземпляра Ту-144Д: на борту начался пожар, летчики-испытатели посадили самолет на поле неподалеку от Егорьевска и эвакуировались. Тем не менее в катастрофе погибли два члена экипажа, а самолет был уничтожен.
Еще одной причиной отказа от пассажирской эксплуатации можно считать нерентабельность. Доходы от продажи билетов не покрывали даже эксплуатационные расходы, обусловленные высоким расходом и сложным техническим обслуживанием этих самолетов. Значительное повышение стоимости билетов в СССР в силу экономического положения населения не имело перспективы. Дальность полета не более 5000 км у усложняла, особенно при промежуточных посадках, возможности пассажирской эксплуатации как в СССР, так и за его пределами на длинных межконтинентальных маршрутах, где существенное сокращение времени полета — ключевой фактор при полетах на сверхзвуковой скорости.
Кроме звукового удара, которым сопровождались взлеты сверхзвуковых самолетов, есть и другие сложности, например, измененная аэродинамика: при достижении воздушным судном скорости звука меняется аэродинамика обтекания, из-за чего резко возрастает аэродинамическое сопротивление, растет нагрев конструкции от трения набегающего на большой скорости воздушного потока, смещается аэродинамический фокус — это ведет к утрате устойчивости и управляемости самолета.
Достижение скорости звука и стабильный полет на около- и сверхзвуковых скоростях требуют новых конструкторских разработок.
Авиационным специалистам приходится искать компромисс между увеличением скорости и сохранением адекватных взлетно-посадочных характеристик. Нужны изменения геометрии в полете, которые при этом не повлекут за собой ухудшение качества полета на малых скоростях, и наоборот.
Высокий расход топлива также предрек судьбу сверхзвуковой авиации. Появление этих самолетов совпало с нефтяным кризисом 1973 года — цены на авиационное топливо выросли в несколько раз, а уже на тот момент тот же «Конкорд» расходовал в разы больше топлива, чем его дозвуковые аналоги.
При этом в связи с общим ростом благосостояния в начале 70-х «Конкорды» стали популярны у среднего класса, что повлекло за собой снижение цен вместо сокращения времени полетов, которого так желали более обеспеченные бизнесмены.
Долгий процесс разработки «Конкордов», новизна технологии сделали бюджет совместного англо-французского проекта почти непредсказуемым, и он вышел сильно за рамки, изначально предполагаемого финансирования.
Когда мы снова полетим на сверхзвуковых лайнерах?
Идея о пассажирских сверхзвуковых полетах, конечно, не была забыта. Уже несколько лет предпринимаются попытки и демонстрируются новые прототипы самолетов, которые могли бы перевозить пассажиров на небывалых скоростях.
Центральный аэрогидродинамический институт в 2017 году представил модель сверхзвукового бизнес-джета, развивающего скорость 2100 км/ч.
Из 4 миллиардов авиапассажиров в 2017 году более 650 миллионов летали на расстояния от 3200 до 11 300 км, включая 72 миллиона пассажиров в бизнес- и первом классах. По подсчетам количество таких пассажиров достигнет 128 миллионов к 2025 году, что является достаточно объемным потенциальным рынком для сверхзвуковых перелетов.
Одним из самых перспективных проектов на данный момент можно считать Overture американской компании Boom Supersonic. Авиалайнер будет рассчитан на 65-88 пассажиров. Он будет летать со скоростью до 2100 км/ч на высоте свыше 18 км. В нем планируют использовать биотопливо. Предполагается, что первый полет состоится в 2026 году, а перевозки пассажиров начнутся в 2029 году.
Пока компания готовится провести первые испытания небольшого прототипа XB-1, одна из крупнейших мировых авиакомпаний United Airlines объявила о том, что готова купить 15 авиалайнеров Overture, как только они будут готовы и будут соответствовать всем стандартам безопасности. Кроме того, United Airlines готова будет расширить заказ до 50 самолетов.