Московский авиационный институт провел уже вторую Международную научно–техническую конференцию «Скоростной транспорт будущего: перспективы, проблемы, решения» (HSTD–2023).
Главная цель, которую ставили перед собой участники конференции из более двадцати научных организаций, – формирование базы фундаментальных знаний, которые необходимы для разработки ключевых технологий создания новых видов высокоскоростного транспорта, включая сверхзвуковые пассажирские самолеты нового поколения. Сложность поставленной цели определила характер работы, которая велась в восьми секциях.
Среди них: «Акустика. Шум. Вибрации. Моделирование процессов», «Силовая установка, системы и оборудование», «Конструкция. Прочность. Перспективные материалы», «Транспортные системы. Жизненный цикл», «Надежность. Отказобезопасность. Техническое обслуживание и ремонт» и другие.
Специальная сессия была посвящена вопросам развития сверхзвуковой пассажирской авиации. На этой теме хотелось бы остановиться подробнее.
Как известно, современные пассажирские самолеты летают со скоростью не больше 900 км/ч (самые ходовые модели – в районе 800 км/ч). Сверхзвуковой самолет развивает больше 2 тыс. км/ч. Гиперзвуковой – должен развивать не меньше 6 тыс. км/ч.
С середины 50–х годов прошлого века и практически до настоящего времени в массовом сегменте самолеты принципиально проектируют как дозвуковые.
Причиной стало то, что два известных проекта полетов самолетов (англо–французский «Конкорд» и советский Ту–144) со скоростью выше звука не состоялись по экономическим причинам.
Достижение более высокой скорости ведет к резкому
росту расходов, прежде всего на топливо, что делало перевозки нерентабельными.
При разнице скорости между «Боингом» и «Конкордом» в 2,2 раза, затраты на топливо увеличиваются в 5 раз в расчете на одного пассажира и 100 км пути. Следовательно, приходилось делать дорогими билеты.
Даже в СССР, где сверхзвуковой лайнер был вопросом престижа, цену пришлось повысить.
Ту–144 совершал рейс Москва – Алма–Ата. За билет приходилось платить 83 руб. 70 коп. На обычном самолете он стоил 60 руб. Разница была существенной – деньги были другими! Тем более что при затратах времени на дорогу в аэропорт и из него экономия на сверхзвуковом перелете оказывалась уже не такой заметной.
При этом стоимость купленных билетов даже близко не окупала затраты на эксплуатацию Ту–144. Совершив 55 рейсов, советский лайнер завершил свою историю.
Разница в затратах времени имела значение только на сверхдальних рейсах. Например, «Конкорд», преодолевающий океан за 3 часа, выигрывал у «Боинга» с 8 часами. Но цена до 10 тыс. долл. существенно ограничивала число возможных пассажиров.
К тому же затраты на разработку таких сверхзвуковых моделей оказывались по–настоящему гигантскими. Европейцам пришлось потратить на изобретение «Конкорда» 1,134 млрд фунтов стерлингов, что сегодня было бы равно 17 млрд долл. и 654 млн фунтов на создание всего 16 самолетов. Эти расходы не окупились.
Опытным путем производители установили, что коридор в 900–950 км/ч представлял собой лучший баланс скорости, затрат на перевозку и, соответственно, цены билетов.
Развитие современных технологий (подчеркну – именно технологий) позволяет создать особые модели, скоростные характеристики которых в 2,5–3 раза превышают показатели, демонстрируемые обычными лайнерами. Таким образом, максимальный разгон подобных аппаратов составляет около 2500 км/ч, что видится куда более выгодным и эффективным решением для различных практических задач. Тем не менее от массового выпуска воздушных судов данной категории в пассажирском сегменте отказываются – и на это есть сразу несколько причин.
Прежде всего, безопасность. Для самолетов, способных преодолевать звуковой барьер, требуется максимально обтекаемый корпус, что противоречит стандартам, установленным для современных авиалайнеров. Добиться оптимального сочетания конфигурации и комфорта для пассажиров непросто, а несоблюдение базовых требований может обернуться деформацией и разгерметизацией фюзеляжа на предельных скоростях.
Необходима дополнительная подготовка аэропортов. Крупногабаритные агрегаты нуждаются в особых условиях посадки, требуя большей протяженности взлетно–посадочных полос. Выделить дополнительную площадь на ограниченном пространстве не всегда возможно в периметре действующего аэропорта.
Теперь что касается периодичности планового обслуживания. Эксплуатация сложного аппарата, подвергающегося повышенным нагрузкам при работе на сверхзвуковой скорости, подразумевает необходимость проведения технического осмотра после каждого рейса. Как следствие, для перевозчиков подобный актив, нуждающийся в постоянном техническом мониторинге, в конечном итоге оказывается нерентабельным.
Но наука и техника не стоят на месте: разрабатываются новые материалы и технологии, прежде всего цифровые. Общество предъявляет более высокие требования к средствам передвижения: если нельзя сжать пространство, то необходимо уменьшить время на его преодоление. И в России, как и во всем мире, занимаются созданием сверхзвукового гражданского лайнера уже на новом уровне. У нас хотят построить его к 2040 году.
Создание сверхзвукового гражданского самолета (СГС) – это одно из перспективных наукоемких направлений развития гражданской авиационной техники. Оно открывает людям новые возможности. Обеспечение крейсерской сверхзвуковой скорости позволяет совершать однодневные полеты на расстояние до 7000–8000 км, что может существенно повысить эффективность решения государственных и бизнес–задач.
Это особенно актуально для России с ее расстояниями. Для повышения транспортной доступности в нашей стране требуется сократить время полета на дальность 8000 км до четырех–пяти часов.
В отличие от СГС первого поколения (советский Ту–144 и англо–французский «Конкорд») сейчас определяющим фактором является минимизация вредного воздействия на окружающую среду. А именно снижение до приемлемых уровней звукового удара при полете со сверхзвуковой крейсерской скоростью и шума на местности в районе аэропорта на взлетно–посадочных режимах.
Звуковой удар – это скачкообразное повышение давления в момент прихода на поверхность земли ударной волны, которую возбуждает летящий на сверхзвуковой скорости самолет. Проведенные ранее исследования показывают, что предельно допустимой величиной перепада избыточного давления в приходящей на землю волне (без учета отражения) является величина 40–45 паскалей. Звуковой удар большей интенсивности приводит к осыпанию штукатурки, дребезжанию стекол, негативно воздействует на физиологические функции человека.
В условиях реальной атмосферы значение интенсивности звукового удара подвержено случайным отклонениям от номинала. На определенных стадиях полета самолет проходит через неустановившиеся режимы (разгон и набор высоты, развороты), где неизбежны аномально высокие уровни удара (фокусировка), намного превышающие значения для установившегося полета в относительно спокойной атмосфере. Примерно в одном из тысячи полетов вероятно двукратное превышение номинального уровня, а в одном из ста – удар превысит номинал на 20%.
Человеком звуковой удар воспринимается как двойной хлопок.
Проблемы для разработчиков СГС связаны с тем, что до сих пор нет утвержденных ИКАО норм на допустимый уровень звукового удара. Нормы активно обсуждаются на различных площадках, но не могут быть сформированы без наличия фактического материала по характеристикам в реальной атмосфере.
Такие данные могут быть получены только в ходе летных испытаний специализированных демонстраторов технологий СГС, реализующих принципы формирования аэродинамических компоновок с низким звуковым ударом .Для этого необходимо планомерное развитие технологий до высокого уровня готовности, включая создание и испытания близких к натурным демонстраторам технологий. После подтверждения эффективности и реализуемости интегрированного комплекса технологий на таких демонстраторах и валидации расчетных методов проектирования возможна разработка первых нормативных документов. В дальнейшем разработка серийных самолетов тоже должна быть поэтапной.
Впоследствии, по мере накопления технологического и эксплуатационного опыта, возможен переход к созданию магистральных сверхзвуковых пассажирских самолетов на 30–50 пассажиров и более.
– При создании СГС необходимо обеспечить рациональный компромисс между приемлемыми экологическими (звуковой удар, шум в районе аэропорта), конкурентоспособными летно–техническими (скорость, дальность, условия базирования) и экономическими характеристиками компоновочных решений. В научных организациях ведутся поисковые и прикладные исследования в целях создания СГС нового поколения. Такие работы идут и под эгидой НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского», который управляет отечественной прикладной наукой в области
авиастроения.
– Уже проведен большой объем расчетных и экспериментальных исследований как полных моделей аэродинамических компоновок, обеспечивающих снижение звукового удара при обеспечении высокого уровня аэродинамических характеристик, так и тематических моделей элементов планера и силовой установки СГС.
Выполнен ряд расчетно–экспериментальных исследований перспективных металло–композитных конструкций, обеспечивающих высокую весовую эффективность и требуемую жесткость конструкции планера.
Полученный научно–технический задел позволяет перейти к созданию крупноразмерного летного демонстратора комплекса технологий СГС для достижения более высоких уровней готовности технологий.
Создание и летные исследования демонстратора комплексных технологий СГС «Стриж» позволят существенно снизить технические риски создания самолета нового поколения. А также на равных участвовать в разработке международных норм на допустимый уровень звукового удара и шума в районе аэропорта в рамках ИКАО.
О потенциальной потребности России в сверхзвуковых самолетах с определенностью говорить пока сложно. Так, необходимое количество СГС для регулярных пассажирских перевозок внутри Российской Федерации не очень велико, так как стоимость таких перелетов будет сравнима с ценой билетов бизнес–класса. При этом основное преимущество во времени проявляется на маршрутах протяженностью более 5000 км, то есть из европейской части России на Дальний Восток.
Но уже есть подтвержденный запрос на СГС со стороны государственной и бизнесавиации, где актуальность однодневной поездки на дальние расстояния велика.
Текущая ситуация с ограниченным количеством международных перелетов из–за санкций тоже накладывает определенные сложности на развитие сверхзвуковой гражданской авиации. При отмене ограничений и выходе на международные рынки, с учетом удовлетворения ожидаемым экологическим нормам для СГС, потребное количество таких самолетов, по мнению экспертов, оценивается в 500–1000 единиц.
Известный скепсис в отношении развития сверхзвуковой гражданской авиации и в обществе, и среди специалистов, конечно, есть. Может быть, стоило больше усилий и, главное, средств направить на выпуск обычных воздушных судов, на обустройство малых аэропортов и т. д. Проблем у пассажирской авиации много… Но надо понимать, что сверхзвуковая гражданская авиация – это наш завтрашний день, фундамент для которого закладывается сегодня.
Ирина ПОЛЯКОВА, обозреватель «ТР», кандидат экономических наук.
На снимке: Ту–144
