Авиация россии. Сверхзвуковой самолет: история развития Новый двигатель – вариант решения проблемы

Сверхзвуковая скорость – это скорость, при которой объект движется быстрее звука. Скорость при полете сверхзвукового самолета измеряется в Махах – скорость самолета в определенной точке пространства относительно скорости звука в этой же точке. Сейчас подобными скоростями передвижения удивить довольно сложно, а еще каких-то 80 лет назад об этом только мечтали.

С чего все началось

В сороковых годах ХХ века во время Второй Мировой Войны над решением этого вопроса активно работали немецкие конструкторы, надеясь с помощью подобных летательных аппаратов переломить ход войны. Как мы знаем, у них этого не получилось, война закончилась. Однако в 1945 г., ближе к ее завершению, немецкий пилот Л. Гофман, испытывая первый в мире реактивный истребитель Me-262, на высоте 7200 м смог развить скорость около 980 км/ч.

Первым, кто воплотил мечту всех летчиков о преодолении сверхзвукового барьера, стал американский пилот-испытатель Чак Йегер. В 1947 году этот пилот первым в истории сумел преодолеть скорость звука на пилотируемом аппарате. Он управлял прототипным летательным аппаратом Bell X-1 с ракетным двигателем. Кстати, захваченные во время войны немецкие ученые и их разработки, довольно сильно способствовали появлению этого аппарата, как и, собственно, всему дальнейшему развитию летных технологий.

В Советском Союзе достигли скорости звука 26 декабря 1948 г. Это был экспериментальный самолет ЛА-176, на высоте полета 9060 м, который пилотировали И.Е. Федоров и О.В. Соколовский. Примерно через месяц на данном самолете, но уже с более совершенным двигателем, была не только достигнута, но и превышена скорость звука на 7000 м. Проект ЛА-176 был весьма перспективным, но из-за трагической гибели О.В. Соколовского, управлявшего этим аппаратом, разработки были закрыты.

В дальнейшем развитие данной отрасли несколько замедлилось, так как возникло значительное количество физических сложностей, связанных с управлением летательным аппаратом на сверхзвуковых скоростях. На высоких скоростях начинает проявляться такое свойство воздуха, как сжимаемость, аэродинамическая обтекаемость становится совершенно иной. Появляется волновое сопротивление, и такое неприятное для любого летчика явление, как флаттер – самолет начинает сильно нагреваться.

Столкнувшись с этими проблемами, конструкторы начали искать кардинальное решение, способное преодолеть сложности. Таким решением оказался полный пересмотр конструкции летательных аппаратов, предназначенных для сверхзвуковых полетов. Те обтекаемые формы авиалайнеров, которые мы сейчас наблюдаем, – результат многолетних научных изысканий.

Дальнейшее развитие

На тот момент, когда только окончилась Вторая Мировая, и началась корейская и вьетнамская войны, развитие отрасли могло происходить только через военные технологии. Именно поэтому первыми серийными самолетами, способными летать быстрее скорости звука, стали Советский Миг-19 (NATO Farmer) и американский F-100 Super Sabre. Рекорд скорости был за американским самолетом – 1215 км/ч (установлен 29 октября 1953 г.), но уже в конце 1954 г. Миг-19 смогли разогнать до 1450 км/ч.

Интересный факт. Хоть СССР и Соединенные Штаты Америки не вели официальных боевых действий, но реальные многократные боестолкновения во время Корейской и Вьетнамской войн, показали неоспоримое преимущество Советской техники. К примеру, наши Миг-19 были значительно легче, обладали двигателями с лучшими динамическими характеристиками и, как следствие, с более быстрой скороподъемностью. Радиус возможного боевого применения самолета был на 200 км больше у Миг-19. Именно поэтому американцы очень хотели заполучить неповрежденный образец и даже объявили награду за выполнение такой задачи. И она была реализована.

Уже после окончания Корейской войны 1 самолет Миг-19 был угнан с авиабазы офицером ВВС Кореи Но Гым Соком. За что американцы выплатили ему положенные 100000 долларов в качестве награды, за доставку неповрежденного самолета.

Интересный факт. Первой женщиной-пилотом, достигшим скорости звука, является американка Жаклин Кохран. Она достигла скорости 1270 км/ч, пилотируя самолет F-86 Sabre.

Развитие гражданской авиации

В 60х годах прошлого века после появления опробованных во время войн технических наработок, авиация начала бурно развиваться. Нашлись решения для существующих проблем сверхзвуковых скоростей, и тогда началось создание первых сверхзвуковых пассажирских самолетов.

Первый в истории полет гражданского авиалайнера со скоростью, превышающей скорость звука, произошел 21 августа 1961 г. на самолете Douglas DC-8. На момент полета на самолете не было пассажиров, кроме пилотов, был размещен балласт для соответствия полной загрузки лайнера в данных экспериментальных условиях. Была достигнута скорость 1262 км/ч при спуске с высоты 15877 м до 12300 м.

Интересный факт. Boeing 747 SP-09 Китайских авиалиний (China Airlines) 19 февраля 1985 г., совершая перелет из тайваньского Тайпея в Лос-Анжелес, вошел в неуправляемое пике. Причиной тому послужили неисправности двигателя и последующие неквалифицированные действия персонала. Во время пикирования с высоты 12500 м до 2900 м, где экипаж и смог стабилизировать самолет, была превышена скорость звука. При этом не рассчитанный на подобные перегрузки лайнер получил серьезные повреждения хвостовой части. Однако при всем этом, серьезно пострадали всего 2 человека на борту. Самолет сел в Сан-Франциско, был отремонтирован и в дальнейшем снова осуществлял пассажирские перелеты.

Однако действительно настоящих сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС), способных осуществлять регулярные перелеты со скоростями выше скорости звука, было сконструировано и построено все два типа:

• Советский авиалайнер Ту-144;
• Англо-французский самолет Aérospatiale-BAC Concorde.

Только эти два летательных аппарата были в состоянии поддерживать крейсерскую сверхзвуковую скорость (англ. supercruise). На тот момент они превосходили даже большинство боевых самолетов, конструкция этих лайнеров была уникальна для своего времени. Существовало всего несколько типов самолетов, способных летать в режиме суперкруиза, на сегодняшний день большинство современных военных машин оснащены такими возможностями.

Авиация СССР

Советский Ту-144 был построен несколько раньше европейского аналога, поэтому можно считать его первым в мире пассажирским сверхзвуковым лайнером. Внешний вид этих самолетов, как Ту-144, так и Конкорда, и сейчас не оставит равнодушным ни одного человека. Вряд ли в истории авиастроения были более красивые машины.

У Ту-144 привлекательные характеристики, за исключением дальности практического применения: выше крейсерская и меньше посадочная скорости, более высокий потолок полета, но и история нашего лайнера значительно трагичнее.

Важно! Ту-144 не только первый летающий, но и первый разбившийся пассажирский сверхзвуковой лайнер. Катастрофа на авиасалоне в Ле-Бурже 3 июня 1973 г., в которой погибло 14 человек, стала первым шагом к завершению полетов Ту-144. Однозначные причины так и не были установлены, а итоговая версия катастрофы вызывает множество вопросов.

Вторая катастрофа под Егорьевском в Московской области 23 мая 1978 г., где в полете произошло возгорание, и при посадке погибли 2 члена экипажа, стала окончательной точкой в решении о прекращении эксплуатации этих самолетов. Несмотря на то, что после анализа было установлено, что возгорание произошло в результате наличия недоработки в топливной системе нового, тестируемого двигателя, а сам самолет показал прекрасную управляемость и надежность конструкции, когда горящий смог произвести посадку, машины сняли с рейсов и вывели из коммерческой эксплуатации.

Как вышло за рубежом

Европейский Конкорд, в свою очередь, отлетал гораздо дольше с 1976 г. по 2003 г. Однако из-за нерентабельности (самолет так и не смогли вывести на минимальную окупаемость), эксплуатацию также в итоге свернули. Во многом это произошло из-за авиакатастрофы в Париже 25 июля 2000 г.: при взлете из аэропорта Шарль Де Голль загорелся двигатель, и самолет рухнул на землю (погибло 113 человек, в том числе 4 на земле), а также террористическим атакам 11 сентября 2001 г. Несмотря на то, что это была единственная катастрофа самолета за 37 лет эксплуатации, а теракты не имели непосредственного отношения к Конкорду, общее снижение потока пассажиров уменьшило и без того отсутствующую рентабельность полетов и привело к тому, что последний рейс данный самолет совершил по маршруту Хитроу – Филтон 26 ноября 2003 г.

Интересный факт. Билет на рейс Конкорда в 70е годы стоил не меньше 1500 долларов в один конец, ближе к концу девяностых цена выросла до 4000 долларов. Билет за место на последнем рейсе этого лайнера стоил уже 10000 долларов.

Сверхзвуковая авиация на данный момент

На сегодняшний день решений, подобным Ту-144 и Конкорд, не предвидится. Но, если вы тот человек, которому неважна стоимость билетов, – есть ряд наработок в сфере бизнес перелетов и маломестных воздушных средств.

Наиболее перспективная разработка – самолет XB-1 Baby Boom американской компании Boom technology из Колорадо. Это маленький самолет, длиной около 20 м и размахом крыльев в 5,2 м. Он оборудован 3мя двигателями, разработанными в пятидесятых годах для крылатых ракет.

Вместительность планируется сделать около 45 человек, при дальности перелета 1800 км на скорости до 2х махов. На данный момент это пока разработка, но первый полет прототипа планируется произвести уже в 2018 г., а сам самолет должен пройти сертификацию к 2023му году. Создатели планируют использовать разработку как в качестве бизнес-джета для частных перевозок, так и на регулярных рейсах малой вместительности. Планируемая стоимость для перелета на данной машине будет составлять около 5000 долларов, что достаточно много, но при этом сопоставимо со стоимостью перелета в бизнес классе.

Однако если смотреть на всю отрасль гражданских авиаперевозок в целом, то с сегодняшним уровнем развития технологий, выглядит все не очень перспективно. Крупные компании больше озабочены получением выгоды и рентабельностью проектов, чем новыми разработками в области сверхзвуковых полетов. Причина в том, что за всю историю авиации не было в достаточной степени успешных реализаций задач подобного рода, сколько ни пробовали достичь целей, все они в той или иной степени провалились.

В целом те конструкторы, которые занимаются текущими проектами, – это скорее энтузиасты, с оптимизмом смотрящие в будущее, которые, конечно, рассчитывают получать прибыли, но достаточно реалистично смотрят на итоги, да и большая часть проектов пока существует только на бумаге, и аналитики достаточно скептично смотрят на возможность их реализации.

Один из немногих действительно крупных проектов – это запатентованный в прошлом году компанией Airbus сверхзвуковой самолет Concorde-2. Конструктивно он будет представлять собой летательный аппарат с тремя типами двигателей:

• Турбовентиляторные реактивные двигатели. Будут устанавливаться в передней части самолета;
• Гиперзвуковые воздушно-реактивные двигатели. Будут монтироваться под крыльями лайнера;
• Ракетные двигатели. Установлены в хвостовой части фюзеляжа.

Эта конструктивная особенность предполагает работу различных двигателей на определенных этапах полета (взлет, посадка, движение на крейсерской скорости).

Учитывая одну из основных проблем гражданских авиаперевозок – шум (стандарты организации воздушного движения в большинстве стран выставляют ограничение на уровень шума, если аэропорт расположен близко к жилым зонам, это накладывает ограничения на возможность ночных полетов), компания Airbus для проекта Concorde-2 разработала специальную технологию, позволяющую производить вертикальный взлет. Это позволит практически избежать попадания ударных волн на поверхность земли, что в свою очередь, обеспечит отсутствие дискомфорта для людей внизу. Также благодаря подобной конструкции и технологии полет авиалайнера будет проходить на высоте около 30-35000 м (на данный момент гражданская авиация летает максимум на 12000 м), что будет способствовать снижению шума не только при взлете, но и на протяжении всего полета, так как с такой высоты ударные звуковые волны не смогут достичь поверхности.

Будущее сверхзвуковых полетов

Не все так печально, как может показаться на первый взгляд. Кроме гражданской авиации существует и всегда будет существовать военная отрасль. Боевые потребности государства как раньше двигали развитие авиации, так и продолжат это делать. Армии всех государств нуждаются во все более совершенных летательных аппаратах. Из года в год эта потребность только возрастает, что влечет за собой создание новых конструкторских и технологических решений.

Рано или поздно развитие выйдет на такой уровень, когда использование военных технологий, возможно, станет рентабельным и в мирных целях.

Видео

Скорость звуковой волны величина не постоянная даже при условии, что рассматриваемая среда распространения звука является воздухом. Скорость звука при фиксированной температуре воздуха и атмосферного давления изменяется с ростом высоты над уровнем моря.

По мере увеличения высоты над уровнем моря скорость звука уменьшается. Условной точкой отсчета величины является нулевой уровень моря. Итак, скорость с которой звуковая волна стелится по водной глади равняется 340.29 м/с при условии температуры окружающего воздуха в 15 0 С и атмосферного давления 760 мм. рт.ст. Итак, самолеты летающие со скоростью выше, чем скорость звука, называют сверхзвуковыми.

Первые достижение сверхзвуковой скорости

Сверхзвуковыми самолетами называют летательные аппараты исходя из их физической способности передвигаться со скоростью выше чем звуковые волны. В привычных для нас километрах в час этот показатель грубо равен 1200 км/ч.

Еще самолеты времен Второй мировой войны с поршневыми ДВС и создающими воздушный поток пропеллерами при пикировании уже достигали отметки скорости в 1000 км/ч. Правда по рассказам пилотов, в эти моменты самолет начинало жутко трясти вследствие сильной вибрации. Ощущение было такое, что крылья могут попросту оторваться от фюзеляжной части самолета.

Впоследствии при создании сверхзвуковых самолетов инженеры-проектировщики учитывали влияние воздушных потоков на конструкцию самолетов при достижении скорости звука.

Преодоление сверхзвукового барьера самолетом

Когда самолет передвигается среди воздушных масс он буквально рассекает воздух во все стороны, создавая шумовой эффект и расходящиеся во все направления волны воздушного давления. При достижении летательного аппарата скорости звука возникает момент, когда звуковая волна не способна обогнать самолет. Из-за этого перед фронтальной частью самолета возникает ударная волна в виде плотного барьера из воздуха.

Возникший впереди самолета слой воздуха в момент достижения летательным аппаратом скорости звука создает резкий рост сопротивления, что и служит источником изменения характеристик устойчивости самолета.

Когда самолет летит, звуковые волны распространяются от него во все стороны со скоростью звука. Когда самолет достигает скорости М=1, то есть скорости звук, звуковые волны скапливаются перед ним и образуют слой уплотненного воздуха. При скоростях выше скорости звука эти волны образуют ударную волну, которая достигает земли. Ударная волна воспринимается как звуковой удар, акустически воспринимаемый человеческим ухом внизу на земной поверхности как глухой взрыв.

Этот эффект можно постоянно наблюдать при проведении учений сверхзвуковых самолетов гражданским населением в районе полетов.

Еще одним интересным физическим явлением при полете сверхзвуковых самолетов — это визуальное опережение летательных аппаратов их собственного звука. Звук наблюдается с некоторым опозданием за хвостом самолета.

Число Маха в авиации

Теорию с подтверждающим экспериментальным процессом образования ударных волн был продемонстрировал еще задолго до первого полета сверхзвукового самолета австрийский физик Эрнст Мах (1838 — 1916). Величину, выражающую отношение скорости летательного аппарата к скорости звуковой волны называют сегодня в честь ученого - Махом.

Как мы уже оговорились в водной части, на скорость звука в воздушной среде влияют такие метеорологические условия как давление, влажность и температура воздуха. Температура в зависимости от высоты полета самолета меняется от +50 на поверхностях Земли до -50 в слоях стратосферы. Поэтому на разных высотах для достижения сверхзвуковых скоростей обязательно учитываются местные метеоусловия.

Для сравнения над нулевой отметкой уровня моря скорость звука составляет 1240 км/ч, тогда как на высоте более 13 тыс. км. эта скорость снижается до 1060 км/ч.

Если принять соотношение скорости летательного аппарата к скорости звукова за М, то при значении М>1, это будет всегда сверхсвуковая скорость.

Самолеты с дозвуковой скоростью имеют значение М = 0.8. Вилка значений Маха от 0,8 до 1,2 задают околозвуковую скорость. А вот гиперзвуковые летательные аппараты имеют число Маха более 5. Из известных военных российских сверхзвуковых самолетов можно выделить СУ-27 — истребитель перехватчик, Ту-22М — бомбардировщик ракетоносец. Из американских известен SR-71 — самолет разведчик. Первым сверхзвуковым самолетом в рамках серийного производства стал американский истребитель F-100 в 1953 году.

Модель космического челнока во время испытаний в сверхзвуковой аэродинамической трубе. Специальная методика теневой фотографии позволила запечатлеть, где возникают ударные волны.

Первый сверхзвуковой самолет

За 30 лет с 1940 по 1970 скорость самолетов выросла в несколько раз. Первый перелет с околозвуковой скоростью был совершен 14 октября 1947 года на американском самолете Bell XS-1 в штате Калифорния над авиабазой.

Пилотировал реактивный самолет Bell XS-1 капитан американских ВВС Чак Йиге. Ему удалось разогнать аппарат до скорости 1066 км/ч. В ходе данного испытания был получен существенный срез данных для дальнейшего толчка в развитии сверхзвуковых самолетов.

Конструкция крыльев сверхзвуковых самолетов

Подъемная сила и лобовое сопротивление со скоростью увеличиваются, поэтому крылья становятся меньше, тоньше и приобретали стреловидную форму, улучшая обтекаемость.

У самолетов, приспособленных к сверхзвуковым полетам крылья в отличии от обычных дозвуковых самолетов вытягивались под острым углом назад, напоминая наконечник стрелы. Внешне крылья образовывали треугольник в единой плоскости с его остроугольной вершиной в передней части самолета. Треугольная геометрия крыла позволяла управлять самолетом предсказуемо в момент перехода звукового барьера и как следствие избежать вибраций.

Существуют модели, в которых применялись крылья с изменяемой геометрией. В момент взлета и посадки угол крыла относительно самолета равнялся 90 градусам, то есть перпендикулярен. Это необходимо для создания максимальной подъемной силы в момент взлета и посадки, то есть в тот момент когда скорость снижается и подъемная сила при остром угле при неизменной геометрии достигает своего критического минимума. С ростом скорости геометрия крыла изменяется до максимально острого угла у основания треугольника.

Самолеты-рекордсмены

В ходе гонки за рекордными скоростями в небе самолетом Bell-X15, на борту которого был установлен ракетный двигатель, была достигнута рекордная скорость 6,72 или 7200 км/ч в 1967 году. Этот рекорд не могли побить спустя долгое время.

И только в 2004 году беспилотный гиперзвуковой летательный аппарат NASA X-43, который разрабатывался для полета с гиперзвуковой скоростью, удалось в рамках его третьего полета разогнать до рекордных 11 850 км/ч.

Первые два полета закончились неудачно. На сегодняшний день эта самая высокая цифра скорости самолета.

Испытания сверхзвукового автомобиля

На этом реактивном сверхзвуковом автомобиле Thrust SSC установлены 2 авиационных двигателя. В 1997 году он стал первым наземным транспортным средством, преодолевшим звуковой барьер. Как и при сверхзвуковом полете, перед автомобилем возникает ударная волна.

Приближение автомобиля беззвучно, потому, что весь создаваемый шум сосредоточен в идущей за ним ударной волне.

Сверхзвуковые самолеты в гражданской авиации

Что касается гражданских сверхзвуковых самолетов, то всего известны 2 серийных самолета, выполняющих регулярные рейсы: советский ТУ-144 и французский Concorde. ТУ-144 осуществил свой дебютный вылет в 1968 году. Данные аппараты были предназначены для дальних трансатлантических перелетов. Время перелета были значительно сокращены в сравнении с дозвуковыми аппаратами за счет увеличения высоты перелета до 18 км, где самолет использовал незагруженный воздушный коридор и миновал облачную загрузку.

Первый гражданский сверхзвуковой самолет СССР ТУ-144 завершил свои полеты в 1978 году по причине их нерентабельности. Окончательную точку в решении об отказе эксплуатировать в регулярных рейсах было принято из-за катастрофы опытного экземпляра ТУ-144Д во время его испытания. Хотя стоит отметить, что за рамками гражданской авиации самолет ТУ-144 продолжали эксплуатировать для срочной почтовой и грузовой доставки с Москвы в Хабаровск вплоть до 1991 года.

Тем временем несмотря на дорогие билеты, французский сверхзвуковой самолет «Конкорд» продолжал оказывать услуги аваиарейсов для своих европейских клиентов до 2003 года. Но в конце концов, несмотря на более богатый социальный слой европейских жителей, вопрос нерентабельности был все равно неминуем.

6-го февраля в 1950-м во время очередного испытания советский реактивный истребитель МиГ-17 в горизонтальном полете превысил скорость звука, разогнавшись почти до 1070-и км/ч. Это превратило его в первый сверхзвуковой самолет серийного производства. Разработчики Микоян и Гуревич явно гордились своим детищем.

Для боевых полетов МиГ-17 считался околозвучным, так как его крейсерская скорость не превышала 861 км/ч. Но это не помешало истребителю стать одним из самых распространенных в мире. В разное время он состоял на вооружении Германии, Китая, Кореи, Польши, Пакистана и десятков других стран. Этот монстр принял участие даже в боевых действиях во Вьетнамской войне.

МиГ-17 - далеко не единственный представитель жанра сверхзвуковых самолетов. Мы расскажем еще о десятке воздушных лайнеров, которые тоже опередили звуковую волну и стали известными во всем мире.

Bell X-1

ВВС США специально оснастили Bell X-1 ракетным двигателем, так как хотели с его помощью изучить проблемы сверхзвукового полёта. 14-го октября в 1947 аппарат разогнался до 1541 км/ч (число Маха 1.26), преодолел заданный барьер и превратился в звезду поднебесья. Сегодня модель-рекордсменка покоится в Смитсоновском музее в Штатах.

Источник: NASA

North American X-15

North American X-15 тоже оснащен ракетными двигателями. Но, в отличие от своего американского коллеги Bell X-1, этот самолет достиг скорости 6167 км/ч (число Маха 5,58), превратившись в первого и на 40 лет единственного в истории человечества (с 1959-го) пилотируемым гиперзвуковым летательным аппаратом, совершавшим суборбитальные пилотируемые космические полёты. С его помощью изучали даже реакцию атмосферы на вход в нее крылатых тел. Всего произведено три единицы ракетопланов типа Х-15.

Источник: NASA

Lockheed SR-71 Blackbird

Грех не применять сверхзвуковые самолеты в военных целях. Поэтому ВВС США спроектировали Lockheed SR-71 Blackbird - стратегический разведчик с максимальной скоростью 3700 км/ч (число Маха 3,5). Главные достоинства - быстрый разгон и высокая маневренность, позволившая ему уклоняться от ракет. Также SR-71 был первым самолётом, который оснастили технологиями снижения радиолокационной заметности.

Построено всего 32 единицы, 12 из которых разбились. В 1998-м снят с вооружения.

Источник: af.mil

МиГ-25

Не можем не вспомнить отечественный МиГ-25 - сверхзвуковой высотный истребитель-перехватчик 3-го поколения с максимальной скоростью 3000 км/ч (число Маха 2,83). Самолет был настолько крутым, что на него позарились даже японцы. Поэтому 6-го сентября в 1976-м советскому летчику Виктору Беленко пришлось угнать МиГ-25. После этого в течение многих лет во многих частях Союза самолеты начали заправлять не до конца. Цель - чтобы они не долетали до ближайшего иностранного аэропорта.

Источник: Алексей Бельтюков

МиГ-31

Советские ученые не прекращали трудиться на воздушное благо отечества. Поэтому в 1968-м началась проектировка МиГ-31. А 16-го сентября в 1975-м он впервые побывал в небе. Этот двухместный сверхзвуковой всепогодный истребитель-перехватчик дальнего радиуса действия разогнался до скорости 2500 км/ч (число Маха 2,35) и стал первым советским боевым самолётом четвёртого поколения.

МиГ-31 предназначен для перехвата и уничтожения воздушных целей на предельно малых, малых, средних и больших высотах, днём и ночью, в простых и сложных метеоусловиях, при активных и пассивных радиолокационных помехах, а также ложных тепловых целях. Четыре МиГ-31 могут контролировать воздушное пространство протяжённостью до 900 километров. Это не самолет, а гордость Союза, которая до сих пор состоит на вооружении России и Казахстана.

Источник: Виталий Кузьмин

Lockheed/Boeing F-22 Raptor

Самый дорогой сверхзвуковой самолет построили американцы. Они смоделировали многоцелевой истребитель пятого поколения, который стал самым дорогим среди коллег по цеху. Lockheed/Boeing F-22 Raptor на сегодняшний день является единственным состоящим на вооружении истребителем пятого поколения и первым серийным истребителем со сверхзвуковой крейсерской скоростью 1890 км/ч (1,78 Маха). Максимальная скорость 2570 км/ч (2,42 Маха). Его в воздухе до сих пор никто так и не превзошел.

Источник: af.mil

Су-100/Т-4

Су-100/Т-4 («сотка») разрабатывался в качестве истребителя авианосцев. Но инженерам ОКБ Сухого удалось не просто достигнуть поставленной цели, а смоделировать крутой ударно-разведывательный бомбардировщик-ракетоносец, который потом хотели применить даже в качестве пассажирского самолета и разгонщика для авиационно-космической системы Спираль. Максимальная скорость Т-4 - 3200 км/ч (3 Маха).

Ровно 15 лет назад три последних сверхзвуковых пассажирских самолета Concorde британской авиакомпании British Airways совершили прощальный полет. В тот день, 24 октября 2003 года, эти самолеты, пролетев на малой высоте над Лондоном, приземлились в «Хитроу» и тем завершили недолгую историю сверхзвуковой пассажирской авиации. Тем не менее, сегодня авиаконструкторы по всему миру вновь задумываются о возможности быстрых перелетов - из Парижа в Нью-Йорк за 3,5 часа, из Сиднея в Лос-Анджелес - за 6 часов, из Лондона в Токио - за 5 часов. Но прежде чем сверхзвуковые самолеты вернутся на международные пассажирские маршруты, разработчикам придется решить множество задач, среди которых одна из важнейших - уменьшение шумности быстрых летательных аппаратов.

Короткая история быстрых полетов

Пассажирская авиация начала формироваться в 1910-х годах, когда появились первые самолеты, специально спроектированные для перевозки людей по воздуху. Самым первым из них стал французский Bleriot XXIV Limousine компании Bleriot Aeronautique. Он использовался для увеселительных воздушных прогулок. Спустя два года в России появился С-21 «Гранд», созданный на базе тяжелого бомбардировщика «Русский витязь» Игоря Сикорского. Его построили на Русско-Балтийском вагонном заводе. Дальше авиация начала развиваться семимильными шагами: сперва начались перелеты между городами, потом между странами, а затем и между континентами. Самолеты позволяли добраться до места назначения быстрее, чем на поезде или корабле.

В 1950-х годах прогресс в разработке реактивных двигателей значительно ускорился, и для боевой авиации стали доступны, пусть и кратковременно, полеты на сверхзвуковой скорости. Сверхзвуковой скоростью принято называть движение до пяти раз быстрее скорости звука, которая меняется в зависимости от среды распространения и ее температуры. При нормальном атмосферном давлении на уровне моря звук распространяется со скоростью 331 метр в секунду, или 1191 километр в час. По мере набора высоты плотность и температура воздуха снижается, снижается и скорость звука. Например, на высоте 20 тысяч метров она составляет уже около 295 метров в секунду. Но уже на высоте около 25 тысяч метров и по мере ее набора до более чем 50 тысяч метров температура атмосферы начинает понемногу увеличиваться по сравнению с нижними слоями, а вместе с ней увеличивается и местная скорость звука.

Рост температуры на этих высотах объясняется, в том числе, высокой концентрацией в воздухе озона, образующего озоновый щит и поглощающего часть солнечной энергии. В результате скорость звука на высоте 30 тысяч метров над морем составляет около 318 метров в секунду, а на высоте 50 тысяч - почти 330 метров в секунду. В авиации для измерения скорости полета широко используется число Маха. Если говорить упрощенно, оно выражает местную скорость звука для конкретной высоты, плотности и температуры воздуха. Так, скорость условного полета, равная двум числам Маха, на уровне моря будет составлять 2383 километра в час, а на высоте 10 тысяч метров - 2157 километров в час. Впервые звуковой барьер на скорости 1,04 числа Маха (1066 километров в час) на высоте 12,2 тысячи метров преодолел американский летчик Чак Йегер в 1947 году. Это был важный шаг на пути освоения сверхзвуковых полетов.

В 1950-х годах авиаконструкторы в нескольких странах мира начали работать над проектами сверхзвуковых пассажирских самолетов. В итоге в 1970-х появились французский Concorde и советский Ту-144. Это были первые и пока еще единственные пассажирские сверхзвуковые самолеты в мире. Оба типа летательных аппаратов использовали обычные турбореактивные двигатели, оптимизированные для длительной работы в сверхзвуковом режиме полета. Ту-144 эксплуатировались до 1977 года. Самолеты летали на скорости в 2,3 тысячи километров в час и могли перевозить до 140 пассажиров. Однако билеты на их рейсы стоили в среднем в 2,5–3 раза дороже обычных. Низкий спрос на быстрые, но дорогостоящие перелеты, а также общие сложности в эксплуатации и обслуживании Ту-144 привели к тому, что их просто сняли с пассажирских рейсов. Однако самолеты еще какое-то время использовались в испытательных полетах, в том числе и по контракту с NASA.

Concorde прослужили заметно дольше - до 2003 года. Перелеты на французских лайнерах тоже стоили дорого и большой популярностью не пользовались, но Франция и Великобритания продолжали их эксплуатировать. Стоимость одного билета на такой перелет составляла, в пересчете на сегодняшние цены, около 20 тысяч долларов. Французский Concorde совершал полеты на скорости чуть более двух тысяч километров в час. Расстояние от Парижа до Нью-Йорка самолет мог покрыть за 3,5 часа. В зависимости от конфигурации Concorde могли перевозить от 92 до 120 человек.

История «Конкордов» закончилась неожиданно и быстро. В 2000 году произошла авиакатастрофа Concorde, в которой погибли 113 человек. Спустя год в пассажирских авиаперевозках начался кризис, вызванный терактами 11 сентября 2001 года (два угнанных террористами самолета с пассажирами врезались в башни Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, еще один, третий, - в здание Пентагона в округе Арлингтон, а четвертый упал в поле недалеко от Шенксвилла в Пеннсильвании). Затем истек срок гарантийного обслуживания самолетов Concorde, которым занималась компания Airbus. Все эти факторы вместе сделали эксплуатацию сверхзвуковых пассажирских самолетов крайне невыгодными, и летом-осенью 2003 года авиакомпании Air France и British Airways по очереди списали все «Конкорды».

После закрытия программы Concorde в 2003 году надежда на возвращение сверхзвуковой пассажирской авиации в строй еще оставалась. Конструкторы надеялись на новые экономичные двигатели, аэродинамические расчеты и системы автоматизированного проектирования, способные сделать перелеты на сверхзвуковой скорости экономически доступными. Но в 2006 и 2008 году Международная организация гражданской авиации приняла новые стандарты авиационного шума, запретившие, помимо прочего, любые сверхзвуковые полеты над населенными участками суши в мирное время. Этот запрет не распространяется на специально выделенные для военной авиации воздушные коридоры. Работы над проектами новых сверхзвуковых самолетов затормозились, но сегодня снова начали набирать обороты.

Тихий сверхзвук

Сегодня разработкой сверхзвуковых пассажирских самолетов занимаются несколько предприятий и правительственных организаций в мире. Такие проекты, в частности, ведут российские компании «Сухой» и «Туполев», Центральный аэрогидродинамический институт имени Жуковского, французская Dassault, Японское агентство аэрокосмических исследований, европейский концерн Airbus, американские Lockheed Martin и Boeing, а также несколько стартапов, включая Aerion и Boom Technologies. В целом конструкторы условно разделились на два лагеря. Представители первого из них считают, что разработать «тихий», соответствующий по шумности дозвуковым лайнерам, сверхзвуковой самолет в ближайшее время не удастся, а значит, нужно построить быстрый пассажирский летательный аппарат, который будет переходить на сверхзвук там, где это разрешено. Такой подход, полагают конструкторы из первого лагеря, все равно позволит сократить время перелета из одной точки в другую.

Конструкторы из второго лагеря преимущественно сосредоточились на борьбе с ударными волнами. В полете на сверхзвуковой скорости планер самолета образует множество ударных волн, наиболее значимые из которых возникают в носовой части и в зоне хвостового оперения. Кроме того, ударные волны обычно появляются на передней и задней кромках крыла, на передних кромках хвостового оперения, в зонах завихрителей потока и на кромках воздухозаборников. Ударная волна представляет собой область, в которой давление, плотность и температура среды испытывают резкий и сильный скачок. Наблюдателями на земле такие волны воспринимаются как громкий хлопок или даже взрыв - именно из-за этого сверхзвуковые полеты над населенной частью суши запрещены.

Эффект взрыва или очень громкого хлопка производят ударные волны так называемого N-типа, образующиеся при взрыве бомбы или на планере сверхзвукового истребителя. На графике роста давления и плотности такие волны напоминают букву N латинского алфавита из-за резкого повышения давления на фронте волны с резкими же падением давления после него и последующей нормализацией. В ходе лабораторных экспериментов исследователи Японского агентства аэрокосмических исследований выяснили, что изменение формы планера может сглаживать пики на графике ударной волны, превращая ее в волну S-типа. Такая волна имеет плавный и не столь значительный, как у N-волны, перепад давления. Специалисты NASA полагают, что S-волны будут восприниматься наблюдателями как далекий хлопок автомобильной дверью.

N-волна (красная) до аэродинамической оптимизации сверхзвукового планера и подобие S-волны после оптимизации

В 2015 году японские конструкторы собрали беспилотный планер D-SEND 2, чья аэродинамическая форма была спроектирована таким образом, чтобы уменьшать количество возникающих на нем ударных волн и их интенсивность. В июле 2015 года разработчики испытали планер на ракетном полигоне «Эсрейндж» в Швеции и отметили существенное уменьшение количества ударных волн, образующихся на поверхности нового планера. Во время испытания D-SEND 2, не оснащенный двигателями, сбросили с воздушного шара с высоты 30,5 тысячи метров. Во время падения планер длиной 7,9 метра набрал скорость в 1,39 числа Маха и пролетел мимо расположенных на разной высоте привязных аэростатов, оборудованных микрофонами. При этом исследователи замеряли не только интенсивность и число ударных волн, но и анализировали влияния состояния атмосферы на раннее их возникновение.

По оценке японского агентства, звуковой удар от летательных аппаратов, сопоставимых по размерам со сверхзвуковыми пассажирскими самолетами Concorde и выполненных по схеме D-SEND 2, при полете на сверхзвуковой скорости будет вдвое менее интенсивным, чем раньше. От планеров обычных современных самолетов японский D-SEND 2 отличается не осесимметричным расположением носовой части. Киль аппарата смещен к носовой части, а горизонтальное хвостовое оперение выполнено цельноповоротным и имеет отрицательный угол установки по отношению к продольной оси планера, то есть законцовки оперения находятся ниже точки крепления, а не выше, как обычно. Крыло планера имеет нормальную стреловидность, но выполнено ступенчатым: оно плавно сопрягается с фюзеляжем, а часть его передней кромки расположена к фюзеляжу под острым углом, но ближе к задней кромке этот угол резко увеличивается.

По похожей схеме в настоящее время создается сверхзвуковой американского стартапа Aerion и , разрабатываемый Lockheed Martin по заказу NASA. С упором на уменьшение количества и интенсивности ударных волн проектируется и российский (Сверхзвуковой Деловой Самолет/Сверхзвуковой Пассажирский Самолет). Некоторые из проектов быстрых пассажирских самолетов планируется завершить в первой половине 2020-х годов, однако авиационные правила к тому времени пересмотрены все же еще не будут. Это означает, что новые самолеты первое время будут выполнять сверхзвуковые полеты только над водой. Дело в том, что для снятия ограничения на сверхзвуковые полеты над населенной частью суши разработчикам придется провести множество испытаний и представить их результаты на рассмотрение авиационных властей, включая Федеральное управление гражданской авиации США и Европейское агентство по безопасности полетов.

S-512 / Spike Aerospace

Новые двигатели

Еще одним серьезным препятствием на пути создания серийного пассажирского сверхзвукового самолета являются двигатели. Конструкторы уже сегодня нашли множество способов сделать турбореактивные двигатели экономичнее, чем они были десять-двадцать лет назад. Это и использование редукторов, убирающих жесткую сцепку вентилятора и турбины в двигателе, и применение керамических композиционных материалов, позволяющих оптимизировать температурный баланс в горячей зоне силовой установки, и даже введение дополнительного - третьего - воздушного контура вдобавок к уже существующим двум, внутреннему и внешнему. В области создания экономичных дозвуковых двигателей конструкторы уже достигли потрясающих результатов, а ведущиеся новые разработки обещают и вовсе существенную экономию. Подробнее о перспективных исследованиях вы можете почитать в нашем материале .

Но, несмотря на все эти разработки, сверхзвуковой полет экономичным назвать пока еще сложно. Например, перспективный сверхзвуковой пассажирский самолет стартапа Boom Technologies получит три турбовентиляторных двигателя семейства JT8D компании Pratt & Whitney или J79 компании GE Aviation. В крейсерском полете удельный расход топлива этими двигателями составляет около 740 граммов на килограмм-силы в час. При этом двигатель J79 может быть оснащен форсажной камерой, при использовании которой расход топлива увеличивается до двух килограммов на килограмм-силы в час. Такой расход сопоставим с расходом топлива двигателями, например, истребителя Су-27, задачи которого существенно отличаются от перевозки пассажиров.

Для сравнения, удельный расход топлива единственных в мире серийных турбовинтовентиляторных двигателей Д-27, установленных на украинском транспортнике Ан-70, составляет всего 140 граммов на килограмм-силы в час. Американский двигатель CFM56, «классика» лайнеров Boeing и Airbus, имеет удельный расход топлива в 545 граммов на килограмм-силы в час. Это означает, что без серьезной переработки конструкции реактивных авиационных двигателей сверхзвуковые полеты не станут достаточно дешевыми, чтобы получить широкое распространение, и будут востребованы разве что в деловой авиации - большой расход топлива ведет к росту цен на билеты. Снизить высокую стоимость сверхзвуковых авиаперевозок объемами тоже не получится - проектируемые сегодня самолеты рассчитаны на перевозку от 8 до 45 пассажиров. Обычные же самолеты вмещают больше сотни человек.

Тем не менее, в начале октября текущего года GE Aviation проект нового турбовентиляторного реактивного двигателя Affinity. Эти силовые установки планируется монтировать на перспективный сверхзвуковой пассажирский самолет AS2 компании Aerion. Новая силовая установка конструктивно объединяет в себе особенности реактивных двигателей с малой степенью двухконтурности для боевых самолетов и силовых установок с большой степенью двухконтурности для пассажирских самолетов. При этом каких-либо новых и прорывных технологий в Affinity нет. Новый двигатель GE Aviation относит к силовым установкам со средней степенью двухконтурности.

Основу двигателя составляет модифицированный газогенератор турбовентиляторного двигателя CFM56, который, в свою очередь, конструктивно основан на газогенераторе от F101, силовой установки для сверхзвуковых бомбардировщиков B-1B Lancer. Силовая установка получит модернизированную электронно-цифровую систему управления двигателем с полной ответственностью. Какие-либо подробности о конструкции перспективного двигателя разработчики не раскрыли. Тем не менее, в GE Aviation ожидают, что удельный расход топлива двигателями Affinity будет не намного выше или даже сопоставим с расходом топлива современными турбовентиляторными двигателями обычных дозвуковых пассажирских самолетов. Каким образом этого удастся добиться для сверхзвукового полета, не ясно.

Boom / Boom Technologies

Проекты

Несмотря на множество проектов сверхзвуковых пассажирских самолетов в мире (включая даже нереализуемый проект переделки стратегического бомбардировщика Ту-160 в пассажирский сверхзвуковой лайнер, предложенный президентом России Владимиром Путиным), наиболее близкими к летным испытаниям и мелкосерийному производству можно считать AS2 американского стартапа Aerion, S-512 испанского Spike Aerospace и Boom американского Boom Technologies. Планируется, что первый будет выполнять полеты на скорости 1,5 числа Маха, второй - 1,6 числа Маха, а третий - 2,2 числа Маха. Самолет X-59, создаваемый Lockheed Martin по заказу NASA, будет демонстратором технологий и летающей лабораторией, запускать его в серию не планируется.

В Boom Technologies уже заявили, что постараются сделать перелеты на cверхзвуковых самолетах очень дешевыми. Например, стоимость перелета по маршруту Нью-Йорк - Лондон в Boom Technologies оценили в пять тысяч долларов. Столько сегодня стоит перелет по этому маршруту в бизнес-классе обычного дозвукового лайнера. Лайнер Boom над населенной сушей будет летать на дозвуковой скорости и переходить на сверхзвук над океаном. Самолет при длине 52 метра и размахе крыла 18 метров сможет перевозить до 45 пассажиров. До конца 2018 года Boom Technologies планирует выбрать один из нескольких проектов нового самолета для реализации в металле. Первый полет лайнера планируется на 2025 год. Эти сроки компания перенесла; изначально Boom планировалось поднять в воздух в 2023 году.

По предварительным расчетам, длина самолета AS2, рассчитанного на 8-12 пассажиров, будет равняться 51,8 метра, а размах крыла - 18,6 метра. Максимальная взлетная масса сверхзвукового самолета составит 54,8 тонны. AS2 будет выполнять полеты над водой на крейсерской скорости в 1,4-1,6 числа Маха, замедляясь до 1,2 над сушей. Несколько меньшая скорость полета над сушей вкупе с особой аэродинамической формой планера позволит, как рассчитывают разработчики, почти полностью избегать формирования ударных волн. Дальность полета самолета на скорости в 1,4 числа Маха составит 7,8 тысячи километров и 10 тысяч километров - на скорости в 0,95 числа Маха. Первый полет самолета планируется на лето 2023 года, а на октябрь того же года - первый трансатлантический перелет. Его разработчики приурочат к 20-летию со дня последнего полета «Конкорда».

Наконец, Spike Aerospace планирует начать летные испытания полноценного прототипа S-512 не позднее 2021 года. Поставки первых серийных самолетов заказчикам запланированы на 2023 год. Согласно проекту, S-512 сможет перевозить до 22 пассажиров на скорости до 1,6 числа Маха. Дальность полета этого самолета составит 11,5 тысячи километров. С октября прошлого года Spike Aerospace нескольких уменьшенных моделей сверхзвукового самолета. Их целью является проверка конструкторских решений и эффективности элементов управления полетом. Все три перспективных пассажирских самолета создаются с упором на особую аэродинамическую форму, которая позволит уменьшить интенсивность ударных волн, образующихся при сверхзвуковом полете.

В 2017 году объем авиационных пассажирских перевозок во всем мире составил четыре миллиарда человек, из которых 650 миллионов совершили длительные перелеты протяженностью от 3,7 до 13 тысяч километров. 72 миллиона «дальнобойных» пассажиров летали первым и бизнес-классом. Именно на эти 72 миллиона человек разработчики сверхзвуковых пассажирских самолетов и нацеливаются в первую очередь, полагая, что они с удовольствием заплатят немного больше денег за возможность провести в воздухе примерно вдвое меньше времени, чем обычно. Тем не менее, сверхзвуковая пассажирская авиация, вероятнее всего, начнет активно развиваться после 2025 года. Дело в том, что исследовательские полеты лаборатории X-59 начнутся только в 2021 году и продлятся несколько лет.

Результаты исследований, полученные во время полетов X-59, в том числе и над населенными пунктами - добровольцами (их жители согласились, чтобы над ними в будние дни летали сверхзвуковые самолеты; после полетов наблюдатели будут рассказывать исследователям о своем восприятии шума), планируется передать на рассмотрение Федерального управления гражданской авиации США. Как ожидается, на их основе оно может пересмотреть запрет на сверхзвуковые полеты над населенной частью суши, но случится это не раньше 2025 года.

Василий Сычёв

avia-su.ru

Двухмоторный истребитель производства КБ Сухого был принят на вооружение ВВС СССР в 1985 году, хотя совершил первый полет еще в мае 1977 года.

Этот самолет может достигать максимальной сверхзвуковой скорости 2,35 Маха (2500 км/ч), что в два с лишним раза быстрее скорости звука.

Су-27 заработал репутацию одной из самых боеспособных единиц своего времени, а некоторые модели до сих пор используются в армиях России, Беларуси и Украины.

www.f-16.net

Тактический ударный самолет разработан в 1960-х годах General Dynamics. Рассчитанный на двух членов экипажа, первый самолет поступил на вооружение ВВС США в 1967 году, и был использован для стратегических бомбардировок, разведки и радиоэлектронной борьбы. F-111 был в состоянии развить скорость 2,5 Маха (2655 км/ч), или в 2,5 раза больше скорости звука.

letsgoflying.wordpress.com

Двухмоторный тактический истребитель разработан компанией МакДоннелл Дуглас в 1967 году. Всепогодный самолет предназначен для захвата и поддержания превосходства в воздухе над вражескими силами во время воздушного боя. F-15 Eagle совершил первый полет в июле 1972 года и официально поступил на вооружение в ВВС США в 1976 году.

F-15 способен летать на скоростях, превышающих 2,5 Маха (2655 км/ч), и считается одним из самых успешных самолетов из когда-либо созданных. F-15 Eagle, как ожидается, будет на службе ВВС США до 2025. Сейчас истребитель экспортируется в ряд зарубежных стран, включая Японию, Израиль и Саудовскую Аравию.

airforce.ru

Большой, двухмоторный сверхзвуковой самолет производства КБ Микояна предназначен для перехвата иностранных самолетов на высоких скоростях. Самолет совершил первый полет в сентябре 1975 года, и был принят на вооружение ВВС в 1982 году.

МиГ-31 достигает скорости 2,83 Маха (3000 км/ч) и был способен летать на сверхзвуковых скоростях даже на малых высотах. МиГ-31 по-прежнему на службе в ВВС России и Казахстана.

XB-70 newspaceandaircraft.com

Самолет с шестью двигателями XB-70 Valkyrie был разработан компанией North American Aviation в конце 1950-х. Самолет был построен как прототип для стратегического бомбардировщика с ядерными бомбами.

XB-70 Valkyrie достиг своей расчетной скорости 14 октября 1965 года, когда он достиг 3,02 Маха (3219 км/ч), на высоте 21300 м над базе ВВС Эдвардс в Калифорнии.

Два XB-70 были построены и использовались в испытательных полетах с 1964 по 1969 год. Один из прототипов потерпел крушение в 1966 году после столкновения в воздухе, а другой XB-70 выставлен на обозрение в Национальном музее ВВС США в Дейтоне, штат Огайо.

Bell X-2 Starbuster

X-2 wikipedia.org

Самолет с ракетным двигателем — совместная разработка Bell Aircraft Corporation, ВВС США и Национального консультативного комитета по аэронавтике (предшественник NASA) в 1945 году. Самолет был построен для исследования аэродинамических свойств при сверхзвуковом полете в диапазоне 2 и 3 Маха.

X-2 по прозвищу Starbuster совершил первый полет в ноябре 1955 года. В следующем году, в сентябре 1956-го, капитан Милберн за штурвалом смог развить скорость 3,2 Маха (3370 км/ч) на высоте 19800 м.

Вскоре после достижения этой максимальной скорости самолет стал неуправляем и упал. Это трагическое происшествие поставило крест на программе X-2.

airforce.ru

Самолет производства Микояна-Гуревича был предназначен для перехвата вражеских самолетов на сверхзвуковых скоростях и сбора разведывательных данных. МиГ-25 является одним из самых быстрых военных самолетов, введенных в эксплуатацию. МиГ-25 совершил первый полет в 1964 году и впервые был использован советскими ВВС в 1970 году.

МиГ-25 имеет невероятную максимальную скорость — 3,2 Маха (3524 км/ч). Самолет все еще находится на службе ВВС России, а также используется в ряде других стран, в том числе ВВС Алжира и сирийских ВВС.

wikipedia.org

Прототип самолета, разработанный корпорацией Lockheed в конце 50-х — начале 60-х. Самолет был построен для перехвата вражеских самолетов на скорости 3 Маха.

Тестирование YF-12 проходило на Area 51, ​​сверхсекретном полигоне ВВС США, которому уфологи приписывали связь с инопланетянами. YF-12 совершил первый полет в 1963 году и развил максимальную скоростью 3,2 Маха (3330 км/ч) на высоте 24400 м. ВВС США в конце концов отменили программу, но YF-12 еще сделал ряд научно-исследовательских рейсов для ВВС и NASA. Окончательно самолет прекратил полеты в 1978 году.