Почему так сложно построить сверхзвуковой авиалайнер

Concorde

«Это волшебный самолет… удовольствие летать на таком сродни плотскому». Так Жоэль Корне-Темпле, старшая стюардесса Ari France, описала Concorde: один из первых в мире сверхзуковых самолетов, который летал с 1976 по 2003 год и имя которого стало нарицательным. Сможет ли самолет, который долетает до пункта назначения меньше чем за три часа, снова войти в эксплуатацию к 2030 году?

Знаменитый «Конкорд» мог долететь из Лондона до Сидней за 17 часов, три минуты и 45 секунд; Boeing 747 делает это за 22 часа.

Concorde был самым известным членом эксклюзивного клуба на двоих; другим гражданским авиалайнером, способным превышать скорость звука был советский «Туполев» — Ту-144 — он летал до 1999 года. Вариант этого «Туполева» использовался в экспериментах NASA, американской и российской аэрокосмической промышленности, в совместной исследовательской программе по окончании холодной войны.

Конец самолетов «Конкорд» и «Туполев» оставил сверхзвуковой рынок пустым. Но сейчас, спустя 12 лет после того, как «Конкорд» осуществил свой последний полет, на бумаге рассматриваются проекты еще более быстрых самолетов.

concorde

Вместе с прощальным реверансом «Конкорда» в 2003 году, ушла в отпуск и эпоха сверхзвуковых авиаперелетов

Один из таких проектов — Lapcat II, спроектированный европейцами самолет, способный набирать скорость в восемь раз быстрее звуковой (8500 км/ч). Он сможет доставить пассажиров из Брюсселя в Сидней за 2 часа 55 минут.

На конференции AIAA, посвященной сверхзвуковым космическим самолетам, в Глазго в Шотландии в июле, в документе, представленном разработчикам Lapcat-II, было заявлено, что первые испытания проекта показали, что самолет будет «чище» экологически, чем современные самолеты, таким же безопасным, а стоить будет не дороже современных дальнорейсовых летательных аппаратов.

Фактор топлива

Йохан Стилант, главный инженер Европейского космического агентства и координатор Lapcat-II, и его коллеги испытывал два прототипа. Один — самолет в 5 махов, Lapcat-A2, оснащенный ПВРД на охлажденном воздухе; второй — многообещающий проект ESA, в 8 махов, тоже оснащенный ПВРД (прямоточным воздушно-реактивным двигателем).

ПВРД — это двигатель, пропускающий воздух, без крупных движущихся частей. Во время прямого движения, двигатель сжимает входящий воздух, проходящий с высокой скоростью, и отправляет в камеру сгорания. Похожим образом работают новейшие современные ракеты. ПВРД может обеспечить очень высокую скорость движения самолета. Но чем его кормить? Выбор топлива крайне важен, особенно в свете того, что будущий сверхзвуковой флот будет изо всех сил снижать процент выбросов вредных отходов в атмосферу. С этой целью был выбран водород, а не топливо на основе углеводородов.

Более того, жидкое водородное топливо не особо горюче в середине полета. Хотя водород может воспламениться, риски взрыва или пожара ниже, если сравнивать с современным керосиновым авиатопливом. NASA использовало такое же топливо для питания космических шаттлов.

«Если будет утечка, водород такой легкий, что устремится вверх; соответственно, не образуется лужи с водородом на земле, как в случае с керосином. Водороду, как и керосину, нужен воспламенитель или источник тепла для инициации горения, так что спонтанно он не загорится», — говорит Стилант.

Команда Lapcat-II не одинока в этой области. Они делятся идеями и концептами с исследователями по всему Тихому океану. В Азии Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) также работает над сверхзвуковым лайнером под названием Hytex, предназначенным для пересечения Тихого океана в течение двух часов на скорости 5 махов.

Как Lapcat-II, так и JAXA являются частью проекта передачи знаний о сверхзвуковой сфере между Европой и Японией — проект называется Hikari.

Concorde

Агентства вроде NASA также исследуют возможности сверхзвукового движения

Турбореактивный двигатель Hytex был успешно испытан в экспериментальном полете, в котором была смоделирована скорость до 1,8 махов. Hytex использует жидкий водород как в качестве топлива, так и охлаждающей жидкости для воздушных путешествий на сверхзвуковых скоростях.

«Мы закончили испытания эскизного проекта Hytex в аэродинамической трубе. Расход топлива составляет одну пятую от расхода ракетных двигателей», — говорит Хидеюки Тагучи, глава по исследованиям сверхзвуковых самолетов в JAXA.

Водородный голод

Эффективная доставка водорода — один из главных факторов, влияющих на высокие эксплуатационные расходы. Если водород можно будет получить из природного газа, а не из электролиза воды, стоимость авиабилетов на гиперзвуковой поездку может упасть примерно до половины цены билета бизнес-класса.

Исходя из текущих прогнозов, цена билета будет примерно в три раза дороже, чем в среднем для текущих дозвуковых билетов бизнес-класса. Оценки показывают стоимость в 5000 евро за место в полете из Брюсселя в Сидней в один конец.

Большим вопросом остается создание водорода.

«Ветряные турбины могут накапливать энергию, производя водород, — говорит Стилант. — Это уже было установлено сетью бельгийских супермаркетов, погрузчики которых работали на водороде, произведенном местным ветропарком».

Даже если авиалайнеры на водородном топливе не выделяли бы накапливающиеся парниковые газы вроде диоксида углерода, оксидов серы или сажи, как современные дозвуковые самолеты, есть и другая проблема. Водяной пар, произведенный сгоранием водорода, остается в стратосфере в течение долгого времени и может стать существенным вкладом в глобальное потепление.

tu144

Советский «Ту-144» был единственным самолетом, перевозившим пассажиров быстрее скорости звука»

И этот эффект может стать хуже, чем тот, что оказывает современный флот самолетов дальнего следования — водный пар будет оставаться в воздухе все дольше. «Мы до сих пор не выяснили, как водяной пар распадается со временем, — говорит Стилант. — Предыдущие исследования показали, что время жизни водяного пара уменьшается в геометрической прогрессии, от 30 лет на высоте 25 километров до менее года на высоте 32-34 километров».

Lapcat-II также планирует пускать свой вариант авиалайнера на 8 махов на высоте 33 километров, минимизируя тем самым влияние на окружающую среду. Альтернативным топливом может стать сжиженный природный газ, какой-нибудь переохлажденный жидкий метан; хранить газ в жидком состоянии куда проще, чем в газообразном.

«Если бы существовал рынок реактивных двигателей малого бизнеса, все было бы проще», — говорит Стилант.

Гонка за небеса

Другие компании уже работают над тем, чтобы сделать бизнес сверзвуковой авиации реальностью. Airbus запатентовала дельта-крылый сверзхвуковой проект на 4,5 маха, который можно будет использовать для создания самолетов бизнес-класса. Также компания работает с американским стартапом Aerion над созданием доступного флота сверхзвуковых самолетов для богатых клиентов.

Spike Aerospace, другая американская компания, планирует запустить аналогичный бизнес сверхзвуковых пассажирских самолетов с внутренними видеоэкранами, соединенными с внешними камерами, которые будут вместо окон. У Lockheed Martin есть коммерческий самолет, N+2, который будет летать на 1,7 маха.

Есть одна проблема с быстрыми полетами — тот самый «бум», когда вы разрываете звуковой барьер. Европейские сверхзвуковые самолеты будут летать над Северным полюсом и пересекать Берингов пролив, избегая населенных земель. Звуковой взрыв порождает 160 децибел шума, который доходит до земли и может повредить слух человека. Старенький «Конкорд» производил 135 децибел шума на Земле — намного больше, чем среднестатистический авиалайнер.

Еще одна проблема в том, что когда сверхзвуковой самолет изменяет свою скорость, совершает маневр или поворачивает, рождается «супербум». На земле этот «супербум» в два-три раза громче, чем на высоте самолета. Поскольку европейский сверхзвуковой самолет будет летать выше, его ударные волны на земле будут рассеиваться и производить меньшую ударную волну.

NASA работает с Lockheed Martin и Boeing с целью разработки самолетов, которые будут разрывать звуковой барьер тише. С 2020 по 2025 год может вполне стать возможным появлением самолета, который сможет преодолевать звуковой барьер над населенной землей, не вызывая особого диссонанса.

В Европе, группа Стиланта испытывает свой проект на 300 мест, хотя пока и в масштабе 1:120 на скорости в 8 махов в аэродинамической трубе. Они доказали, что этот проект может вырабатывать положительную тягу. Хотя проект потребляет в два раза больше топлива в секунду, чем самолет на 4 маха, он и путь его проходит за половину времени — поэтому потребление топлива на временном отрезке будет практически таким же.

Вопрос тепла

Справиться с теплом будет довольно трудно. Все, что движется на 5 махах и выше, должно столкнуться с температурой поверхности до 1000 градусов по Цельсию. Алюминий и титан будут плавиться как масло на такой скорости. Поэтому должны использоваться керамические панели.

В ходе испытаний, тепла, которое накапливается на 8 маха, будет на 30% меньше, чем на 5 махах. Этот «тепловой парадокс» стал приятным сюрпризом для команды Стиланта, которая представила свои результаты на конференции в Глазго в июле. «Тепловая защита для 8 махов будет меньше, чем для 5 махов. И если у нас будет самолет полегче, у нас будет низкий расход топлива и меньшие по размеру баки, что сделает самолет еще меньше», — говорит Стилант.

lapcat

JAXA изучило потенциальный рынок сверхзвуковых самолетов, путешествующих на 5 махах, и выяснило, что самолет на 100 пассажиров, совершающий два рейса в день, вполне возможен условиях нынешнего рынка. Эти пассажиры будут представлены в основном любителями билетов первого класса.

К 2030 году сверхзвуковая авиационная промышленность будет задействовать свыше 500 000 человек и будет обходиться в 3,5 миллиарда евро в год, согласно исследованию Airbus и Японской корпорации по развитию самолетов.

«По оценкам, стоимость билета из Токио в Лос-Анджелес будет такой же, как сейчас стоимость билетов первого класса», — говорит представитель компании. 10% пассажиров текущего рынка будут готовы платить за экономию времени.

Испытания самолета Airbus и Aerion начнутся в 2019 году. Европейский самолет A2 на 5 махов должен быть построен за 20 лет. Аппарат на 8 махов от Европейского космического агентства может стать коммерчески устойчивым предприятием к середине 21 века.

«Конкорды» и «Туполевы», проложившие путь для сверхзвуковых воздушных путешествий в 70-х годах ныне пылятся в музеях. Но их дело не будет забыто, и очень скоро высоко над нашими головами снова залетают и загремят сверхзвуковые самолеты.

hi-news.ru

Запись опубликована в рубрике Новости. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>