Вторая сверхзвуковая: когда гражданские самолеты смогут летать быстрее звука

В результате уже в 1968 году состоялся первый полет советского пассажирского сверхзвукового лайнера Ту-144, а годом позже — совместного британско-французского Concorde.

На деле оба проекта оказались куда сложнее, чем выглядели поначалу. Достаточно вспомнить, насколько велика настоящая сверхзвуковая скорость. Самые быстрые современные автомобили разгоняются до 530 км/ч, поезда — до 460 км/ч, пассажирские Boeing 787 в среднем демонстрируют 840 км/ч. Всем им далеко до сверхзвука: он начинается примерно с 1230 км/ч — для такой скорости чаще используют особый показатель, число Маха, равное отношению скорости движения к скорости распространения звука в той же среде. Ту-144 и Concorde набирали до 2,2 Маха (более 2200 км/ч) — столько же, сколько и новейшие боевые самолеты того времени.

Однако если истребители переходили на сверхзвук только на отдельных участках полета, включая форсаж — особый режим работы с усиленным сжиганием топлива, то пассажирские лайнеры должны были двигаться с такой скоростью постоянно. Потребовалось разработать новые двигатели — и заодно воздухозаборники и компрессоры, чтобы снабжать этих монстров кислородом даже на большой крейсерской высоте. А чтобы самолет не нагревался до температур, опасных для жизни пассажиров и экипажа, конструкторы создали специальные покрытия и предусмотрели мощную — и прожорливую — систему кондиционирования в салоне.

Ну и конечно, длинный нос, благодаря которому Ту-144 и Concorde настолько же отличаются от других машин, насколько похожи друг на друга. Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, фюзеляж обоих лайнеров сделан максимально узким и острым. Для стабилизации полета крылья пришлось сместить назад, а чтобы сохранить подъемную силу — сделать их широкими, дельтовидными. На носу размещена дополнительная система, которая отклоняет его вниз, открывая летчику обзор во время ответственных маневров взлета и посадки.

Несмотря на множество сложностей, в середине 1970-х и Ту-144, и Concorde прошли сертификацию и начали коммерческие полеты. И все же оба проекта ждала трудная судьба. Советские самолеты оказались слишком дорогими в эксплуатации: каждый из них, по сути, был штучным продуктом и часто ломался. Ту-144 так и не вышли на международный рынок, а в самом СССР успели совершить всего 55 рейсов, после чего были сняты с линий. Европейские Concorde использовались почти исключительно для трансатлантических перелетов, но массовыми тоже не стали, хотя оставались в строю вплоть до 2003 года.

Главные трудности сверхзвуковых лайнеров были экономическими. В теории рейсы Concorde приносили прибыль: в 1970-х находилось достаточно людей, готовых переплатить за билет (до 15–20 тысяч долларов в нынешних ценах), лишь бы добраться до цели быстрее и с комфортом. Так летали, например, Майкл Джексон и королева Елизавета II, но подобных клиентов никогда не было много. Среди авиапассажиров стал доминировать средний класс, а с ним пришла эра больших, медленных, но очень экономичных машин, на фоне которых сверхзвуковые полеты оказались невыгодными.

Впрочем, была еще одна неразрешимая проблема: полет быстрее звука невероятно шумен. Когда аппарат движется на такой скорости, молекулы воздуха буквально не успевают разлететься в стороны, и у передних поверхностей лайнера возникают области повышенной плотности — невидимые глазу скачки уплотнения. Они расходятся за самолетом широким конусом и, достигая нашего уха, воспринимаются как громкий взрыв или серия таких взрывов.

В момент преодоления звукового барьера (и в ту и в другую сторону), а также при некоторых маневрах удары по барабанным перепонкам оказывались особенно сильными. Одно время военные даже собирались использовать этот эффект, чтобы контузить солдат противника, но шума оказалось больше, чем реального вреда. Однако «на гражданке» такой подход неприемлем. Ту-144 и Concorde тянули за собой ударную волну громкостью около 110 дБ, поэтому мог ли летать лишь над водой или малонаселенными областями суши. Стоит напомнить, что децибелы, которыми характеризуют громкость звука, — шкала нелинейная. Шепот человека, стоящего в паре метров, соответствует 20 дБ, обычный разговор — 65 дБ, а с силой 110 дБ молот ударяет в стальную плиту.

С начала 2000-х крупные авиапроизводители и перевозчики потеряли интерес к сверхзвуковым самолетам: все их преимущества перевесила топливная эффективность и экономичность неторопливых пузатых лайнеров. Тему подхватили небольшие стартапы, конструкторские бюро и экспериментальные отделы корпораций. Их главным противником оказался запрет FAA, резко ограничивающий развитие пассажирского сверхзвука. Стало понятно, что в первую очередь требуется снизить уровень шума.

Математическая модель для нужных аэродинамических расчетов была создана еще в 1970-х, а в 1980-х появились вычислительные мощности, способные обработать ее за разумное время. Такие расчеты проводили по проекту High Speed Civil Transport (сверхзвуковой лайнер на 300 пассажиров), над которым работал консорциум во главе с Boeing.

Увы, на уровне технологий того времени идею пришлось признать бесперспективной. Затем моделью занялись конструкторы из агентства DARPA, которые в 2003 году подняли в воздух модифицированный истребитель F-5E с новой аэродинамической компоновкой, подтвердившей, что радикальное снижение громкости вполне возможно. Получив такие результаты, в NASA провели конкурс на создание экспериментального гражданского аппарата. Тендер на участие в проекте X-59 Quesst выиграла компания Skunk Works, входящая в корпорацию Lockheed Martin.

Работая над High Speed Civil Transport, конструкторы впервые попробовали заменить окно кабины пилотов внешними камерами с экраном. Однако картинка оказалась слишком дерганой: изображение то и дело чуть отставало от реальных движений самолета, вызывая у людей дурноту, как при укачивании. Спустя четверть века технологии шагнули вперед — теперь такой проблемы нет.

Ключевой задачей Quesst была демонстрация возможности снижения громкости сверхзвукового полета до уровня, который позволит снять ограничения FAA. Конструкторы смело экспериментировали с аэродинамикой, и в январе 2024 года публике был представлен аппарат, напоминающий Concorde «на максималках». Его фюзеляж стал еще более узким, а нос удлинился до внушительных 11,5 м. Углепластиковый, с блестящим термостойким покрытием, он стал ключевым инструментом для уменьшения шума.

Движение быстрее звука можно условно сравнить с падением в воду: чем шире точка входа, тем больше брызг. Метните в озеро камень — и от места, где он соприкоснется с поверхностью, во все стороны разлетится вода. Но уроните иглу острием вниз, и она войдет в жидкость, почти не потревожив ее. Примерно такие соображения заставили конструкторов сделать Quesst столь узким и длинноносым. Разместить здесь окна для пилотов нереально, зато и усложнять аппарат системой регулировки носа по вертикали теперь не нужно. В новой модели на панели управления перед пилотом установлен большой экран, который транслирует картинку с внешних камер в режиме реального времени.

Однако даже суженный корпус не позволяет полностью избавиться от скачков уплотнения. Поэтому фронтальные участки фюзеляжа и крыльев спроектированы под такими углами, чтобы возникающие на них волны не сливались в одну слишком мощную. Кроме того, практически все выступающие части перенесены на верхнюю сторону Quesst, включая элементы управляющих поверхностей крыла и даже двигатели, расположенные перед задним вертикальным оперением. Благодаря этому большая часть волн уплотнения срывается с аппарата наверх, в небо. Нижняя же поверхность аппарата оставлена почти плоской, максимально ровной и гладкой — это позволяет воздуху свободно проходить под ней, а заодно делает самолет особенно элегантным.

Вернемся к аналогии с булыжником, брошенным в озеро: самый мощный всплеск возникает в тот момент, когда над камнем смыкается вода. Нечто подобное происходит и при срывании воздуха с кромок лайнера, летящего быстрее звука. Разработчики Quesst борются с этим за счет Т-образного вертикального хвостового оперения с дополнительными небольшими крылышками, которые рассекают скачки уплотнения, не позволяя им соединиться в одну мощную волну. Все это, по словам конструкторов, поможет снизить шум от машины до вполне приемлемых 75 дБ (как дверь автомобиля, захлопнутая в нескольких метрах от слушателя). Проверка таких расчетов и станет основной целью будущих испытаний Quesst: первый полет запланирован на конец 2024 года.

Кроме того, на одноместном аппарате можно отработать летные приемы, дополнительно уменьшающие шум. Скажем, при повороте грохот внутри дуги оказывается громче, чем снаружи, и эту особенность можно будет учесть при посадке в аэропорту. Наконец, Quesst должен пролететь над несколькими американскими городами и собрать не только цифровые данные, но и отзывы жителей. Если все пройдет по плану и FAA снимет запрет, то найденные решения и технологии передадут коммерческим разработчикам, чтобы снова попробовать покорить «гражданский сверхзвук».

Впрочем, первая из таких компаний начала работу, не дожидаясь завершения проекта NASA и Skunk Works: стартап Boom Technology еще 10 лет назад занялся созданием довольно скромного сверхзвукового лайнера. Конструкторы не собираются перепрыгивать через несколько ступенек сразу: их аппарат Overture станет двигаться над сушей всего на 20% быстрее обычного самолета, держась чуть ниже 1 Маха, на «трансзвуке», и лишь над морем сможет разогнаться до 1,7 Маха. Очевидно, основателей стартапа не слишком заботит решение проблемы шума — по крайней мере, пока не будут получены результаты проекта Quesst.

Надо сказать, что поначалу планы Boom Technology выглядели намного грандиознее: Overture должен был разгоняться до 2,2 Маха, как гиганты прошлого. Однако подходящего двигателя для такого лайнера не нашлось, и стартапу пришлось обратиться к флоридской компании FTT, известной проектированием двигателей для сверхзвуковых боевых самолетов F-22 и F-35. Сейчас планируется, что у Overture будет четыре турбовентиляторных двигателя Symphony средней степени двухконтурности, с регулируемыми воздухозаборниками и соплами изменяемой геометрии, которые позволят ему перемещаться на сверхзвуке. По последним данным, машина уже проходит стендовые испытания.

Тем не менее представленный в 2020 году летный прототип Boom XB-1 («Бэби-бум», как прозвали его разработчики) сохранил многие черты первоначальной версии лайнера, включая три мощных турбореактивных двигателя от General Electric с форсажем. Весной нынешнего года он уже поднимался в воздух — но пока на дозвуковой скорости, около 440 км/ч. Судя по официальному заявлению разработчиков, аппарат продемонстрировал ожидаемые характеристики. Это позволило привлечь дополнительные инвестиции и подтвердить, что к концу текущего десятилетия в воздух поднимется уже «настоящий» сверхзвуковой Overture — втрое крупнее «Бэби-бума», с новыми двигателями, способный взять на борт до 80 пассажиров.

Похоже, что работа у Boom Technology продвигается, хотя и не без задержек. Несколько крупных авиаперевозчиков, в том числе United Airlines и Japan Airlines, уже разместили предзаказы на 130 бортов общей стоимостью более 6 млрд долл. Интерес к проекту проявил и Пентагон, который надеется получить военную версию Overture не позднее гражданской, и сейчас стартап активно сотрудничает с компанией Northrop Grumman — важнейшим подрядчиком американского министерства обороны. Строительство производственной площадки в штате Северная Каролина предполагается завершить лет через пять-семь — примерно тогда же, когда Overture начнет свои испытательные полеты.

По задумке создателей, двигатели Symphony должны работать на экологическом авиатопливе SAF (Sustainable Aviation Fuel), в значительной мере состоящем из биотоплива и других горючих веществ ненефтяной природы. Но расход по-прежнему ожидается на уровне в 2–3 раза выше обычного, так что надеяться на появление сверхзвуковых лоукостеров не стоит. Этот шаг потребует еще как минимум 10–20 лет, но чем успешнее окажется проект, тем раньше скоростные перевозки выйдут на массовый рынок. Недаром сам аппарат называется Overture — «Прелюдия».