Гиперзвуковые авиалайнеры будущего.Часть 4

Гиперзвуковые авиалайнеры будущего.Часть 4

Возможно, пассажирский самолет, способный преодолеть маршрут любой протяженности менее чем за три часа, станет реальностью уже к 2030 году, пришел к выводу корреспондент BBC Future. 
«
Это волшебный самолет… от полета на нем получаешь почти физическое удовольствие», — так когда-то высказалась стюардесса авиакомпании Air France Джоэль Корне-Темпле о британо-французском Concorde — одном из первых в мире сверхзвуковых авиалайнеров, который находился в эксплуатации с 1976 по 2003 гг. и стал символом стильного путешествия…

Concorde преодолевал расстояние между Лондоном и Сиднеем за 17 часов, три минуты и 45 секунд — для сравнения, полет на Boeing 747 по тому же маршруту занимал около 22 часов
Менее известный в мире сверхзвуковой пассажирский самолет, советский Ту-144, находился в эксплуатации до 1999 г. После окончания холодной войны один из вариантов Ту-144 использовался в интересах американского космического агентства НАСА, а также в качестве летной лаборатории в рамках совместной российско-американской исследовательской программы по созданию нового поколения сверхзвуковых летательных аппаратов гражданского назначения… 

С выводом из эксплуатации обоих рынок сверхзвуковых пассажирских перевозок опустел. Теперь же, спустя 12 лет после прекращения регулярных полетов Concorde, сразу несколько конструкторских бюро работают над созданием еще более скоростных самолетов

«Ту-360» — перспективный гиперзвуковой бомбардировщик

Разработка гиперзвукового бомбардировщика «Ту-360» началась в СССР в 1980-х годах. Он предназначался для уничтожения американских авианосных групп и других стратегических объектов…

При взлётной массе в 350 тонн он мог взять на борт до 10 тонн боевой нагрузки. Такое на первый взгляд не самое выдающееся соотношение нивелировалось фантастическими лётными характеристиками «Ту-360». Двухместный самолёт обладал длиной в 100 м и размахом крыльев свыше 40 метров; фюзеляж имел диаметр около 8 метров. «Ту-360» был способен к полёту на расстояния до 8 тысяч километров при скорости в 7500 км/ч (что в 6 раз превосходит звуковую); высота полёта достигала 30 километров…

Поскольку жидкий водород имеет втрое большую удельную теплоту сгорания, нежели керосин, но при одинаковом объёме весит почти в 12 раз меньше, то для выделения равного количества теплоты нужно по объёму в 4 раза больше водорода (Q=qm). Кроме этого, температура закипания криогенного топлива -253° C — для его хранения нужны специальные баки с теплоизоляцией. Вместе с этим, сохранялась проблема с его получением и взрывоопасностью, вследствие чего параллельно разрабатывался вариант самолёта на жидком метане.

Силовая установка выглядела как коробчатая конструкция, внутри которой размещалось шесть комбинированных двигателейтурбореактивные агрегаты, работающие на керосине, и гиперзвуковые прямоточные, функционирующие на жидком водороде. Они могли размещаться по двум схемам: на одной оси (при этом турбореактивный помещается «внутрь» прямоточного) или «друг над другом» (переключение воздушного потока происходит механической заслонкой). В полёте «Ту-360» должен быть непрерывно связан со спутниками, которые будут сообщать всю необходимую информацию о цели. В качестве вооружения на фюзеляже бомбардировщика планировалось размещать гиперзвуковую крылатую ракету «Х-90». К сожалению, из-за высокой стоимости и ряда сложностей, крайне перспективный проект был закрыт.

Европейские проекты

Один из проектов европейский Lapcat II, в рамках которого планируется создать сразу два сверхзвуковых лайнера
Причем один из них должен развивать крейсерскую
скорость в 8500 км/ч, то есть в 8 раз выше скорости звука, что позволит ему перевозить пассажиров между Брюсселем и Сиднеем за 2 часа 55 минут…

Какое топливо выбрать? 

Координирует программу Lapcat II сотрудник Европейского космического агентства (ЕКА) Йохан Стилант
В рамках Lapcat II параллельно разрабатываются два проекта:

  • Один из них Lapcat A2, способный развивать скорость, соответствующую числу Маха 5 (М=5). Он будет оборудован гибридным воздушно-реактивным/ракетным двигателем с предварительным охлаждением Scimitar. 
  • Другой самолет, разработкой которого занимается непосредственно ЕКА, будет использовать гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Его крейсерская скорость, как ожидается, будет соответствовать М=8. 

В качестве окислителя в прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ПВРД) используется забортный воздух: высокоскоростной набегающий воздушный поток, попадающий в воздухозаборник, сжимается и подается в камеру сгорания. На этом принципе работают, например, ракеты, которыми вооружен европейский истребитель Eurofighter TyphoonСамолет, оснащенный ПВРД, способен развивать очень высокую скорость. Но на каком топливе должны работать гиперзвуковые двигатели будущего? 

 

Двигатели являются самой сложной частью этого гиперзвукового проекта. И основной проблемой является высокая температура, которая может привести к плавлению и выходу из строя некоторых деталей двигателей.
Решение заключается в использовании жидкого водорода в качестве топлива. Поступающий воздух будет нагревать и испарять жидкий водород, отдавая ему излишнее тепло, обеспечивая, таким образом, приток дополнительной энергии извне для полета.
Такая силовая установка, которая планируется к установке на A2, позволит лайнеру летать на скорости до 5.2 Max
(приблизительно 6.5 тысяч километров в час), а 200 тонн жидкого водорода должно хватить на преодоление 20 тысяч километров
расстояния…

Это очень важный вопрос, учитывая то, что одним из решающих факторов при создании сверхскоростных авиалайнеров является необходимость максимально снизить уровень вредных выбросов.  По этой причине ЕКА выбрало водород, который является более экологически чистым, чем углеводородные типы топлива. Кроме того, хотя жидкий водород и можно поджечь, он воспламеняется не так легко, как керосин (стандартное топливо современных авиалайнеров), поэтому риск взрыва или пожара на борту существенно ниже. На жидком водороде, например, работали двигатели космических челноков НАСА «Спейс Шатл»… 

«В отличие от керосина, жидкий водород при попадании в атмосферу мгновенно испаряется. Поэтому в случае утечки на стоянке под самолетом не будут образовываться лужи вытекшего топлива, — говорит Стилант. — Как и керосину, водороду для воспламенения нужен источник тепла, поэтому самопроизвольное возгорание исключено»… 

В ходе испытаний в аэродинамической трубе турбореактивный двигатель Hytex уже достиг скорости в М=1,8. Двигатель использует жидкий водород как в качестве топлива, так и в качестве охладителя при полетах на гиперзвуковых скоростях... 

«Мы завершили формирование облика Hytex и выполнили серию продувок в аэродинамической трубе. Расход топлива будет составлять одну пятую от того, что расходуют ракетные двигатели», — отмечает Хидеюки Тагучи, ведущий сотрудник JAXA по направлению гиперскоростной авиационной техники...

Где взять водород? 

Главной проблемой, объясняющей высокую потенциальную стоимость эксплуатации гиперзвуковых самолетов, остается низкая эффективность существующего способа получения водорода. 
Если бы водород извлекали из природного газа, а не получали путем электролиза воды, цена билета на гиперзвуковой рейс могла бы составить примерно половину от сегодняшней стоимости билета в бизнес-класс. 
А при использовании нынешней технологии добычи водорода билет на самолет будущего, согласно прогнозам, обойдется в среднем примерно втрое дороже билета бизнес-класса на современный дозвуковой авиалайнер. 
Так, за билет в один конец из Брюсселя в Сидней придется заплатить 5000 евро. 

Как же более эффективно добывать водород в необходимых количествах? 

«В водород можно превращать электроэнергию, вырабатываемую ветроэлектростанциями, — считает Стилант. — Этот принцип уже реализован одной из бельгийских сетей супермаркетов — ее магазины оборудованы ветряками, вырабатывающими водород, на котором работают вилочные погрузчики»… 

В отличие от современных дозвуковых самолетов, авиалайнеры, работающие на водороде, не будут выбрасывать в атмосферу вещества, усиливающие парниковый эффект, такие как углекислый газ, окиси серы и сажа. 
Однако у водородных двигателей есть свой недостаток: в процессе их работы образуются водяные пары, которые надолго остаются в стратосфере и могут сыграть свою роль в процессе глобального потепления. 
Причем выбросы, образуемые при сгорании водорода, способны оказаться даже губительнее для климата, поскольку рассеиваются они действительно очень долго. 

«Нам еще предстоит более детально изучить механизм этого процесса», — отмечает Стилант. Проведенные ранее исследования показали, что период рассеивания водяного пара экспоненциально сокращается при увеличении высоты: на высоте в 25 км он может составлять 30 лет, а на высотах, превышающих 32-34 км — менее года»…  

Источник программы Lapcat II: Как построить гиперзвуковой авиалайнер

Разработчики самолета Lapcat II, способного развивать скорость М=8, планируют, что он будет летать на эшелонах гораздо выше 33 км, что, как они рассчитывают, уменьшит вредное воздействие на окружающую среду. 
Альтернативой водороду мог бы стать сжиженный природный газ — например, переохлажденный метан, который при хранении в жидком состоянии занимает гораздо меньший объем, чем в газообразном… 

«Это может положить начало формированию рынка гиперзвуковой деловой авиации», — говорит Стилант. 

Что делать со звуковым ударом? 

Над созданием такого рынка уже работают другие компании. Европейский производитель Airbus недавно запатентовал концепцию гиперзвукового воздушного судна с дельтовидным крылом, способного развивать скорость М=4,5. Эту концепцию можно было бы использовать для создания деловых самолетов. 
Airbus также работает — совместно с американским стартапом Aerion — над созданием сверхзвуковых реактивных самолетов для обеспеченных клиентов. 
Еще одна американская компания, Spike Aerospace, планирует создать сверхзвуковой бизнес-джет, у которого роль иллюминаторов будут играть расположенные по бортам салона экраны — изображение на них будет подаваться с наружных видеокамер. 
А оборонный производитель Lockheed Martin работает над гражданским самолетом N+2, способным летать со скоростью М=1,7… 

Однако на таких высоких скоростях полета возникает еще одна проблема — воздействие звукового удара, вызываемого ударной волной от самолета, движущегося со сверхзвуковой скоростью. 
Громкость звукового удара, достигающего земли, может достигать 160 дБ — достаточно, чтобы привести к необратимой потере слуха. 
Фиксируемый на земле звуковой удар от летящего на сверхзвуке Concorde составлял 135 дБ — гораздо громче, чем в среднем шум, производимый дозвуковыми авиалайнерами…

Гиперзвуковым самолетам пришлось бы летать между Европой и Америкой через Северный полюс, пролагая маршрут вдали от населенной местности. 
Еще громче звуковой удар при изменении скорости или маневрировании. Причем громкость достигающей земли ударной волны в этом случае в два или три раза выше, чем на высоте, на которой пролетает самолет. 
Однако, поскольку европейский гиперзвуковой самолет будет летать выше обычных авиалайнеров, площадь звукового удара на местности окажется больше, а его громкость — ниже. 
НАСА совместно с Lockheed Martin и Boeing исследует возможности снижения эффекта от звукового удара, производимого сверхскоростными самолетами. Не исключено, что к 2020-2025 гг. удастся разработать воздушные суда, способные преодолевать звуковой барьер над населенными районами, не создавая неудобств местным жителям… 

Тем временем в Европе команда Стиланта продула в аэродинамической трубе модель 300-местного гиперзвукового самолета в масштабе 1:120 на скорости М=8. 
Испытания подтвердили способность самолета создавать положительную тягу. Хотя он и будет расходовать вдвое больше топлива, чем проектируемый авиалайнер, развивающий скорость М=4, экономия времени в пути составит около 50%, так что на один и тот же маршрут обоим самолетам потребуется примерно одинаковое количество топлива… 

Как победить проблему нагревания? 

Еще одна проблема, которую предстоит решить, — это нагревание внешних поверхностей гиперзвукового самолета: при полете на скоростях от М=5 и выше температура его обшивки будет достигать 1000°C. 

Алюминий и титан при таких температурах плавятся, подобно маслу. Придется использовать керамические материалы. 
В ходе продувок на скорости М=8 поверхность модели нагревалась до температуры примерно на 30% ниже, чем на скорости М=5
Этот парадокс стал приятным сюрпризом для команды Стиланта, которая представила результаты испытаний на конференции в Глазго…

 

«Масса термозащитного покрытия, требуемого для воздушного судна, летающего на скорости М=8, может быть ниже, чем для самолета, летающего на М=5. Чем легче самолет, тем ниже расход топлива; соответственно, снижается объем топливных баков, а это, в свою очередь, ведет к еще большему облегчению конструкции», — говорит Стилант… 

Просмотреть запись

Команда японских инженеров, работающих над проектом Hytex, изучила потенциальный рынок гиперзвуковых авиалайнеров с крейсерской скоростью М=5 и пришла к выводу, что наиболее востребованным стал бы 100-местный вариант, способный выполнять два оборотных рейса за день (то есть всего четыре рейса от взлета до посадки). 
Пассажирами в основном были бы люди, интересующиеся необычными способами передвижения и готовые заплатить сумму, эквивалентную сегодняшнему билету первого класса. 
Согласно исследованию, проведенному Airbus и японской Japan Aircraft Development Corporation, к 2030 г. стоимость сегмента гиперзвукового авиастроения может составить 3,5 млрд евро, а количество занятого в нем персонала — превысить 500 000 человек… 

«Прогнозируемая цена билета на рейс из Токио в Лос-Анджелес была бы сравнима со стоимостью нынешнего билета первого класса на том же направлении», — говорит Тагучи

Airbus и Aerion начнут испытывать свою разработку в 2019 г. На завершение работы над Lapcat A2 (развивающим скорость М=5) может потребоваться еще около 20 лет, а проект Lapcat со скоростью М=8, возможно, станет коммерчески окупаемым где-то в середине текущего столетия.

В заключение

Таким образом, гиперзвуковые перелеты оказались бы доступными примерно 10 процентам всех авиапассажиров — то есть тем, кто имеет возможность и желание платить за более скоростные перелеты.