Автор: Чобану Мария Игоревна
Место учёбы: Самарский Международный Аэрокосмический Лицей
Город: Самара

Научный руководитель: Фомина Инна Ивановна, преподаватель СМАЛ по физике

Историко-исследовательская работа «Пассажирские сверхзвуковые самолёты: история и современные проекты».

Оглавление:
Введение
1 Существующие сверхзвуковые пассажирские самолёты
1.1 Concorde и Ту-144. История создания
1.2 Concorde и Ту-144. Характеристики и конструкция
1.3 Причины снятия с эксплуатации
2 Сверхзвуковой пассажирский самолёт нового поколения
2.1 Aerion AS-2. Новая конструкция
2.2 Aerion AS-2. Характеристики
Заключение
Список использованной литературы

Введение

14 октября 1947 Чак Йегер (Charles Elwood «Chuck» Yeager) на самолёте Bell X-1 стал первым человеком, превысившим скорость звука в управляемом горизонтальном полёте. Это событие можно назвать началом сверхзвуковой эры авиации.

Сверхзвуковой скоростью считается скорость от 1 до 5 М (Маха), скорость меньше одного Маха — дозвуковая, больше 5 — гиперзвуковая. Напомню, что число Маха считается как отношение скорости обтекания самолёта воздухом к скорости звука в воздухе. Таким образом, скорость 1 Мах соответствует скорости звука. Настолько высокие скорости, разумеется, становятся причинами многих проблем, с которыми приходится сталкиваться инженерам-конструкторам, авиакомпаниям-владельцам, пилотам и пассажирам сверхзвуковых авиалайнеров.

Целью данной работы поставлено: рассмотреть историю создания сверхзвуковых пассажирских самолетов Concorde и Ту-144 и ответить на вопрос: сможет ли современный сверхзвуковой бизнес-самолёт Aerion-AS2 справится с проблемами, вызвавшими снятие с эксплуатации его предшественников.

Глава 1

Существующие сверхзвуковые пассажирские самолёты.

В настоящей главе будут представлены история создания, уникальные инженерные решения и технические характеристики культовых самолётов Concorde и Ту-144, а так же приведены причины снятия этих самолётов с эксплуатации.

1.1 Concorde и Ту-144. История создания

Успехи в создании сверхзвуковых боевых самолетов, в том числе и тяжелого класса, привели авиационные фирмы по всему миру к мысли о создании сверхзвуковых пассажирских авиалайнеров. Практически сразу появляются проекты адаптации военных машин под перевозки пассажиров, однако, детальный анализ и проработка идей показали, что подобная модификация едва ли эффективна. Объясняется это, во-первых, очевидной разницей в размерах и весе машин; во-вторых неприспособленности военных самолётов к длительным сверхзвуковым полётам, без которых сама идея пассажирских рейсов бессмысленна; и, в-третьих, в возникшей необходимости увеличения надёжности и комфорта перелётов пассажиров. Постепенно, специалисты пришли к выводу, что пассажирские сверхзвуковые самолёты необходимо проектировать как нечто абсолютно новое, то есть, начиная работу «с нуля».

В 1950-х годах Великобритания и Франция решили совместными усилиями создать сверхзвуковой пассажирский самолет (СПС), которому дали название «Concorde» (фр. Согласие). Другие мировые державы того времени, такие, как СССР и США, не желая отставать, создают свои проекты СПС; начинается негласная мировая авиа-гонка, из которой, сопоставив расходы на конструирование, сборку, обслуживание и пр., почти сразу выбывают Соединённые Штаты. В СССР о расходах заботились меньше: была дана установка сделать сверхзвуковой пассажирский самолёт, да ещё и раньше, чем французы и англичане представят свой Concorde.
Разработкой русского аналога Конкорда занялось ОКБ Туполева. Проект получил название "Ту-144".

Конструкторам предстояло создать теплостойкие конструкционные материалы, смазки, герметики, а также разработать типы конструкций, способных выдержать длительные нагрузки и высокие температуры (до 100 градусов С) при сверхзвуковом полёте, улучшить аэродинамические свойства самолёта, решить вопросы устойчивости и управляемости при полетах на дозвуковой, трансзвуковой и сверхзвуковой скоростях, обеспечить комфорт и защищённость экипажа и пассажиров на больших высотах (до 20 км) от низких температур и солнечной радиации, изучить влияние большого количества выбросов отработанных газов двигателей, шума и звукового удара на окружающую среду, животных и людей.

В то же время, в англо-французском консорциуме BAC-SNIAS велась работа по созданию Concorde. Задачи перед конструкторами стояли аналогичные приведённым выше. Когда программа только стартовала, расходы на нее оценивались в £150-170 млн. Спустя 12 лет стала известна реальная цифра: с момента разработки самолета и до коммерческого запуска потрачено порядка £1 млрд.

ОКБ Туполева и BAC-SNIAS в разработках шли "нос к носу", однако советские инженеры всё же опередили своих западных коллег. Первый испытательный полёт Ту-144 совершил 31 декабря 1968 года: на два месяца раньше Concorde, чей первыё полёт состоялся только 2 марта 1969 года. Несмотря на выигранную авиа-гонку, советский лайнер серьёзно уступал своему англо-французскому собрату в надёжности.

Коммерческая эксплуатация Ту-144 началась в декабре 1975 г., сначала лайнер использовался на внутренних линиях СССР для перевозки почты и грузов. Непродолжительное время с ноября 1977 по июнь 1978 годов лайнер совершал пассажирские рейсы Аэрофлота на линии Москва — Алма-Ата.
С января 1976 года началась коммерческая эксплуатация англо-французского самолёта в British Airways и Air France. Сначала Concorde летал из Лондона в Бахрейн, из Парижа в Рио-де-Жанейро. Через год – после сложных переговоров с властями США – были открыты маршруты в Вашингтон и Нью-Йорк. Именно рейсы из Европы в Нью-Йорк стали основными.

Ту-144 поднимался в небо на протяжении всего семи месяцев. Одной из причин снятия данного самолёта с эксплуатации стали часто имевшие место внештатные ситуации, аварии и даже катастрофы. Одна из самых известных произошла на Парижском Авиа Шоу в Le Bourget в 1973: самолёт вертикально набирал высоту до отметки в 1200 м, перешёл в горизонтальный полёт и спустя несколько секунд стремительно понёсся к земле. На отметке 280 м самолёт развалился на части. Погиб весь экипаж в количестве 6 человек.

Concorde совершил свой последний рейс 26 ноября 2003 года , пролетав более 27 лет. На его счету всего одна катастрофа, произошедшая 25 июля 2000. Во время разбега на скорости примерно 280 км/ч Concorde наехал на металлический обломок, вследствие чего покрышка одного из колёс шасси лопнула. Фрагменты покрышки, ударившие в крыло самолёта, вызвали повреждение обшивки и утечку топлива из бака номер 5. Вытекающий из бака керосин воспламенился, причиной срабатывания пожарной сигнализации двигателя №2 и его отключения. Самолёт уже заканчивал разбег, поэтому пилоты не имели возможности прекратить взлёт; через несколько секунд после отрыва от ВПП по причине продолжающегося пожара отказал двигатель №1, и самолет рухнул на землю. Погибло 113 человек.

Всего было выпущено 17 Ту-144 и 20 Concorde.

1.2 Concorde и Ту-144. Характеристики и конструкция


Concorde

Летные характеристики

Крейсерская скорость (км/ч): 2640
Взлетная скорость (км/ч): 360
Посадочная скорость (км/ч): 300
Эксплуатационный потолок (м): 18288
Разбег (м): 1510

Двигатели

Rolls-Royce/SNECMA Olympus 593 Mrk610 turbojet
Размеры
Размах крыла (м): 25.57
Длина самолета (м): 61.66
Высота самолета (м): 12.2
Площадь крыла (м2): 358.25

Число мест

Экипаж: 3-4
Максимальное количество пассажиров: 144

Массы и нагрузки

Взлетная (т): 185.00
Пустого снаряженного (т): 78.696
Посадочная (т): 111.130
Полезная нагpузка (кг): 11.340


Ту-144

Летные данные

Крейсерская скорость: 2300 км/ч
Посадочная скорость: 270 км/ч
Дальность полета (сверхзвуковая): 2920 км
Практическая дальность: 6500 км
Эксплуатационный потолок: 20000 метров

Размеры

Размах крыла (м): 27.65
Длина самолета (м): 59.4
Высота самолета (м): 10.5
Площадь крыла (м2): 438
Нагрузка на крыло (кг/м2): 411

Число мест

Экипаж: 3 человека
Максимальное количество пассажиров: 150

Массы и нагрузки

Взлетная: 150 тонн
Пустого снаряженного: 91.8 тонн
Вес топлива : 92 тонны

Прежде всего, следует отметить, что Concorde проектировался в основном для сверхзвуковых полетов над безлюдными океанскими просторами (основное назначение - перелеты между Европой и Америкой через океан), отсюда, из-за звукового удара, выбор меньших высот крейсерского сверхзвукового полета и, как следствие, меньшая площадь крыла, меньшая взлетная масса, меньшая потребная крейсерская тяга силовой установки к удельные расходы топлива. Ту-144 предстояло в основном летать над сушей, отсюда большая высота полета и соответственное увеличение параметров самолета.

При проектировании сверхзвуковые пассажирских самолётов прежде всего необходимо определить примерную форму самолёта, на что он будет похож. В ОКБ Туполева остановились на тонком треугольном крыле с очертанием переднего края в виде буквы «S». Бесхвостая схема, неизбежная при такой конструкции несущей плоскости, делала сверхзвуковой лайнер устойчивым и хорошо управляемым на всех режимах полета. Четыре двигателя находились под фюзеляжем, поближе к оси самолета. Топливо было размещено в кессонных крыльевых баках. Балансировочные баки, расположенные в задней части фюзеляжа и наплывах крыла, были предназначены для изменения положение центра тяжести самолета во время перехода от дозвуковой скорости полета к сверхзвуковой.

Крыло сочленялось с фюзеляжем весьма оригинально: вместо того чтобы изготовлять эти агрегаты по отдельности, а затем соединить их, конструкцию крыла разбили по размаху на секции, каждая из которых состояла из отсека фюзеляжа и примыкающей к нему части крыла. В результате отпала нужда в установке тяжелых соединительных узлов лонжеронов крыла и силовых шпангоутов фюзеляжа.

Для улучшения аэродинамических свойств нос самолета сделали острым и гладким. Фюзеляж круглого сечения имел носовой обтекатель кабины экипажа, отклоняющийся вниз под углом 12 градусов в условиях взлета и на 17 градусов при посадке для улучшения обзора из кабины пилотов.

Конструкторы Concorde пришли к таким же решениям, из-за чего самолёты получились похожи, как родные братья. Единственными отличиями, бросавшимися в глаза, было наличие переднего горизонтального оперения на Ту-144, знаменитых «ушек», и расположение двигателей (на «Согласии» двигатели располагались дальше от фюзеляжа, чем на Ту-144).

Следует отметить, что Ту-144 мог садиться и взлетать в 18 аэропортах СССР, в то время как «Конкорду», взлётно-посадочная скорость которого была на 15 % выше, для каждого аэропорта требовался отдельный сертификат на посадку.

1.3 Причины снятия с эксплуатации

Основной причиной снятия с эксплуатации является слишком малая рентабельность использования. Самолёты потребляли крайне много топлива, цены на билет доходили до $10500. Особенно остро эта проблема проявилась в 1980-х годах в условиях экономического кризиса, тогда СПС летали почти пустыми.

К тому же, производимый самолётами шум и звуковая ударная волна при переходе на сверхзвуковую скорость представляли опасность для населённых пунктов, находившихся на маршрутах авиалайнеров.

Третьей причиной стали частые катастрофы и внештатные ситуации (с Ту-144).

Таким образом, Ту-144 и Concorde были лишь своего рода рекламой, показателем богатства стран-производителей и символом торжества научного прогресса. В настоящее время, как память о сверхзвуковой эре пассажирских перелётов, сохранилось лишь несколько самолётов, к несчастью, многие в плохом состоянии.

Глава 2

Сверхзвуковой пассажирский самолёт нового поколения.

В данной главе будет сказано о проекте современного сверхзвукового бизнес-самолёта Aerion-AS2.

2.1 Aerion AS-2. Новая конструкция


Американская компания Aerion corporation была основана в 2002, её команда (Dr. Richard Tracy, Jim Chase, Mike Henderson, Andres Garzon и Jason Matisheck), пытаясь создать принципиально новый сверхзвуковой лайнер, разработали новую, «обрубленную», форму крыла, позволяющую использовать естественный ламинарный поток (natural laminar flow), по словам создателей, уменьшающий сопротивление крыла в 2 раза и снижают общее сопротивление самолёта на 20% (по сравнению с дельтавидным крылом). Эти данные подтверждаются продувкой модели в аэродинамической трубе NASA. В сентябре 2014 года знаменитая французская компания Airbus присоединилась к проекту Aerion-AS2.

Крыло AS2 нестреловидное, коническое (искривлены верхняя и нижняя поверхности), очень тонкое и гладкое, с механизированными клапанами, позволяющими самолёту заходить на посадку и приземляться на скоростях, сопоставимых со скоростями больших дозвуковых авиалайнеров. Закрылки будут располагать по всему размаху крыла.

Aerion-as2 получит три турбовинтовых двигателя: два расположенных максимально близко к оси самолёта, а третий на ней.

Для крыльев, фюзеляжа и оперения планируется использовать углеродное волокно, некоторые внутренние детали будут изготовлены из алюминия, титана и стали.

2.2 Aerion AS-2. Характеристики



Летные данные

Максимальная скорость (М): 1.6
Крейсерская скорость (М): 1.4
Максимальная скорость без звукового удара (М): 1.2
Посадочная скорость (км/ч): 240
Дальность полета (км): 9260

Двигатели

3 турбовинтовых

Размеры

Размах крыла (м): 21
Длина самолета (м): 49
Высота самолета (м): 8
Площадь крыла (м2): 125

Число мест

Экипаж: 2 человека
Максимальное количество пассажиров: 12

Массы и нагрузки

Максимальная взлетная (кг): 52163
Пустого снаряженного (кг): 22588

Заключение

Разумеется, самолёт с такими характеристиками будет очень дорогой, однако, как сообщают представители компании Aerion, на данный самолёт нашлось уже 19 покупателей.

Три двигателя позволят Aerion-AS2 быстрее набирать скорость при взлёте, следственно, уменьшить длину разбега (аэропортам не нужно будет подтверждать сертификатами наличие достаточно длинной ВПП, как с Concorde). В случае отказа одного из двигателей, самолёт будет способен долететь до ближайшего аэропорта на двух исправных и, из-за расположения двигателей близко к фюзеляжу, AS2 не потеряет управление, как это случилось в 2000 году с Concorde. Использование новых, более прочных современных материалов обещает сделать Aerion более надёжным, чем Ту-144. К тому же, 3 двигателя дадут ещё один очень важный эффект - уменьшение удельной тяги на каждый из двигателей во взлетном режиме, следовательно, меньший уровень шума.

Стоить AS2 будет существенно дешевле, чем его предшественники, а спрос на сверхзвуковые бизнес-самолёты специалисты прогнозируют довольно большой.

Однако говорить об успехе проекта пока рано. Для того, чтобы сделать вывод о рентабельности самолёта, необходимо дождаться его первых полётов и проанализировать, как он поведёт себя в реальных условиях. К счастью, компании Airbus и Aerion corporation анонсировали выпуск опытной модели уже в 2019 году.

В заключение, хочу сказать, почему именно Aerion. На данный момент в мире существует множество проектов по разработке сверхзвуковых бизнес-самолётов, однако все они либо похожи на подросшие истребители, такие, как F-15 или Су-27, или значительно «усохшие» в размерах Ту-144 и Concorde. На их фоне Aerion с его ромбовидным крылом привлекает внимание. К тому же, это единственный проект, приводящий относительно точные цифры в описании, представляющий качественные 3D модели и регулярно публикующий новости. Окончательно убеждает в том, что данный проект имеет смысл, вышеупомянутый контракт Aerion corporation с такой знаменитой компанией, как Airbus.

Список использованной литературы

http://www.tu144sst.com
http://science.d3.ru
http://www.374.ru
http://avia.tutu.ru
http://www.forbes.ru
http://www.tupolev.ru
http://www.darkgrot.ru
http://www.airlines-inform.ru
http://fishki.net
http://www.nasa.gov
http://www.aerionsupersonic.com