Автор: Семён Дмитриевич Киланов
Возраст: 12 лет
Место учебы: МБОУ Гимназия №5
Город, регион: г. Новосибирск, Новосибирская область
Руководитель (Ф.И.О., место работы): Михаэлис Михаил Вячеславович, учитель физики МБОУ Гимназии №5

Сверхзвук для пассажиров
– история создания и перспективы развития

План работы:

    Введение
    1.  Зарождение сверхзвуковой авиации
    2.  Реализация проектов сверхзвуковых пассажирских самолетов
        2.1. ТУ-144
        2.2. «Конкорд»
    Выводы
    Источники информации

Введение

В середине 60-х годов XX века произошел рост воздушных перевозок в мире. В связи с этим возникла необходимость решать проблему – как перевозить большое количество людей? Эксперты видели два возможных варианта её решения: либо строить скоростные самолеты, способные за счет их скорости обеспечить большее количество рейсов, либо строить большегрузные суда, которые могли бы перевозить как можно больше пассажиров. Авиастроители некоторых стран решили пойти по первому пути. В 1962 году появился совместный проект Франции и Великобритании по разработке и постройке сверхзвукового лайнера, который получил название «Конкорд». А в СССР в 1963-м году опытное конструкторское бюро Андрея Николаевича Туполева приступило к созданию сверхзвукового лайнера Ту-144.

Несмотря на то, что к этому времени было построено достаточно много сверхзвуковых самолетов военного назначения, задача строительства сверхзвуковых пассажирских лайнеров оказалась очень сложной. На проектирование и строительство и самолета «Конкорд», и советского Ту-144 ушло около 10 лет. В результате «Ту» совершил свой первый полет 31 декабря 1968 г., «Конкорд» — два месяца спустя. [1]

Как известно, пассажирские рейсы на Ту-144 были прекращены в 1978 году, на «Конкорде» - в 2003 году. И на сегодняшний день ни одна авиакомпания в мире не имеет в своем авиапарке сверхзвуковых лайнеров.
     В своем исследовании я решил выяснить, почему путь, по которому пошли авиастроители в начале 60-х годов XX века, оказался тупиковым. Какие причины больше всего повлияли на прекращение программы строительства сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС)?

Цель работы – выделить основные причины прекращения программы СПС и оценить перспективы её развития в ближайшем будущем.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с историей развития сверхзвуковой авиации.
2. Узнать какую задачу решало появление СПС.
3. Изучить проблемы, с которыми столкнулись создатели сверхзвуковых лайнеров.

При проведении исследования я выдвинул гипотезу: строительство и использование СПС оказалось очень трудоемким и экономически невыгодным проектом, не давшим (при всех вложениях в него) необходимого в 60-е годы XX века решения задачи увеличения пассажиропотока. Дальнейшее развитие сверхзвукового пассажирского самолетостроения возможно будет только после появления принципиально новых конструкторских разработок.

1. Зарождение сверхзвуковой авиации

При проектировании самолетов, способных преодолеть звуковой барьер, перед конструкторами встала сложная задача – сделать так, чтобы машина могла иметь приемлемые вес, взлетно-посадочные и маневренные характеристики и при этом иметь свойства сверхзвукового истребителя. В чем заключалось преимущество таких машин? В первую очередь, в том, что у противника сильно уменьшались шансы сбить самолёт огнём зенитных средств или истребителями-перехватчиками.

Отечественные исследования особенностей полета на около- и сверхзвуковой скоростях начались в 1946 году. Исследования проводили на моделях «летающих бомб», действующих по принципу падающей бомбы. Их сбрасывали с самолета-носителя, при этом снаряды развивали околозвуковые скорости. Затем, в конце 40-х годов бомбы оснастили твердотопливным ускорителем и теперь при падении их скорость достигала уже 1700 км/ч. В теле снарядов была размещена аппаратура, проводящая замеры во время испытаний. Таким образом удалось исследовать ряд закономерностей около- и сверхзвукового полета.

В 1948 году летчик-испытатель О. Соколовский произвел полет на опытном самолете Ла-176 и достиг во время него скорости звука. Одновременно с испытаниями Ла-176 звуковой барьер пытались преодолеть и некоторые истребители. Летчик-испытатель А. Тютерев осенью 1949 года превысил скорость звука на 1% в пологом пикировании на МиГ-15. Этот рекорд побил летчик-испытатель П. Кузьмин на МиГ-17. Ему удалось превысить скорость звука уже на 18%. В качестве основной проблемы все летчики отмечали крайне малую возможность маневрирования на сверхзвуковых скоростях.

В США также проводились исследования особенностей сверхзвукового полета. В 40-х – начале 50-х годов были созданы экспериментальные самолеты X-1, D-558 «Скайрокет», X-2, X-3. Первым сверхзвуковым самолетом считается North American F-100 Super Sabre, первый полет которого состоялся в мае 1953 года. Уже осенью того же года он поступил на вооружение американской армии.

Благодаря накопленным в процессе испытаний данным удалось изучить не только общие закономерности «сверхзвука», но и то, как они проявляются в разных точках крыла, как ведут себя рули и элероны на больших скоростях.

Все отечественные исследования и разработки легли в основу советского сверхзвукового истребителя МиГ-19. Этот самолет поступил в серийное производство в 1954 году. Его максимальная скорость составила 1450 км/ч. Также в начале 1950-х появились многоцелевой сверхзвуковой Як-28, сверхзвуковой истребитель-бомбардировщик Су-7. А в конце 50-х годов в серийное производство поступил одноместный истребитель МиГ-21. [2] 

2. Реализация проектов сверхзвуковых пассажирских самолетов

Как было мною сказано во введении, одной из предпосылок для развития сверхзвуковой пассажирской авиации стал бурный рост в середине 60-х годов XX века воздушных перевозок в мире. Для быстрой доставки людей на далекие расстояния и необходимы были сверхзвуковые самолёты. Другой предпосылкой, возможно, стало желание создать машину, способную конкурировать с только что появившимися реактивными пассажирскими авиалайнерами. Таким образом, в 60-е годы XX века несколько стран принялись разрабатывать СПС. В результате в СССР в ОКБ А.Н. Туполева был разработан самолет Ту-144. Компании Sud Aviation с французской стороны и BAC с английской стали основными разработчиками самолета «Конкорд». А компания Боинг в США создавала самолет Боинг 2707. Последний, несмотря на огромные средства, вложенные в проект, так и не был доведен до стадии лётных испытаний. Таким образом, для коммерческого использования были переданы только машины Ту-144 и «Конкорд». Во время разработки этих лайнеров специалисты старались выполнить такие условия: СПС должен летать со скоростью более 2000 км/ч и перевозить 100-150 человек на дальность не менее 6000 км.

Самолеты Ту-144 и «Конкорд» оказались внешне очень похожими. Однако, в них есть различия. «Конкорд» был на 20 тонн легче и перевозил меньше пассажиров. При его строительстве учитывался тот факт, что основная масса его полетов будут перелёты через Атлантический океан. Предполагалось, что во время движения на сверхзвуковой скорости ударная волна, идущая от самолёта, будет бить по поверхности воды, то есть там, где нет людей. Благодаря этому «Конкорд» мог выполнять полет на самой выгодной для такого самолета высоте порядка 15-16 км. Ту-144 должен был эксплуатироваться над сушей. Чтобы ударная волна не наносила вреда людям, животным и постройкам, нашему самолету приходилось летать на гораздо больших высотах – до 18-19 км. Для этого ему необходимы были более мощные двигатели и крыло в полтора раза большей площади.

2.1. ТУ-144

Рисунок 1 – Общий вид самолёта Ту-144

Когда перед инженерами ОКБ А.Н. Туполева встала задача построить СПС, они задумали приспособить под пассажирский самолет бомбардировщик Ту-22, способный летать со скоростью в полтора раза быстрее скорости звука. Однако этот бомбардировщик оказался слишком мал для того, чтобы на нем разместить пассажирский салон нужного размера. Кроме того, он не мог летать на сверхзвуковой скорости долгое время. Как правило, он двигался на дозвуковой скорости, а сверхзвуковую развивал, когда нужно было преодолеть систему противовоздушной обороны противника. Таким образом, идея переоборудовать Ту-22 в СПС не была реализована, и Ту-144 конструкторам пришлось разрабатывать почти с нуля.

Одна из проблем, возникшая перед создателями самолета заключалась в том, что полет на скорости 2000 км/ч приводил к сильному нагреву его конструкции. В результате пассажирский салон и многие системы нужно было во время полета не нагревать, а охлаждать. Также нужно было решить другую проблему – как и где разместить всё необходимое топливо для полета? Но самая главная задача конструкторов заключалась в подборе правильного крыла. Оно, с одной стороны, должно иметь маленькое сопротивление. С другой, иметь большую площадь. Но увеличение площади крыла приводит к увеличению сопротивления! И создатели самолета нашли такое решение: предложили сделать очень тонкое крыло, вытянутое вдоль всего фюзеляжа. При этом над своей задачей также трудились разработчики шасси. Им предстояло решить проблему – куда убирать основные шасси, если крыло столь тонкое? В результате придумали такое решение: установили на стойке 12 колес небольшого диаметра. При уборке шасси такая 12-колесная конструкция особым образом разворачивалась и компактно укладывалась в небольшой отсек в крыле. [3]

Рисунок 2 – Самолёт Ту-144 во время полёта

Всего в СССР было построено 16 самолетов Ту-144. Первый рейс с пассажирами на борту «Ту» совершил 1 ноября 1977 года по маршруту Москва — Алма-Ата.  Расстояние между Москвой и Алма-Атой в 3260 км лайнер преодолевал за полтора часа. При этом его средняя скорость составляла около 2200 км/ч. Однако, всего через семь месяцев после начала коммерческой эксплуатации «Аэрофлот» прекратил сверхзвуковые пассажирские рейсы. Случилось это 1 июня 1978 года. Непосредственным поводом для прекращения пассажирских полётов послужила катастрофа опытного экземпляра Ту-144Д, произошедшая 23 мая 1978 года в окрестностях города Егорьевска Московской области. Но самой главной причиной отказа от пассажирской эксплуатации было то, что доходы от продажи билетов не покрывали даже малой части эксплуатационных расходов. Полет для одного пассажира на сверхзвуковом Ту-144 стоил 68 рублей, в то время как на дозвуковом самолете – 48 рублей. Однако, во время полета авиационного керосина Ту-144 сжигал на порядок больше.  Понятно, что такой «истребитель топлива» «Аэрофлоту» был не нужен. В результате предпочтение авиакомпании было отдано более простым и надёжным дозвуковым аэробусам Ил-86. [4-6]

2.2. «Конкорд»

Рисунок 3 – Общий вид самолёта «Конкорд»

В Европе история создания сверхзвукового пассажирского самолета берет свое начало в середине 1950-х гг., когда английская фирма «Бристоль» (Bristol, в 1960 г. вошла в состав корпорации British Aircraft Corporation, ВАС) и французская Sud-Avation (SNCASE, в 1970 г. вошла в состав государственного объединения Aerospatiale, SNIAS) начали самостоятельные исследования по созданию сверхзвукового пассажирского самолета. Во Франции работы велись по проекту «Супер Каравелла», а в Великобритании - ВАС-223.

В начале 1960-х гг. оказалось, что ни одна из авиастроительных компаний не может позволить себе финансирование строительства. Поэтому 26 октября 1962 г. правительствами Франции и Великобритании было принято решение о проведении совместных работ по проектированию, постройке и испытанию сверхзвукового пассажирского самолета «Конкорд». Исторические отношения между Великобританией и Францией сложно было назвать гладкими. Наверное, именно поэтому их общий проект получил название, которое в переводе с французского означает «согласие».

Компания ВАС проводила 2/3 работ по двигательным установкам. Sud-Avation взяла на себя работы по планеру и его системам. Кроме того, эти фирмы организовывали деятельность десятков других фирм двух стран, которые также принимали участие в разработках. Так, проектирование и строительство реактивных двигателей «Олимп» 593 для этого самолета вели компании Rolls-Royce («Роллс-Ройс»; Великобритания) и SNECMA («Снекма»; Франция).

Проектирование «Конкорда» было завершено в 1966 г.  Его первый полет состоялся 2 марта 1969 года на аэродроме в Тулузе. Самолеты этой марки начали регулярные коммерческие рейсы с пассажирами на борту в 1976 году. Вместительность каждого рейса составляла 100 пассажиров. Английские сверхзвуковые лайнеры летали из Лондона в Бахрейн, а французские по маршруту Париж - Рио-де-Жанейро. Также с мая 1976 г. «Конкорды» начали регулярные полеты в Вашингтон.

Рисунок 4 – Самолёт «Конкорд» во время полёта

Эксплуатация «Конкордов» с самого начала не приносила прибыли. Самыми удачными были заполненные трансатлантические рейсы. Тем не менее, билеты все равно были слишком дороги, в результате чего все рейсы, кроме трансатлантических, были прекращены.

Чтобы преодолеть расстояние между Европой и Америкой, «Конкорду» сначала требовалось 4 часа, потом - около 3. В феврале 1996 г. лайнер долетел из Лондона в Нью-Йорк за 2 часа 52 минуты 59 секунд. Стоимость билетов на этот рейс в 1977 году составляла 793 доллара, в конце 1986 г. – 2745 долларов, в 2003 г. – 10500 долларов.

Всего, не считая прототипов и предсерийных машин, было выпущено 16 «Конкордов», из которых два не передавались в коммерческую эксплуатацию, а использовались для сертификационных испытаний. В общей сложности было выпущено двадцать самолетов. Последний «Конкорд» был сдан заказчику в июне 1980 г.

10 апреля 2003 года British Airways и Air France объявили о решении прекратить коммерческую эксплуатацию своего парка «Конкордов». Последние рейсы состоялись 24 октября. Последний полёт «Конкорда» состоялся 26 ноября 2003 года: G-BOAF (последний построенный самолёт) вылетел из Хитроу, пролетел над Бискайским заливом, совершил проход над Бристолем и приземлился в аэропорту Филтон. [7-8]

Для сопоставления сведений о СПС Ту-144 и «Конкорд» я составил таблицу:

Выводы

Несмотря на то, что создание, испытания и эксплуатация сверхзвуковых авиалайнеров были связаны с огромными трудностями, можно сказать, что в проекте СПС были сконцентрированы передовые научные достижения и технологии. Самолет Ту-144 стал первым в истории человечества пассажирским летательным аппаратом, способным в два раза превысить скорость звука. В литературе существует мнение, что сверхзвуковые самолеты Ту-144 и «Конкорд» с одной стороны обогнали своё время, с другой стороны – появились вовремя, поскольку их создание началось задолго до первого нефтяного кризиса в мире. Если бы кризис случился раньше, вероятность появления СПС была бы крайне низка.

В результате работы над проектом я пришел к следующим выводам:

1. Появлению сверхзвукового пассажирского самолета предшествовало большое количество конструкторских разработок, реализованных в сверхзвуковой военной авиации. 
2. В 60-х годах XX века произошел рост воздушных перевозок в мире. СПС нужны были для решения задачи транспортировки большого количества пассажиров за счет большой скорости полёта.
3. Создатели сверхзвуковых лайнеров столкнулись со множеством сложных конструкторских задач. В результате строительство оказалось очень трудозатратным.

Таким образом, главной причиной отказа от сверхзвуковой пассажирской авиации является отсутствие её экономической выгоды. СПС тратит за свой полет на порядок больше топлива, чем обычный реактивный самолет. Кроме того, появление интернета в 2000-х годах и развитие технологий видеоконференций позволило сократить число важных деловых встреч, требовавших обязательного физического наличия собеседников. Таким образом, исчез последний важный фактор, делавший СПС действительно нужными.

Дальнейшее развитие сверхзвукового пассажирского самолетостроения возможно будет только после появления принципиально новых конструкторских разработок. Например, если удастся решить проблему расхода огромного количества топлива во время полетов. Таким образом, гипотеза моего исследования подтверждена.

Источники информации

1. История отечественной авиапромышленности. Серийное самолетостроение, 1910-2010 гг. / Ю.В. Засыпкин, Г.В. Костырченко, Ю.В. Кузьмин, Ю.А. Остапенко, А.А. Симонов, Д.А. Соболев. – М.: Русское авиационное общество (РУСАВИА), 2011. – 432 с.: ил.
2. Андреев, И.А. Боевые самолеты / И.А. Андреев. – Самара: «Самарский дом печати», 1992. – 159 с.
3. ТУ-144 – 50 лет / Мир техники для детей. – 2018.- №12.- с. 2-11.
4. Якубович, Н.В. Первые сверхзвуковые – Ту-144 против «Конкорда» / Н.В. Якубович. – М.: ВЭРО Пресс; Яуза; ЭКСМО, 2012. – 96 с.
5. Крамник, И.А. Иллюзия возможностей: зачем нужен сверхзвуковой пассажирский самолет [Электронный ресурс] / И.А. Крамник. – Электрон. текстовые дан. Режим доступа: https://iz.ru/846744/ilia-kramnik/illiuziia-vozmozhnostei-zachem-nuzhen-sverkhzvukovoi-passazhirskii-samolet, свободный. Дата обращения 26.12.2020.
6. Ту-144 [Электронный ресурс]: Материал из Википедии — свободной энциклопедии / Режим доступа:   https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83-144, свободный. Дата обращения 26.12.2020.
7. Конкорд [Электронный ресурс]: Материал из Википедии — свободной энциклопедии / Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B4, свободный. Дата обращения 26.12.2020.
8. История создания пассажирского лайнера "Конкорд" [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://ria.ru/20100725/257362168.html, свободный. Дата обращения 26.12.2020.