Пятница, 02.12.2022, 19:01
Приветствую Вас Гость | RSS
Двадцатая олимпиада посвящена 100-летию со дня образования гражданской авиации в СССР
Форма входа
...
Главное меню
Общаемся
Архив
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Девятнадцатая олимпиада (2021/22 уч.год)

Сверхзвуковая коммерческая авиация: след в прошлом или будущее?

Автор: Лихачев Роман Дмитриевич
Возраст: 18 лет
Место учебы: авиационный техникум им. В.А.Казакова
Город: Раменское, Московская область
Руководитель: преподаватель спецдисциплин Гуденко Анжела Николаевна 

Сверхзвуковая коммерческая авиация:

прошлое или будущее?

План: 

  1. Введение
  2. Понятие "сверхзвук"
  3. История развития "Concorde"
  4. Рождение советского "Ту-144"
  5. Перспективы развития в настоящее время
  6. Заключение
  7. Список используемой литературы

Введение

Технологические чудеса, апогея технологической мысли, самолеты из будущего, сошедшие со страниц фантастических произведений. Сверхзвуковые авиалайнеры совместно разделили не только многие прорывы, но и многие провалы. История создания этих гигантов больше похожа на битву человеческого разума с технологиями, природой и многими обстоятельствами. 

Развитие послевоенной гражданской авиации, особенно в 50-е годы было полно событиями. В первые годы после войны стало ясно, что поршневые самолеты достигли пределов своих возможностей, и настало время новых технологий, которые должны были завоевать небо. 

Военные летчики знакомились с первыми реактивными самолетами, которые сразу доказали свое абсолютное превосходство над старыми машинами. Вслед за военной авиацией пришло время и гражданской. Главным показателем, за которым начали гнаться авиапроизводители стала скорость. В течение нескольких лет реактивные лайнеры появились в нескольких странах. Это были Ту-104, Boeing 707, Sud Caravelle и другие. Новые лайнеры приходили на смену старым. Становясь более надежнее, комфортабельнее, и, главное, быстрее. Увеличение скорости означало увеличение престижа авиакомпании, а с точки зрения экономики, высокие скорости это большее количество рейсов, на меньшем количестве самолетов. Концепция увеличения скорости была главным конкурентом концепции вместимости, позже породившая широкофюзеляжные лайнеры. Но реактивные самолеты того времени упирались в предел 1000 километров в час, и чтобы преодолеть этот рубеж, необходимо было совершить революцию.

Прежде чем познакомиться со сверхзвуковыми авиалайнерами стоит сначала разобраться, что же такое сверхзвук. 

Понятие "сверхзвук"

Для начала стоит понять, что сам по себе звук это упругие механические волны, распространяющихся в некоторой среде с некоторой скоростью. Скорость звука зависит от плотности, температуры, давления и химических свойств среды. К примеру, в твердых телах звук распространяется быстрее, чем в воздухе. Этим пользовались индейцы, пытаясь заранее услышать топот копыт лошадей и подготовиться к нападению. 
Когда любое тело движется в атмосфере земли, оно создает возмущения в виде механических волн, которые распространяются во все стороны со скоростью звука. Пока тело движется медленнее, чем распространяется звук, волны успевают рассеяться на некотором расстоянии от него. Чем быстрее движется тело, тем быстрее оно сжимает перед собой эти волны. Если же движение быстрее скорости распространения волн, то волны не успевают рассеяться, и двигаются вместе с телом. Поэтому образуется звуковая волна в виде конуса, которая также распространяется повсюду за телом. При увеличении скорости угол конуса уменьшается. На рисунке 1 представлен момент преодоления самолетом звуковой скорости.

Рисунок 1

Мы выяснили, что скорость звука, это скорость распространения звуковых волн. Следовательно, сверхзвуковая скорость, это скорость выше скорости звука, которую также называют звуковым барьером. Этому послужили многие исследования и наблюдения: уже при приближении к сверхзвуковой скорости возникает ряд явлений, ухудшающих аэродинамические характеристики самолета, и долгое время это было непреодолимым препятствием для летательных аппаратов. И эти проблемы нужно было решать. 

Для того чтобы дать ответ на вопрос о перспективах сверхзвуковых пассажирских авиалайнеров, окунемся в историю появления двух таких самолетов, значительно повлиявших в свое время на развитие этой отрасли авиации и столкнувшихся с огромными трудностями на пути от идеи до завершения регулярных полетов. 

История развития "Concorde"

Послевоенное время характеризуется разгаром холодной войны. В то время как США и СССР были заняты разработкой способов по уничтожению друг друга, в Великобритании был создан специальный комитет, который должен был прорабатывать вопрос перспектив сверхзвуковых гражданских самолетов.

В начале 50-х годов в небо поднялись первые серийные сверхзвуковые истребители F-100 и МиГ-19. Технологии и вся отрасль авиастроения начали развиваться бешенными темпами. Уже в конце десятилетия мир увидел достижения в сверхзвуке не только на легких истребителях, но и на бомбардировщиках. Стало понятно, что можно использовать технологии не только на военных тяжелых бомбардировщиках, но и на коммерческих самолетах. На высоких можно доставлять пассажиров кратно быстрее, чем обычно. Этого было достаточно, чтобы заинтересовать лидеров отрасли коммерческого авиастроения. 

Иллюзий никто не питал: создание таких аппаратов требовало преодоления очень серьезных вызовов. Сверхзвуковые самолеты уже были, но их военное назначение предполагали ужасную неэкономичность и эргономику, наличие серьезной инфраструктуры, и, кроме этого, их летный ресурс был очень мал. Если в военной авиации это допустимо, то в гражданской авиации для обеспечения нужной вместимости пассажиров и емкости топлива необходимо было создать самолет огромных размеров, а чтобы выводить самолет на необходимую скорость нужны мощнейшие двигатели, которых еще не было. Но даже при решении всех проблем, для взлета такого самолета нужна более высокая взлетная скорость, и, следовательно, длина взлетной полосы будет запредельной.  

Вывод был прост: создание пассажирского сверхзвукового самолета было сложным и нецелесообразным. Однако в это время проводились изучения в области аэродинамики. Одним из важных прорывов было создание тонкого дельтовидного крыла. Такая конструкция позволяла обеспечивать высокие скорости, достаточную подъемную силу и при этом довольно высокую надежность. Ключевой особенностью было и то, что такая схема обеспечивала нужные параметры не за счет увеличения площади крыла, а за счет его формы. Например, растянув крыло вдоль фюзеляжа можно было сохранить необходимые сверхзвуковые характеристики. Кроме этого, такая конструкция позволяла летать на малых скоростях. Сверхзвуковой пассажирский авиалайнер с таким крылом уже был вполне реален.

В 1956 году было принято решение проверить новые наработки на практике. Для этого была сконструирована летающая лаборатория Handley Page HP.115, крыло которой схематично показано на рисунке 2. Самолет получился успешным. Он мог поддерживать управляемость на скоростях ниже, чем у истребителей того времени. На основе полученных результатов появились наработки двух сверхзвуковых лайнеров: один для трансатлантических перевозок, второй для региональных рейсов. Создав первый реактивный лайнер, в Великобритании хотели создать и первый сверхзвуковой. 

Рисунок 2

В это время во Франции на основе исследований соседней Британии разрабатывается свой сверхзвуковой семидесяти местный самолет. Но компании нуждались во взаимопомощи, поэтому быстро нашли точки сотрудничества. У одних были технологии, у других были ресурсы. Споры возникали лишь над размерами самолета, но стороны нашли компромисс и проработали две вариации самолета. В качестве названия было выбрано слово “Concorde”, что на французском и на английском означало “согласие”. 

После того как консорциум заявили о готовности произвести около четырехсот моделей Конкорда, встал вопрос о малой вариации самолета: он не мог найти заказчиков, поэтому от регионального лайнера пришлось отказаться. Несмотря на большие перспективы большого брата, найти заказчиков было также сложно. 

Ухудшили ситуацию и опубликованные результаты исследований тяжелого бомбардировщика “Валькирия”. Во время испытаний самолет ВВС США гоняли над городом Оклахома в США в 1964 году. Такие полеты доставляли огромное неудобство жителям города: звуковой удар выбивал стекла домов и разрушал конструкции. Даже увеличении высоты полета Конкорда проблемы не решало, самолет летал на предельной высоте в 23 километра, намного выше высоты полета гражданских самолетов. Это вызвало сильные споры и сильно ограничило спрос. Тем не менее, консорциуму удалось сформировать портфель заказов на 100 самолетов от 18 авиакомпаний.
Консорциум посеял панику в США. Там считали, что сверхзвуковые самолёты дальнего следования быстро вытеснят с рынка американские машины. Беспокойство достигло таких масштабов, что американская компания Pan Am была готова выкупить часть программы Concorde.

СССР развивал свой проект, которым занималось конструкторское бюро «Туполев». В 1962 году власти опубликовали концепт самолёта Ту-144. Через год в правительстве пообещали, что к 1966 году в стране построят пять прототипов сверхзвукового транспортного самолёта, который внешне сильно походил на англо-французский проект, за что западная пресса прозвала его «Конкордски». Возникали даже подозрения в промышленном шпионаже, хотя технически самолётов сильно отличались.

Американские разработки быстро самоустранились из гонки. В США грезили не только трансатлантическими перелётами, но и быстрыми путешествиями с восточного побережья на западное. Поэтому было решено проверить, насколько преодоление сверхзвукового барьера мешает жителям. В результате авторы эксперимента столкнулись с более чем десятью тысячами жалоб на шум, разбитые окна и трещины в стенах. Полёты сверхзвуковых самолётов над населёнными пунктами в США запретили в Конгрессе, добавив к этому доводы о нерентабельности и вреде окружающей среде.

Несмотря на все сложности, Конкорд совершил свой первый полет 9 апреля 1969 года, став вторым сверхзвуковым авиалайнером, после Ту-144, поднявшимся в воздух. 

Рисунок 3. Внешний вид Конкорда

Рождение советского "Ту-144"

После провала США в гонке за господство в гражданской авиации остались только уже упомянутый «Конкорд» и советский Ту-144.
В 1950-х годах идеи создания сверхзвукового пассажирского авиалайнера в СССР оставались преимущественно только идеями. Ведущие конструкторские бюро были заняты разработкой и введением в строй новейших военных самолетов, в том числе и сверхзвуковых. 

В гражданской авиации хорошо себя чувствовали свежие реактивные самолеты, поэтому СССР просто не нуждался в обновлении пассажирских авиалайнеров. Но ситуация изменилась в начале 60-х, когда ученые более плотно взялись за сверхзвук. Благодаря многочисленным исследованиям и открытиям, хоть и теоретических, появилась мысль о том, что сверхзвуковые авиалайнеры не просто возможны, но и будут выгодны в ближайшее десятилетие. 

Взявшиеся за разработку конструкторские бюро имели большое разнообразие в выборе вариантов, большинство из которых были самые различные модификации бомбардировщиков. Явными лидерами стали конструкторские бюро Туполева и Мясищева.  Ускорило разработку создание упомянутого консорциума, что говорило о скором появлении европейского самолета. 

Официально программа по разработке советского авиалайнера была развернута в 1963 году. Исполнителем было назначено конструкторское бюро Туполева, так как оно имело опыт в создании как сверхзвуковых самолетов, так и пассажирских лайнеров. Проект получил наименование ТУ-144. Предполагалось, что это будет стоместный лайнер, массой около 130 тонн, летающий на скоростях около 2700 километров в час на дистанции до 4500 километров. Прототипы планировалось собрать уже к 1967 году.

Это время характеризуется активным промышленным шпионажем с обеих сторон, что в некоторой степени повлияло на разработку как советского, так и европейского самолета. В частности, это отразилось на внешнем виде ТУ-144, который очень схож с его конкурентом. Неудивительно, ведь компоновка Конкорда уже имела достаточную степень фундаментальной проработки и считалась оптимальной. 

Важным фактором, повлиявшим на разработку самолета, также повлияли и более жесткие условия эксплуатации. Конкорд считался флагманом авиакомпаний и должен был летать в самые оборудованные аэропорты мира, в то время как в советском союзе нужен был самолет для рабочих задач, поэтому требования к инфраструктуре были значительно мягче. Конструкторам приходилось иметь это ввиду практически на всех этапах, в том числе при проектировании крыла: нужна была минимальная взлетно-посадочная скорость, а значит большая подъемная сила, а это в свою очередь, требовало увеличения площади крыла и несколько иной конструкции. Но основным вызовом при создании лайнера стала его силовая установка: она должна была быть создана в ОКБ Кузнецова на базе двигателя НК-8, получивших позже широкое распространение в гражданской авиации, а также двигателя НК-6. Все имеющиеся технологии и наработки в СССР были вложены в создание двигателя НК-144, который должен был получить достаточную тягу, ресурс работы и топливную эффективность. В итоге силовой установкой будущего самолета должны были стать четыре двигателя, расположенные пакетно и попарно на каждом крыле близко к фюзеляжу. Кроме двигателей важным вопросом стали шасси. Авиалайнер должен был садиться на менее подготовленные полосы, поэтому самолету нужна развитая тормозная система и прочные опоры. Он их получил, как и получил самую совершенную авионику, какую только можно было создать в то время в советском союзе. Причем множество систем были автоматизированы. Кабина самолета представлена на рисунке 4.

Рисунок 4

Наконец под новый год 31 декабря 1968 года прототип совершил первый полет, и стал первым пассажирским сверхзвуковым лайнером, поднявшимся в воздух. В 1971 году Ту-144 был впервые представлен публике на парижском салоне и увиделся со своим братом Конкордом. Но Ту-144 был очень свежим и показал, что над ним еще работать и работать. В процессе летных испытаний возникало множество проблем с силовой установкой: сильный нагрев хвоста и сильные вибрации из-за близости двигателей. В результате проблему решили затратным, но вполне логичным решением: от пакетной схемы отказались, разместив двигатели попарно подальше от фюзеляжа. По мнению конструкторов, самолет был готов к производству.

Предсерийные машины начали летать уже начиная с 1971 года , а к 1972 площадки воронежского авиационного завода начали покидать первые серийные авиалайнеры. Но быстрое развитие проекта столкнулось с катастрофой: демонстрационный полет на французском авиасалоне в 1973 году закончился падением советского самолета. Это поставило под удар не только по престижу СССР и Ту-144, но и всей концепции сверхзвуковых полетов. Однако когда первые серийные Конкорды начали поступать заказчикам и приступили к регулярным рейсам, процесс внедрения Ту-144 в пассажирские перевозки был ускорен. Уже в 1977 году начались рейсы из Москвы в Алма-Ату в среднем с 80 пассажирами. Но ситуацию омрачила еще одна катастрофа, в результате которой погибло два человека из-за утечки топлива. В результате в 1984 году производство Ту-144 было прекращено. 

Рисунок 5. Внешний вид Ту-144

Перспективы развития в настоящее время

Пока не видно многочисленных полетов прототипов гражданских сверхзвуковых авиалайнеров. Доводка конструкций будет продолжаться несколько лет. Гражданский сверхзвук появился потому, что политика победила экономику. В гражданской авиации не было, да и сейчас нет массового платёжеспособного спроса на быстрые перевозки. Те, кому это по карману, покупают небольшие личные самолёты или бизнес-джеты, всем прочим вполне достаточно скоростей обычных аэробусов. С грузовой авиацией все примерно так же. Единственным грузом, для которого нужен сверхзвук, остаются бомбы и ракеты. Создание новых сверхзвуковых самолетов с новыми чертами, удовлетворяющими новым требованиям,— отнюдь не ковровая дорожка, и когда по ней пройдут победители, сегодня непонятно.

Также неясны перспективы массовых полетов сверхзвуковой пассажирской авиации. К моменту, когда они станут возможны, могут появиться конкуренты с принципиальным, кратным скоростным преимуществом. Дело не только в разрабатываемых гиперзвуковых пассажирских самолетах — пока это лишь эскизные концепты. Но создание Илоном Маском его корабля Starship идет с беспрецедентной быстротой; в ближайшие годы должны начаться его коммерческие полеты. Всего лишь небольшое "недовыведение" Starship на околоземную орбиту сделает его готовым суборбитальным пассажирским средством, везущим сотню пассажиров. А декларируемая Маском массовость их производства крупномасштабными сериями, сотнями и тысячами штук, позволит создать суборбитальный пассажирский флот и в короткие сроки охватить Землю масштабным суборбитальным пассажирским сообщением.

Выигрыш времени по сравнению со сверхзвуком окажется многократным — 35–40 баллистических минут вместо трех сверхзвуковых часов. Если экономика суборбитальной баллистики станет сопоставима со сверхзвуковой, выбор пассажиров станет очевиден. Сверхзвуковая пассажирская авиация останется узким нишевым сегментом частных любителей сверхзвукового полета. Пассажирский сверхзвук может так и не занять в жизни и истории человека такое место, как пассажирская винтовая авиация в середине ХХ века или реактивная сегодня. 

Рисунок 6. Ракета носитель StarShip

Несмотря на это сейчас ведутся активные разработки, и в интернете можно найти множество компаний и объединений, правда пока только пытающихся создать прототип современного сверхзвукового лайнера. Например, концерн Virgin Galactic в 2020 году представил свой проект по созданию такого самолета. Двигатели для самолета произведет Rolls-Royce. В Virgin утверждают, что сделали большой шаг к разработке нового поколения самолетов, способных развивать высокую скорость. При этом производитель обещает уделить основное внимание удобству пассажиров и соблюдению экологических норм. Но пока дальше слов дело не продвинулось. Концепт самолета Virgin Galactic представлен на рисунке 7. Выглядит впечатляюще.

Рисунок 7

По итогу я могу выделить несколько причин, по которым в настоящее время коммерческие сверхзвуковые пассажирские перевозки это лишь прошлое: 

  • Звуковой удар – в момент преодоления скорости звука окрестности аэропорта оглашаются звуком, напоминающим выстрел или взрыв. Так, при прохождении Ту-144 на высоте 400-500 метров и скорости свыше 1200 километров в час на земле в домах будут выбиты все стекла, а люди получат контузию.
  • Высокий расход топлива – в условиях растущих цен на энергоносители и набирающей силу зелёной энергетики это серьёзный аргумент против.
  • Сложность использования. Всё время эксплуатации Ту-144 летали со специалистами из КБ Туполева в качестве первых пилотов, специалисты «Аэрофлота» были на вторых ролях.
  • Дороговизна обслуживания. Ресурс двигателя и планера Ту-144 был несопоставим с турбореактивными самолётами, обслуживание и запчасти стоят дороже, а специалисты, способные работать с такими самолётами, есть не у каждой страны и далеко не на каждом аэродроме.

Вывод из этого только один: в настоящее время коммерческая сверхзвуковая авиация просто никому не выгодна. Нехватка инженерных решений и дороговизна ставят крест на концепции сверхзвуковых пассажирских перевозках. 

Заключение

Никто не знает точного будущего. Сверхзвуковые лайнеры должны были стать скачком в новую эру, но масштабы этого скачка в итоге сравнился только с масштабом последовавшего провала. Привлекательность сверхзвуковых перелетов для сегодняшних пассажиров конечно вызывает к жизни сверхзвуковые разработки, но все они в настоящее время формальны. Какие-то из них, возможно, когда нибудь через десятилетия дойдут до регулярных рейсов. Быть может, спустя годы люди будут летать сверхзвуковым пассажиром на отдых, не вспоминая о трудных задачах, в которых создается сегодня новое поколение сверхзвуковой пассажирской авиации. 

Список используемой литературы

  1. Шум и скорость: история легендарного сверхзвукового самолёта «Конкорд»
  2. Конкорд - покоряя Махи.
  3. Ту-144 - советский гражданский сверхзвук
  4. Пассажирский сверхзвук: каким путем пойдут новые поколения?
  5. Virgin Galactic Holdings
  6. У сверхзвуковой гражданской авиации нет будущего: почему таких лайнеров больше не будет
Категория: Девятнадцатая олимпиада (2021/22 уч.год) | Добавил: Service (12.01.2022) | Автор: Лихачев Роман Дмитриевич E W
Просмотров: 282 | Теги: Concorde, Ту-144, сверхзвук | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК
ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТКРЫТО!
ПРИЁМ РАБОТ ОТКРЫТ!
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Их многие читают
Ахметшин Тимур Рамилевич (37583)
Щур Илья Андреевич (26467)
Зарипова Рузиля Ильфатовна (24519)
Миргазетдинова Розалия (24176)
Нурсултанов Данияр Ербулатович (23775)
Кондратенко Анна Геннадьевна (22138)
Надежин Никита (21663)
Зиннатуллин Альмир Альбертович (19805)
Перемота Алексей Юрьевич (18181)
Кузьминова Анастасия Олеговна (18150)
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
QR-код сайта
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2022