Скорее всего, через десять лет в небо поднимутся сверхзвуковые пассажирские самолеты (СПС). ТАСС — о трудностях, стоящих перед инженерами, и политической борьбе за скорость
"Иногда кажется, что споры экспертов закончатся дракой. Европа категорически против сверхзвукового самолета, который не удовлетворяет 14-й главе по шуму. Но все понимают, что сконструировать такой самолет — очень сложная задача. Американцы этот вопрос обходят. У них почти готов демонстратор, и ясно, что они будут запускать самолеты. Позиция России — пока ничего не фиксировать и смотреть, как все будет развиваться", — рассказывает начальник отделения аэроакустики и экологии летательных аппаратов Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) Виктор Копьев. Сидящий в первом ряду мужчина громко ему поддакивает.
В зале без окон внутри необъятного парка "Сириус" — пять лет назад тысячи журналистов передавали отсюда сводки с сочинской Олимпиады — собрались специалисты по транспорту, съехавшиеся на форум "Наука будущего". Я прилетел накануне и порядком устал: полтора часа до аэропорта, еще столько же до вылета, два пятнадцать в воздухе, час на раскаленной парковке в Адлере (водитель ни в какую не хотел ехать, пока заказной автобус не заполнится, а ушлые таксисты набивали цену и смеялись над жадными "москвичами"; я уралец и смеялся в ответ), потом еще полчаса по автостраде до гостиницы.
На сверхзвуковом лайнере за это время я добрался бы до Владивостока и, может, даже успел бы искупаться в Тихом океане. Пока настолько быстрые путешествия невозможны, но лет через десять наверняка для кого-то станут обычным делом. Если, конечно, эксперты и регуляторы из разных стран не передерутся.
Почему Ту-144 и "Конкорд" ушли в историю?
Сверхзвуковой пассажирский транспорт когда-то уже существовал. 31 декабря 1968 года впервые взлетел советский лайнер Ту-144, а спустя несколько месяцев — франко-британский "Конкорд". Их было ни с чем не перепутать: узкий вытянутый фюзеляж с заостренным носом, по бокам — длинные дельтовидные крылья, как оперение стрелы, снизу — еле заметные двигатели угловатой формы, чем-то напоминающие старые камеры видеонаблюдения. Это были самолеты будущего, способные разогнаться более чем до 2 тыс. км/ч — примерно в два раза быстрее скорости звука и обычных пассажирских лайнеров. Но это будущее толком не наступило.
Сверхзвуковой пассажирский самолет Ту-144
Источник изображения: © Борис Корзин/ТАСС
Скорость звука не просто красивое сравнение. Если лететь еще быстрее, возникает дополнительное сопротивление воздуха. Необычные субтильные силуэты "Конкорда" и Ту-144 позволяли преодолеть звуковой барьер, но дорогой ценой: несмотря на конструкторские ухищрения, оба самолета расходовали непомерно много топлива, а вмещали лишь чуть больше сотни пассажиров. Билеты стоили соответствующе. Места в последних рейсах "Конкорда" между Лондоном и Нью-Йорком стоили 4350 в одну сторону (с поправкой на инфляцию по нынешнему курсу это около 540 тыс. рублей).
Расход топлива — половина беды: "Конкорд" и Ту-144 были настоящей напастью для людей на земле. Чтобы получше в этом разобраться, я отправился в подмосковный город Жуковский — 40 минут на метро и полчаса на электричке — к научному руководителю ЦАГИ и проекта по разработке концепции сверхзвукового пассажирского самолета второго поколения. "Вот вы видите — плывет корабль. Волна, идущая от носа корабля, распространяется на огромное расстояние, на это уходит энергия", — заходит издалека академик РАН Сергей Чернышев. Со сверхзвуковыми самолетами получается то же самое, только вместо воды — воздух: ударная волна от летательного аппарата уносит часть энергии двигателя. Там, где ударная волна касается земли, раздается взрыв.
На самом деле ничего не взрывается — громкий хлопок обусловлен перепадом давления. Этот перепад составляет всего несколько десятитысячных долей атмосферного давления, но ухом воспринимается как отдаленный раскат грома будто из ниоткуда. "Люди пугаются. Ночью они просыпаются, да и днем из-за внезапности это неприятно", — рассказывает Сергей Чернышев. А были случаи, когда из-за низко летевших Ту-144 и боевых машин лопались стекла, по зданиям шли трещины. Причем звуковой удар возникает не только под пролетающим самолетом — он накрывает землю ковром шириной в десятки километров, который стелется под воздушным судном, пока скорость остается сверхзвуковой.
Сверхзвуковой пассажирский самолет "Конкорд"
Источник изображения: © Ian Waldie/Getty Images
В Америке грохот самолетов будущего так встревожил чиновников, что Федеральное управление гражданской авиации США запретило полеты "Конкордов" над сушей еще до того, как те впервые поднялись в воздух с пассажирами на борту (ооновская Международная организация гражданской авиации, или ИКАО, позже приняла резолюцию, где говорится, что сверхзвуковые самолеты не должны создавать "неприемлемые ситуации для людей"). Потенциально популярные маршруты между Восточным и Западным побережьем страны отпали, а поскольку мир в 1970-х был не настолько глобализованным и богатым, как сейчас, франко-британским самолетам оставалось летать над Атлантикой из Нью-Йорка в Париж, Лондон и в обратном направлении.
Перевозчики терпели убытки, несмотря на дорогие билеты, в 2000-м один "Конкорд" разбился, погибло больше 100 человек, вскоре для гражданской авиации наступили непростые времена из-за терактов 11 сентября и дорожающей нефти — в 2003 году "Конкорд" совершил последний рейс. О Ту-144 к тому моменту никто не вспоминал: советский самолет был снят с эксплуатации спустя всего семь месяцев после первого коммерческого полета. Сверхзвуковые самолеты остались только у Министерства обороны и научно-исследовательских институтов.
Что общего у самолетов и качелей?
Еще пока "Конкорды" летали в небе над Атлантикой, начались разработки сверхзвуковых пассажирских самолетов второго поколения. Ими занимаются государственные агентства и институты ЕС, США, Японии, России, корпорации с долгой историей в авиастроении и недавно открытые фирмы. До 2010-х годов об этом слышали разве что специалисты, но чем ближе испытания новых аппаратов, тем сильнее интерес — и тревога — обычных людей.
Так как за 50 лет законы физики не изменились, проблемы стоят все те же: звуковой удар и расход горючего. Есть и еще кое-что — оглушительный шум на взлете и посадке. "Свист от самолетов первого поколения был ну просто запредельным", — рассказывает Сергей Чернышев. Реактивные струи из двигателей буквально разрывали воздух. Громкость двигателей можно снизить, увеличив диаметр, но вместе с габаритами вырастет сопротивление воздуха — самолет будет потреблять больше топлива или вообще окажется не в состоянии преодолеть звуковой барьер.
Что изменилось, в отличие от законов природы, так это требования ИКАО к шуму на взлете и посадке. "Конкорды" и Ту-144 издавали мучительный свист, но это не противоречило тогдашним международным нормам. Чтобы новые самолеты соответствовали нынешним правилам (той самой 14-й главе, о которой говорил в Сочи Виктор Копьев), они должны бытьтише СПС первого поколения более чем в 16 раз. Для этого инженеры ищут новые технические решения, например, пытаются упрятать двигатели в конструкции самолета, чтобы звук экранировался корпусом и не распространялся вниз к земле.
Испытание в аэродинамической трубе модели самолета-демонстратора, который разрабатывают в ЦАГИ
Источник изображения: © ФГУП "ЦАГИ"
Для звукового удара таких норм еще нет. По словам Сергея Чернышева, в Комитете по защите окружающей среды от воздействия авиации (КАЕП ИКАО) даже не договорились, как его измерять: по скачку давления, по спектру звуковых частот или еще как-то. В последние десять лет звуковой удар рассматривается как импульсный шум, громкость которого можно измерить в децибелах. "В крупном городе типа Москвы, Токио, Парижа фоновый шум днем соответствует уровню 65–67 дБ. Логично предположить, что этот порог и есть допустимый уровень шума, ведь пролетающий самолет никто просто не заметит. Шум захлопывающейся двери автомобиля тоже импульсный и примерно соответствует 60–65 дБ. Многие эксперты считают, что днем звуковой удар с эквивалентной громкостью 65 дБ приемлем. Безусловно, ночью требования должны быть жестче", — объясняет Сергей Чернышев.
Но даже если самолет с такими характеристиками удастся создать, этого может быть недостаточно. На октябрьской конференции ИКАО представитель Австрии высказал мнение европейских стран: "Технические данные показывают, что при разгоне уровень звукового удара окажется сопоставим с тем, что был у "Конкорда" на крейсерской скорости. Такой уровень шума привел к запрету полетов на сверхзвуковых скоростях над населенной местностью". И даже уменьшенный звуковой удар в крейсерском полете, по мнению авторов доклада, доставит людям неудобства. Споры об этом не утихают до сих пор.
"Конкордам" над сушей приходилось сбрасывать скорость. "Но сделать самолет, который эффективен и на дозвуке, и на сверхзвуке, просто невозможно с точки зрения физики. На дозвуке для хорошей аэродинамики требуется длинное крыло, но с таким крылом самолет невозможно разогнать до сверхзвуковой скорости — возникнет огромное сопротивление, и самолет словно упрется в стену, — говорит Сергей Чернышев. — Для преодоления звукового барьера нужно короткое крыло с большим углом стреловидности, но на дозвуке такой самолет неэффективен из-за высокого расхода топлива. СПС второго поколения должен быть оптимально настроен для длительного, протяженного крейсерского полета со сверхзвуковой скоростью, и чтобы такие самолеты получили путевку в жизнь, необходимо принять нормы по низкому звуковому удару".
Проектировать сверхзвуковой пассажирский самолет — все равно что качаться на качелях. Длинные крылья улучшают аэродинамику на низких скоростях, но не позволяют преодолеть звуковой барьер. Двигатели с большим поперечным сечением позволяют уменьшить шум, одновременно повышая сопротивление и расход топлива. Для минимального звукового удара на земле носовая часть фюзеляжа должна быть затуплена, но это приводит к росту сопротивления воздуха и расхода горючего. Тем не менее по всему миру разрабатывают несколько сверхзвуковых аппаратов, а пара американских компаний уже принимает предзаказы перевозчиков.
Сколько осталось ждать?
Чтобы в небе снова появились сверхзвуковые пассажирские самолеты, сначала нужно показать, что они не помешают людям. Делается это с помощью демонстраторов — экспериментальных летательных аппаратов для проверки технологий в деле. Один такой аппарат разработала корпорация Lockheed Martin по заказу NASA. Модель X-59 QueSST больше напоминает футуристический истребитель, чем лайнер. Из-за очень длинного носа в нем даже нет ветровых стекол — о происходящем за бортом пилот узнает благодаря паре 4K-видеокамер. По задумке конструкторов благодаря маленькому размеру и вытянутой форме демонстратор будет производить звуковой удар не громче, чем гул автострады.
В 2023 году X-59 QueSST начнет летать над американскими городами по несколько раз в день, а специалисты NASA расспросят жителей об их ощущениях. Какие они получат ответы, трудно предсказать, даже если демонстратор превзойдет ожидания. Обсуждая сверхзвуковые самолеты, историк авиации Джанет Беднарек сказала сайту BuzzFeed, что любой шум — это проблема. Хотя обычные самолеты становятся все тише, люди все равно жалуются: к хорошему быстро привыкаешь.
Также публика наверняка возмутится из-за высокого расхода топлива. В 2018 году аналитики Международного совета по чистому транспорту — той самой некоммерческой организации, которая обнаружила, что Volkswagen занижает количество выбросов в машинах с дизельными двигателями, — смоделировали полет такого аппарата. Вышло, что сверхзвуковой самолет будет сжигать в 5–7 раз больше топлива в пересчете на пассажира, чем дозвуковой, а выбросы углекислого газа и оксидов азота превысят существующие нормы соответственно на 40 и 70%. Оценка Сергея Чернышева более оптимистичная: расход горючего будет выше всего в 1,5–2 раза. "За скорость нужно платить", — говорит он.
По данным Еврокомиссии, на авиацию приходится более 2% всех парниковых газов, попадающих в атмосферу, а путешествие из Нью-Йорка в Лондон и обратно приводит примерно к таким же выбросам, как обогрев жилья для одного европейца в течение года. ИКАО постоянно ужесточает требования к двигателям, но для сверхзвуковых самолетов отменили старые нормы, а новые еще не ввели. Впрочем, перевозчики в случае чего могут купить квоты на дополнительную эмиссию вредных газов. Только из-за этого билеты на транспорт будущего подорожают еще сильнее.
Во сколько обойдутся путешествия, неизвестно. Американская компания Boom Supersonic рассчитывает установить цену, сопоставимую с перелетом бизнес-классом. Boom Supersonic — одна из трех американских фирм, разрабатывающих сверхзвуковые самолеты, и единственная, чей аппарат рассчитан на несколько десятков пассажиров. Две других, Spike Aerospace и Aerion Supersonic, готовят маленькие бизнес-джеты, на которых летать будет еще дороже.
Проект самолета Boom Supersonic Overture
Источник изображения: © Boom Technology, Inc.
"Если посмотреть потребности человечества, рынок уже готов. Первыми будут те, кто летает по делу за счет корпораций. Потом появятся большеразмерные самолеты. Для кого? Для Японии: они летают и в Австралию, и в США, и в Европу. У них все полеты либо с пересадкой, либо прямые, но изнуряюще долгие. Японцы уже сейчас хотят самолет на 100 пассажиров. То же самое в Австралии. Европа — сверхзвуковые самолеты будут востребованы на всех трансатлантических рейсах. А возьмите нашу страну: до Хабаровска или Владивостока за восемь часов — дорога не из приятных", — рассуждает Сергей Чернышев.
Ждать осталось недолго. Boom Supersonic собирается провести испытания демонстратора XB-1 в следующем году, а к середине 2020-х — построить полноразмерный лайнер Overture на 55–75 пассажиров. Сергей Чернышев более сдержан в оценках: по его мнению, первые демонстраторы появятся в Америке только в 2023–2025 годах, тогда же должен пройти защиту проект ЦАГИ, а первые полеты с людьми состоятся не раньше 2030 года. "К тому времени должны быть приняты все нормы по звуковому удару и шуму при взлете и посадке", — говорит научный руководитель института.
Зачем летать быстро?
Только когда сверхзвуковые самолеты второго поколения будут построены, станет понятно, на что они способны и зачем на самом деле нужны. Когда проектировали Ту-144, тоже мечтали о Дальнем Востоке, но коммерческий рейс до Хабаровска так и не появился: самолеты летали между Москвой и Алма-Атой. Про Overture на сайте Boom Supersonic сказано, что он будет способен пролететь около 8,3 тыс. км без дозаправки, то есть на сверхдальних рейсах — например, из Австралии в Европу — придется делать промежуточную остановку.
Дозаправки, пересадки, волокита в аэропорту — регистрация на рейс, оформление багажа, рамки с металлоискателями, таможенный контроль — и дорога до аэропорта отнимают уйму времени. В Сочи я отправился ни свет ни заря, а добрался только к обеду, проведя в воздухе чуть более двух часов. Сверхзвуковые самолеты не исправят эти утомительные процедуры, поэтому люди не станут путешествовать вдвое быстрее.
Впрочем, время в пути на дальних направлениях все-таки сократится. Но в наши дни цена этого достижения многим покажется чересчур высокой. Почти во всех странах растет неравенство доходов, планета катится в тартарары из-за меняющегося климата. Кто-то возмутится: "А богачи мчатся через полсвета просто потому, что не пользуются видеосвязью?"
Сергей Чернышев смотрит на это иначе: "Мы переходим в другое состояние, это вторая попытка, более проработанная. Расстояния сокращаются, мир становится еще более глобализованным, открываются горизонты, которые сейчас, может быть, непонятны. Кто думал, что мобильная связь будет такой, как сейчас?" Чем быстрее передвигается человечество, тем более развитой становится цивилизация. Может, тут нет причинно-следственной связи, но мир пеших племен с зубилами явно отличается от мира повозок и пороха, а тот — от времен, когда появились автомобили. Возвращение сверхзвуковых самолетов, судя по всему, неизбежно, и тогда жизнь снова изменится на наших глазах.
Марат Кузаев
