Сверхзвуковой транспорт

Сверхзвуковой транспортный самолет «Конкорд» имел стрельчатое треугольное крыло , тонкий фюзеляж и четыре подвешенных Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 . двигателя

Ту -144 был первым ССТ, поступившим на вооружение, и первым покинувшим его. До прекращения обслуживания было выполнено только 55 пассажирских рейсов из соображений безопасности. После вывода из эксплуатации также было выполнено небольшое количество грузовых и испытательных полетов.

Сверхзвуковой транспорт ( ССТ ) или сверхзвуковой авиалайнер — гражданский сверхзвуковой летательный аппарат, предназначенный для перевозки пассажиров со скоростью, превышающей скорость звука . На сегодняшний день единственными самолетами SST, которые регулярно обслуживаются, являются Конкорд и Ту-144 . Последний пассажирский полет Ту-144 состоялся в июне 1978 года, а последний полет НАСА совершил в 1999 году . 26 ноября 2003 года Последний коммерческий рейс «Конкорда» состоялся в октябре 2003 года, а перегонный рейс стал его последней воздушной операцией. После окончательного прекращения полетов Конкорда в коммерческой эксплуатации не осталось SST. Несколько компаний предложили сверхзвуковой бизнес-джет , который может вернуть сверхзвуковой транспорт.

Сверхзвуковые авиалайнеры были объектами многочисленных недавних исследований. продолжающиеся дизайнерские исследования. Недостатками и проблемами проектирования являются чрезмерное образование шума (при взлете и из-за звуковых ударов во время полета), высокие затраты на разработку, дорогие конструкционные материалы, высокий расход топлива, чрезвычайно высокие выбросы и повышенная стоимость одного места по сравнению с дозвуковыми авиалайнерами. Однако, несмотря на эти проблемы, Concorde заявила, что работает прибыльно.

История

Планирование

На протяжении 1950-х годов SST выглядел возможным с технической точки зрения, но не было ясно, можно ли сделать его экономически жизнеспособным. Из-за различий в создании подъемной силы самолеты, работающие на сверхзвуковых скоростях, имеют примерно половину аэродинамического качества дозвуковых самолетов. Это означает, что для любой требуемой подъемной силы самолету придется развивать примерно вдвое большую тягу, что приведет к значительно большему расходу топлива. Этот эффект ярко выражен на скоростях, близких к скорости звука, поскольку самолет использует вдвое большую тягу для движения примерно с той же скоростью. эффект Относительный снижается по мере того, как самолет разгоняется до более высоких скоростей. Это увеличение расхода топлива компенсировалось возможностью значительного увеличения количества боевых вылетов самолета, по крайней мере, на рейсах средней и дальней дальности, где самолет проводит значительное количество времени в крейсерском режиме. Конструкции SST летают как минимум в три раза быстрее, чем существующие дозвуковые транспортные средства, и, таким образом, смогут заменить до трех находящихся в эксплуатации самолетов и тем самым снизить затраты на рабочую силу и техническое обслуживание.

Посадка Конкорда

Серьезные работы над проектами SST начались в середине 1950-х годов, когда первое поколение сверхзвуковых истребителей на вооружение поступило . В Великобритании и Франции субсидируемые государством программы SST в большинстве исследований быстро остановились на треугольном крыле , включая Sud Aviation Super-Caravelle и Bristol Type 223 , хотя Армстронг-Уитворт предложил более радикальную конструкцию — M-Wing со скоростью 1,2 Маха . Avro Canada несколько проектов предложила TWA , в том числе двойное крыло со скоростью 1,6 Маха и треугольное крыло со скоростью 1,2 Маха с отдельным хвостовым оперением и четырьмя конфигурациями двигателей под крылом. Команда Avro переехала в Великобританию, где ее дизайн лег в основу Hawker Siddeley . проектов К началу 1960-х годов разработка продвинулась до такой степени, что было дано добро на производство, но затраты были настолько высоки, что Bristol Airplane Company и Sud Aviation в конечном итоге объединили свои усилия в 1962 году для производства Concorde.

В начале 1960-х годов различные руководители американских аэрокосмических компаний говорили общественности и Конгрессу США, что нет никаких технических причин, по которым невозможно было бы создать SST. В апреле 1960 года Берт Монсмит, вице-президент Lockheed , заявил различным журналам, что SST, изготовленный из стали и весом 250 000 фунтов (110 000 кг), может быть разработан за 160 миллионов долларов, а серийные партии из 200 или более проданы примерно за 9 миллионов долларов. . Но именно англо-французская разработка «Конкорда» вызвала панику в промышленности США, где считалось, что «Конкорд» вскоре заменит все другие дальнобойные конструкции, особенно после того, как Pan Am отказалась от опционов на покупку «Конкорда». Вскоре Конгресс профинансировал разработку SST, выбрав существующие конструкции Lockheed L-2000 и Boeing 2707 , чтобы создать еще более совершенную, крупную, более быструю и дальнобойную конструкцию. В конечном итоге для продолжения работы был выбран проект Боинга 2707, целью которого было перевезти около 300 пассажиров и обеспечить крейсерскую скорость, близкую к 3 Махам . Советский Союз приступил к производству собственной конструкции Ту-144 , которую западная пресса прозвала «Конкордским».

Экологические проблемы

SST считался особенно оскорбительным из-за его звукового удара и возможности повреждения озонового слоя выхлопными газами двигателя . Обе проблемы повлияли на мышление законодателей, и в конечном итоге в марте 1971 года Конгресс прекратил финансирование программы SST США . над США были запрещены все наземные коммерческие сверхзвуковые полеты. Советник президента Рассел Трейн предупредил, что парк из 500 SST, летающих на высоте 65 000 футов (20 км) в течение нескольких лет, может повысить содержание воды в стратосфере на целых 50–100%. По словам Трейна, это может привести к повышению температуры на уровне земли и препятствовать образованию озона . Что касается стратосферных вод и их способности повышать температуру земли, хотя и не упоминая Конкорд как источник «недавнего снижения количества водяного пара, он неизвестен», в 2010 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований отметило, что уровни стратосферного водяного пара в 1980-х годах и В 1990-е годы они были выше, чем в 2000-е, примерно на 10 %, причем Сьюзан Соломон из NOAA подсчитала, что именно это изменение ответственно за замедление роста приземных температур в результате глобального потепления примерно на 25 процентов по сравнению с потеплением. темп в 1990-е годы .

Позже была выдвинута гипотеза о дополнительной угрозе озону в результате оксидов азота в выхлопных газах , угроза, которая в 1974 году, по-видимому, была подтверждена командой Массачусетского технологического института по заказу Министерства транспорта США . Однако, хотя многие чисто теоретические модели указывали на возможность больших потерь озона из-за оксидов азота ( NOx ) ТПМ, другие ученые в статье « Окислы азота, испытания ядерного оружия , Конкорд и стратосферный озон » обратились к историческому мониторингу озона и атмосферным ядерным испытаниям. служить ориентиром и средством сравнения, отмечая, что не было обнаружено никаких обнаруживаемых потерь озона при выбросе примерно 213 мегатонн взрывной энергии в 1962 году, поэтому, следовательно, эквивалентное количество NOx от «Конкордов 1047», летавших «10 часов в день», также не будет беспрецедентным. В 1981 году модели и наблюдения все еще были несовместимы. Более поздние компьютерные модели, проведенные в 1995 году Дэвидом У. Фэйи, ученым-атмосферником из Национального управления океанических и атмосферных исследований , и другими, предполагают, что падение озона составит самое большее, «не более», чем 1-2%, если флот Эксплуатировалось 500 сверхзвуковых самолетов. Фэи заявил, что это не будет фатальным препятствием для усовершенствованной разработки SST, хотя «большим предостережением... [это] не должно стать препятствием для продвинутой разработки SST», потому что «удаление серы из топлива [Конкорда] ]» по существу устранит гипотетический путь реакции разрушения озона в 1–2% случаев.

Конкорд

Несмотря на расхождения между моделями и наблюдениями, связанными с проблемой озона, в середине 1970-х годов, через шесть лет после первого сверхзвукового испытательного полета, Теперь «Конкорд» был готов к эксплуатации. Политический резонанс в США был настолько сильным, что Нью-Йорк запретил полет самолета. Это поставило под угрозу экономические перспективы самолета — он был построен с учетом маршрута Лондон – Нью-Йорк. Самолету разрешили прилететь в Вашингтон (округ Колумбия) (в аэропорт Даллеса в Вирджинии ), и эта услуга была настолько популярна, что жители Нью-Йорка вскоре начали жаловаться, потому что у них ее не было. Вскоре Конкорд прилетел в аэропорт Кеннеди .

Наряду с изменением политических соображений авиационная общественность продолжала проявлять интерес к высокоскоростным пересечениям океана. Это положило начало дополнительным проектным исследованиям в США под названием «AST» (Advanced Supersonic Transport). SCV компании Lockheed был новой конструкцией для этой категории, в то время как компания Boeing продолжила исследования с моделью 2707 в качестве базовой.

К этому времени экономика прошлых концепций SST уже не была разумной. При первом проектировании предполагалось, что SST будут конкурировать с дальнемагистральными самолетами, вмещающими от 80 до 100 пассажиров, такими как Boeing 707 , но с более новыми самолетами, такими как Boeing 747, перевозящими в четыре раза больше пассажиров, преимущества концепции SST в скорости и топливе были отнято огромными размерами.

Другая проблема заключалась в том, что широкий диапазон скоростей, в которых работает SST, затрудняет совершенствование двигателей. В то время как дозвуковые двигатели добились больших успехов в повышении эффективности в 1960-е годы с появлением турбовентиляторных двигателей с постоянно увеличивающейся степенью двухконтурности , концепцию вентилятора трудно использовать на сверхзвуковых скоростях, где «правильный» двухконтурный режим составляет около 0,45. в отличие от 2,0 или выше для дозвуковых конструкций. По обеим этим причинам проекты SST были обречены из-за более высоких эксплуатационных затрат, а программы AST исчезли к началу 1980-х годов.

Рентабельность

Concorde продавался только British Airways и Air France, причем покупки субсидировались, которые должны были возвращать 80% прибыли правительству. На практике почти на протяжении всего срока действия соглашения не было никакой прибыли, подлежащей распределению. После приватизации Concorde меры по снижению затрат (в частности, закрытие металлургического полигона для испытаний крыльев, на котором было проведено достаточно температурных циклов для проверки самолета до 2010 года) и повышение цен на билеты привели к существенной прибыли.

С тех пор, как «Конкорд» прекратил полеты, выяснилось, что за время существования «Конкорда» самолет оказался прибыльным, по крайней мере, для British Airways. Эксплуатационные расходы Concorde за почти 28 лет работы составили около 1 миллиарда фунтов стерлингов, а выручка - 1,75 миллиарда фунтов стерлингов.

Заключительные полеты

25 июля 2000 года рейс 4590 авиакомпании Air France разбился вскоре после взлета, в результате чего все 109 пассажиров и четверо находившихся на земле погибли; единственный фатальный инцидент с участием Конкорда. Коммерческое обслуживание было приостановлено до ноября 2001 года, а самолеты Concorde были выведены из эксплуатации в 2003 году после 27 лет коммерческой эксплуатации.

Последние регулярные пассажирские рейсы приземлились в лондонском Хитроу 24 октября 2003 года из Нью-Йорка , второй рейс из Эдинбурга , а третий вылетел из Хитроу по кругу над Бискайским заливом .

К концу XX века такие проекты, как Туполев Ту-244 , Туполев Ту-344 , САИ «Тихий сверхзвуковой транспорт» , «Сухой-Гольфстрим С-21» , «Высокоскоростной гражданский транспорт » и др. не были реализованы.

Дизайн

Аэродинамика

Для всех транспортных средств, движущихся по воздуху, сила сопротивления пропорциональна коэффициенту сопротивления ( C _d ), квадрату скорости полета и плотности воздуха. Поскольку сопротивление быстро возрастает с увеличением скорости, ключевым приоритетом конструкции сверхзвукового самолета является минимизация этой силы за счет снижения коэффициента сопротивления. Это приводит к очень обтекаемой форме SST. В некоторой степени сверхзвуковые самолеты также справляются с сопротивлением, летая на больших высотах, чем дозвуковые самолеты, где плотность воздуха ниже.

Качественное изменение коэффициента Cd в зависимости от числа Маха для самолетов

Когда скорости приближаются к скорости звука, появляется дополнительное явление волнового сопротивления . Это мощная форма сопротивления, которая начинается на околозвуковых скоростях (около 0,88 Маха ). При скорости около 1 Маха пиковый коэффициент лобового сопротивления в четыре раза превышает дозвуковой. Выше околозвукового диапазона коэффициент вновь резко падает, хотя и остается на 20% выше на 2,5 Маха, чем на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой самолет должен иметь значительно большую мощность, чем требуется дозвуковому самолету, чтобы преодолеть это волновое сопротивление, и хотя крейсерские характеристики выше околозвуковой скорости более эффективны, они все же менее эффективны, чем полет на дозвуковой скорости.

Еще одной проблемой сверхзвукового полета является соотношение подъемной силы и лобового сопротивления (отношение L/D) крыльев. На сверхзвуковых скоростях аэродинамические профили создают подъемную силу совершенно иначе, чем на дозвуковых скоростях, и всегда менее эффективны. По этой причине были проведены значительные исследования по разработке формы крыла для длительного сверхзвукового полета. Примерно на скорости 2 Маха типичная конструкция крыла снижает соотношение L/D вдвое (например, у Concorde соотношение L/D составляет 7,14, тогда как у дозвукового Boeing 747 соотношение L/D составляет 17). Поскольку конструкция самолета должна обеспечивать достаточную подъемную силу, чтобы преодолеть собственный вес, уменьшение его отношения L/D на сверхзвуковых скоростях требует дополнительной тяги для поддержания воздушной скорости и высоты.

Двигатели

Конструкция реактивных двигателей существенно меняется между сверхзвуковыми и дозвуковыми самолетами. Реактивные двигатели, как класс, могут обеспечить повышенную топливную экономичность на сверхзвуковых скоростях, хотя их удельный расход топлива выше на более высоких скоростях. Поскольку их скорость относительно земли выше, это снижение эффективности менее чем пропорционально скорости, пока она не превысит 2 Маха, а расход энергии на единицу расстояния будет ниже.

British Airways Concorde на аэродроме Филтон в Бристоле , Англия, демонстрирует тонкий фюзеляж, необходимый для сверхзвукового полета.

Когда Concorde разрабатывался компанией Aérospatiale – BAC , с большим двухконтурным режимом реактивные двигатели (« турбореактивные » двигатели) еще не использовались на дозвуковых самолетах. Если бы Concorde поступил на вооружение вместо более ранних моделей, таких как Boeing 707 или de Havilland Comet , он был бы гораздо более конкурентоспособным, хотя 707 и DC-8 по-прежнему перевозили больше пассажиров. Когда в 1960-х годах эти реактивные двигатели с большим двухконтурным ходом поступили на коммерческую эксплуатацию, дозвуковые реактивные двигатели сразу же стали намного более эффективными, ближе к эффективности турбореактивных двигателей на сверхзвуковых скоростях. Одно главное преимущество SST исчезло.

Турбореактивные двигатели повышают эффективность за счет увеличения количества холодного воздуха низкого давления, который они разгоняют, используя часть энергии, обычно используемой для ускорения горячего воздуха в классическом небайпасном турбореактивном двигателе. Окончательным выражением этой конструкции является турбовинтовой двигатель , в котором почти вся реактивная тяга используется для приведения в действие очень большого вентилятора – пропеллера . Кривая эффективности конструкции вентилятора означает, что объем байпаса, который максимизирует общую эффективность двигателя, является функцией скорости движения вперед, которая уменьшается от гребных винтов к вентиляторам, а при увеличении скорости байпас вообще отсутствует. Кроме того, большая лобовая площадь, занимаемая вентилятором низкого давления в передней части двигателя, увеличивает лобовое сопротивление, особенно на сверхзвуковых скоростях, и означает, что степень двухконтурности гораздо более ограничена, чем на дозвуковых самолетах.

Например, ранний Ту-144С был оснащен турбовентиляторным двигателем с малой двухконтурностью, который был гораздо менее эффективен, чем турбореактивные двигатели Конкорда в сверхзвуковом полете. Более поздний Ту-144Д имел турбореактивные двигатели сопоставимой эффективности. Эти ограничения означали, что конструкции SST не могли воспользоваться преимуществами значительного улучшения экономии топлива, которое двигатели с большим двухконтурным ходом принесли на дозвуковой рынок, но они уже были более эффективны, чем их дозвуковые турбовентиляторные аналоги.

Структура

Сверхзвуковые скорости транспортных средств требуют более узкой конструкции крыла и фюзеляжа, а также подвергаются большим нагрузкам и температурам. Это приводит к проблемам с аэроупругостью , которые требуют более тяжелых конструкций для минимизации нежелательного изгиба. SST также требуют гораздо более прочной (и, следовательно, более тяжелой) конструкции, поскольку их фюзеляж должен находиться под большим перепадом давления , чем у дозвуковых самолетов, которые не работают на больших высотах, необходимых для сверхзвукового полета. В совокупности эти факторы означали, что вес пустого места на одно место Конкорда более чем в три раза превышает вес Боинга 747.

«Конкорд» и «ТУ-144» были построены из обычного алюминия: «Конкорд» из хидуминиума , а «ТУ-144» из дюраля . Однако более современные материалы, такие как углеродное волокно и кевлар, намного прочнее при растяжении из-за своего веса (что важно для борьбы с нагрузками от давления), а также более жесткими. Поскольку в конструкции SST вес конструкции на одно место намного выше, любые улучшения приведут к большему процентному улучшению, чем такие же изменения в дозвуковом самолете.

Расходы

Concorde Сравнение топливной эффективности

Самолет	Конкорд	Боинг 747-400
Пассажирские мили/британский галлон	17	109
Пассажирские мили/галлон США	14	91
Литров/пассажир 100 км	16.6	3.1

Более высокие затраты на топливо и меньшая пассажировместимость из-за аэродинамических требований к узкому фюзеляжу делают SST дорогим видом коммерческого гражданского транспорта по сравнению с дозвуковыми самолетами. Например, Боинг 747 может перевозить более чем в три раза больше пассажиров, чем Конкорд, используя при этом примерно такое же количество топлива.

Тем не менее, расходы на топливо не составляют основную часть стоимости пассажирских билетов на большинство дозвуковых самолетов. На трансатлантическом бизнес-рынке, для которого использовались самолеты SST, Concorde на самом деле был очень успешным и смог поддерживать более высокую цену на билеты. Теперь, когда коммерческие самолеты SST прекратили полеты, стало яснее, что Concorde приносил British Airways значительную прибыль.

Шумовое загрязнение

Экстремальные скорости реактивных струй, использованные во время взлета, привели к тому, что Конкорд и Ту-144 издавали значительный шум при взлете. Население вблизи аэропорта пострадало от высокого уровня шума двигателей, что побудило некоторые регулирующие органы не одобрять эту практику. Двигателям SST требуется довольно высокая удельная тяга (полезная тяга / воздушный поток) во время сверхзвукового крейсерского полета, чтобы минимизировать площадь поперечного сечения двигателя и, следовательно, сопротивление гондолы . К сожалению, это подразумевает высокую скорость реактивной струи, что делает двигатели шумными, особенно на малых скоростях/высотах и ​​при взлете.

Таким образом, будущий SST вполне может выиграть от двигателя с регулируемым циклом , в котором удельная тяга (и, следовательно, скорость реактивной струи и шум) мала при взлете, но увеличивается во время сверхзвукового крейсерского полета. Переход между двумя режимами будет происходить в какой-то момент во время набора высоты и обратно во время снижения (чтобы минимизировать шум реактивной струи при заходе на посадку). Трудность заключается в разработке конфигурации двигателя с регулируемым циклом, которая отвечала бы требованию малой площади поперечного сечения во время сверхзвукового крейсерского полета.

Звуковой удар не считался серьезной проблемой из-за больших высот, на которых летали самолеты, но проводились эксперименты середины 1960-х годов, такие как спорные испытания звукового удара в Оклахома-Сити и исследования ВВС США. североамериканского XB-70 Валькирия доказала обратное (см. Sonic Boom § Abatement ). К 1964 году из-за проблемы было неясно, будут ли лицензированы гражданские сверхзвуковые самолеты.

Раздражения от звукового удара можно избежать, подождав, пока самолет поднимется на большую высоту над водой, прежде чем достичь сверхзвуковой скорости; именно эту технику использовал Конкорд. Однако он исключает сверхзвуковые полеты над населенными пунктами. Сверхзвуковые самолеты имеют худшее аэродинамическое качество на дозвуковых скоростях по сравнению с дозвуковыми самолетами (если не используются такие технологии, как крылья изменяемой стреловидности ) и, следовательно, сжигают больше топлива, что делает их использование экономически невыгодным на таких траекториях полета.

У Конкорда избыточное давление составляло 1,94 фунта на квадратный фут (93 Па) (133 дБА SPL). Избыточное давление более 1,5 фунтов/кв. футов (72 Па) (131 дБА SPL) часто вызывает жалобы.

Если можно будет уменьшить интенсивность стрелы, то это может сделать даже очень большие конструкции сверхзвуковых самолетов приемлемыми для наземных полетов. Исследования показывают, что изменения в носовом обтекателе и хвосте могут снизить интенсивность звукового удара ниже уровня, необходимого для возникновения жалоб. Во время первоначальных попыток SST в 1960-х годах было высказано предположение, что тщательная форма фюзеляжа самолета может снизить интенсивность ударных волн звукового удара, которые достигают земли. Одна конструкция заставляла ударные волны мешать друг другу, что значительно уменьшало звуковой удар. В то время это было трудно проверить, но с тех пор растущая мощь компьютерного проектирования значительно облегчила эту задачу. В 2003 году был запущен демонстрационный самолет Shaped Sonic Boom , который доказал надежность конструкции и продемонстрировал возможность уменьшения стрелы примерно вдвое. Даже удлинение транспортного средства (без значительного увеличения веса), по-видимому, уменьшит интенсивность стрелы (см. Звуковая стрела § Снижение выбросов). ).

Например, когда дело доходит до государственной политики, ФАУ запрещает коммерческим самолетам летать на сверхзвуковых скоростях над суверенной территорией, управляемой Соединенными Штатами, из-за негативного воздействия звукового удара на людей и популяции животных внизу.

Переменная скорость

Аэродинамическая конструкция сверхзвукового самолета должна меняться в зависимости от его скорости для достижения оптимальных характеристик. Таким образом, SST в идеале должен менять форму во время полета, чтобы поддерживать оптимальные характеристики как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. Такая конструкция может привести к усложнению, которое увеличивает потребности в техническом обслуживании, эксплуатационные расходы и проблемы безопасности.

На практике все сверхзвуковые транспортные средства используют по существу одну и ту же форму для дозвукового и сверхзвукового полета, и выбирается компромисс в характеристиках, часто в ущерб полету на малой скорости. Например, «Конкорд» имел очень высокое лобовое сопротивление ( отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению около 4) на низкой скорости, но большую часть полета он двигался на высокой скорости. Конструкторы «Конкорда» потратили 5000 часов на оптимизацию формы корабля в ходе испытаний в аэродинамической трубе, чтобы максимизировать общие характеристики на протяжении всего плана полета.

Боинг 2707 имел поворотные крылья , обеспечивающие более высокую эффективность на низких скоростях, но увеличенное пространство, необходимое для такой функции, привело к проблемам с пропускной способностью, которые в конечном итоге оказались непреодолимыми.

Компания North American Aviation продемонстрировала необычный подход к этой проблеме с XB-70 Valkyrie . Опуская внешние панели крыльев при высоких числах Маха, они смогли воспользоваться подъемной силой сжатия в нижней части самолета. Это улучшило соотношение L/D примерно на 30%.

Температура кожи

На сверхзвуковых скоростях самолет адиабатически сжимает воздух перед собой. Повышенная температура воздуха нагревает самолет.

Дозвуковые самолеты обычно изготавливаются из алюминия. Однако алюминий, будучи легким и прочным, не способен выдерживать температуру намного выше 127 °C; выше 127 °C алюминий постепенно теряет свои свойства, вызванные старением. такие материалы, как нержавеющая сталь ( ХВ-70 Валькирия , МиГ-25 ) или титан ( СР-71 , Сухой Т-4 Для самолетов, летающих со скоростью 3 Маха, использовались ), но со значительным увеличением стоимости, поскольку свойства этих материалов материалы значительно усложняют производство самолета.

В 2017 году был обнаружен новый карбидный керамический материал покрытия, способный выдерживать температуры, достигающие 5 Маха и выше, возможно, до 3000 °C.

Диапазон

Дальность сверхзвукового самолета можно оценить с помощью Бреге уравнения дальности .

Высокая взлетная масса на одного пассажира затрудняет получение хорошей фракции топлива. Эта проблема, наряду с проблемой сверхзвукового аэродинамического качества, значительно ограничивает дальность действия сверхзвуковых транспортных средств. Поскольку дальние маршруты были нецелесообразны, авиакомпании не были заинтересованы в покупке самолетов.

Коммерческая практичность

Аэрофлот Ту-144 на Парижском авиасалоне в 1975 году.

Авиакомпании потенциально ценят очень быстрые самолеты, поскольку они позволяют самолету совершать больше рейсов в день, обеспечивая более высокую отдачу от инвестиций. Кроме того, пассажиры обычно предпочитают более быстрые и короткие поездки более медленным и длительным поездкам, поэтому эксплуатация более быстрых самолетов может дать авиакомпании конкурентное преимущество, даже в той степени, в которой многие клиенты охотно будут платить более высокие тарифы ради экономии времени и затрат. /или прибудем раньше. Однако высокий уровень шума Concorde в аэропортах, проблемы с часовыми поясами и недостаточная скорость означали, что в день можно было совершить только один обратный рейс, поэтому дополнительная скорость не была преимуществом для авиакомпании, кроме как в качестве преимущества для ее клиентов. Предлагаемые американские SST были предназначены для полета со скоростью 3 Маха, отчасти по этой причине. Однако с учетом времени ускорения и торможения трансатлантический перелет на SST со скоростью 3 Маха будет менее чем в три раза быстрее, чем полет со скоростью 1 Маха.

Поскольку SST производят звуковые удары на сверхзвуковых скоростях, им редко разрешается летать на сверхзвуке над сушей, и вместо этого они должны летать на сверхзвуке над морем. Поскольку они неэффективны на дозвуковых скоростях по сравнению с дозвуковыми самолетами, дальность полета ухудшается и количество маршрутов, по которым самолет может летать без остановок, сокращается. Это также снижает желательность таких самолетов для большинства авиакомпаний.

Сверхзвуковые самолеты имеют более высокий расход топлива на одного пассажира, чем дозвуковые самолеты; это делает цену билета неизбежно выше, при прочих равных условиях, а также делает эту цену более чувствительной к цене на нефть. (Это также делает сверхзвуковые полеты менее безопасными для окружающей среды и устойчивости, что вызывает растущую озабоченность широкой общественности, включая авиапассажиров.)

Инвестирование в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке нового SST можно рассматривать как попытку увеличить скорость воздушного транспорта. В целом, помимо стремления к новым технологическим достижениям, основной движущей силой таких усилий является конкурентное давление со стороны других видов транспорта. Конкуренция между различными поставщиками услуг в рамках одного вида транспорта обычно не приводит к таким технологическим инвестициям для увеличения скорости. Вместо этого поставщики услуг предпочитают конкурировать по качеству и стоимости услуг. Примером этого явления является высокоскоростная железная дорога . Ограничение скорости на железнодорожном транспорте было настолько увеличено, что оно могло эффективно конкурировать с автомобильным и воздушным транспортом. Но это достижение было сделано не для того, чтобы различные железнодорожные компании конкурировали между собой. Это явление также снижает желательность SST для авиакомпаний, поскольку при перевозках на очень большие расстояния (пару тысяч километров) конкуренция между различными видами транспорта напоминает скачки одиночных лошадей: у воздушного транспорта нет существенного конкурента. Единственная конкуренция существует между авиакомпаниями, и они скорее предпочтут платить умеренно за снижение затрат и повышение качества обслуживания, чем платить гораздо больше за увеличение скорости. Кроме того, коммерческие компании обычно предпочитают бизнес-планы с низким уровнем риска и высокой вероятностью получения ощутимой прибыли, но дорогостоящая программа передовых технологических исследований и разработок является предприятием с высоким риском, поскольку возможно, что программа потерпит неудачу по непредвиденным техническим причинам. или столкнется с настолько большим перерасходом средств, что из-за ограниченности финансовых ресурсов компания будет вынуждена отказаться от усилий до того, как она создаст какую-либо рыночную технологию SST, что потенциально приведет к потере всех инвестиций.

Воздействие на окружающую среду

По оценкам Международного совета по чистому транспорту (ICCT), SST будет сжигать в 5–7 раз больше топлива на одного пассажира. ICCT показывает, что сверхзвуковой рейс из Нью-Йорка в Лондон будет потреблять более чем в два раза больше топлива на одного пассажира, чем в дозвуковом бизнес-классе , в шесть раз больше, чем в эконом-классе , и в три раза больше, чем в дозвуковом бизнес-классе для рейса из Лос-Анджелеса в Сидней. . Проектировщики могут либо соответствовать существующим экологическим стандартам с помощью передовых технологий, либо лоббировать политиков с целью установления новых стандартов для SST.

Если бы в 2035 году было 2000 SST, в 160 аэропортах выполнялось бы 5000 рейсов в день, а парк SST выбрасывал бы около 96 миллионов метрических тонн CO₂ в год (как American , Delta и Southwest вместе взятые в 2017 году), от 1,6 до 2,4 гигатонн CO₂ в год. CO₂ в течение 25 лет существования: одна пятая углеродного бюджета международной авиации , если авиация сохранит свою долю выбросов 1,5 °C , чтобы оставаться ниже климатической траектории . Зона воздействия шума вокруг аэропортов может удвоиться по сравнению с существующими дозвуковыми самолетами того же размера: более 300 операций в день в Дубае и лондонском Хитроу и более 100 в Лос-Анджелесе , Сингапуре , Сан-Франциско , Нью-Йорке (JFK) , Франкфурте и Бангкок . Частые звуковые удары можно было услышать в Канаде, Германии, Ираке, Ирландии, Израиле, Румынии, Турции и некоторых частях США: до 150–200 в день или один каждые пять минут.

Завершенные проекты

Музей автомобилей и техники Зинсхайма в Германии — единственное место, где Конкорд и Ту-144 выставлены вместе.

См. Также: Истории самолетов Конкорд.

21 августа 1961 года самолет Douglas DC-8-43 (регистрационный N9604Z) превысил скорость 1 Маха в контролируемом пикировании во время испытательного полета на базе ВВС Эдвардс. В состав экипажа входили Уильям Магрудер (пилот), Пол Паттен (второй пилот), Джозеф Томич (бортинженер) и Ричард Х. Эдвардс (инженер по летным испытаниям). Это первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера.

Всего было построено 20 «Конкордов»: два прототипа, два опытных самолета и 16 серийных самолетов. Из шестнадцати серийных самолетов два не поступили в коммерческую эксплуатацию, а восемь оставались в эксплуатации по состоянию на апрель 2003 года. Все эти самолеты, кроме двух, сохранились; два, которые не являются таковыми, - это F-BVFD (cn 211), припаркованный в качестве источника запчастей в 1982 году и списанный в 1994 году, и F-BTSC (cn 203), который разбился под Парижем 25 июля 2000 года, в результате чего погибли 100 пассажиров. , 9 членов экипажа и 4 человека на земле.

Всего было построено шестнадцать летных Ту-144; семнадцатый Ту-144 (рег. 77116) так и не был достроен. Параллельно с разработкой прототипа 68001 также проводился как минимум один планер для наземных испытаний для статических испытаний.

Будущее развитие

Концепция Lockheed Martin представлена ​​Управлению исследований в области аэронавтики НАСА в апреле 2010 года.

Концепция Boeing представлена ​​Управлению исследовательских миссий НАСА по аэронавтике в апреле 2010 года.

Стремление к созданию сверхзвукового самолета второго поколения сохранилось в некоторых элементах авиационной промышленности. и после выхода на пенсию Concorde появилось несколько концепций.

По данным Aviation Week , рынок сверхзвуковых авиалайнеров стоимостью 200 миллионов долларов за 10-летний период может составить 1300 на сумму 260 миллиардов долларов. Разработка и сертификация, вероятно, обойдутся в 4 миллиарда долларов.

Предыдущие концепции

Модель транспортного средства McDonnell Douglas со скоростью 2,2 Маха в масштабе 1:10, 1992 год, часть высокоскоростных исследований НАСА. программы

В ноябре 2003 года EADS — материнская компания Airbus — объявила, что рассматривает возможность сотрудничества с японскими компаниями для разработки более крупной и быстрой замены Concorde. В октябре 2005 года JAXA , Японское агентство аэрокосмических исследований, провело аэродинамические испытания масштабной модели авиалайнера, предназначенного для перевозки 300 пассажиров на скорости 2 Маха ( Next Generation Supersonic Transport , NEXST , затем Zero Emission Hyper Sonic Transport ). В случае коммерческого развертывания ожидается, что он поступит на вооружение примерно в 2020–2025 годах.

В мае 2008 года сообщалось, что корпорация Aerion продала предварительные заказы на свой Aerion SBJ на сумму 3 миллиарда долларов. сверхзвуковой бизнес-джет В конце 2010 года проект продолжился испытательным полетом секции крыла. Aerion AS2 был предложен как 12-местный трехдвигательный двигатель с дальностью полета 4750 миль (8800 км; 5470 миль) на скорости 1,4 Маха над водой или 5300 миль (9800 км; 6100 миль) на скорости 0,95 Маха над сушей, хотя и «без стрелы». Утверждалось, что полет со скоростью 1,1 Маха возможен. При поддержке Airbus и 20 заказах на запуск от Flexjet первые поставки были перенесены с 2023 года на два года, когда в мае 2017 года компания GE Aviation была выбрана для совместного исследования двигателей. В мае 2021 года компания объявила о прекращении деятельности из-за невозможности привлечь капитал.

SAI Quiet Supersonic Transport — это конструкция с 12 пассажирами от Lockheed Martin , которая должна двигаться со скоростью 1,6 Маха и создавать звуковой удар, мощность которого составляет всего 1% от мощности Конкорда.

сверхзвуковые Ту-444 или Gulfstream X-54 Также предлагались .

2016 – настоящее время

В марте 2016 года компания Boom Technology сообщила, что находится на стадии разработки сверхзвукового самолета на 40 пассажиров, способного летать со скоростью 1,7 Маха, заявив, что моделирование конструкции показывает, что он будет тише и на 30% эффективнее, чем Concorde, и будет способен долететь из Лос-Анджелеса в Сидней за 6 часов. Планируется, что он будет принят на вооружение в 2029 году.

В целях экономической целесообразности исследования НАСА с 2006 года были сосредоточены на уменьшении звукового удара , чтобы обеспечить сверхзвуковой полет над сушей. В 2016 году НАСА объявило о подписании контракта на проектирование современного малошумного прототипа SST . Коллектив разработчиков возглавляет компания Lockheed Martin Aeronautics . НАСА должно запустить в 2019 году демонстрационный образец с низкой стрелой, уменьшенной с двойных ударов до мягких ударов за счет формы планера, чтобы узнать реакцию сообщества в поддержку предполагаемой отмены запрета ФАУ и ИКАО в начале 2020-х годов. Самолет Lockheed Martin X-59 QueSST X будет имитировать ударную волну авиалайнера со скоростью от 1,6 до 1,8 Маха и вместимостью от 80 до 100 мест при 75 PNLdB по сравнению со 105 PNLdB у Concorde.

ЦАГИ 2017 в Москве масштабную модель своего сверхзвукового бизнес-джета/коммерческого самолета, который должен создавать низкую звуковую стрелу , представил на авиасалоне МАКС позволяющую совершать сверхзвуковые полеты над сушей, оптимизированную для крейсерской скорости 2100 км/ч (1300 миль в час) и скорости 7400–8600 км/ч. Диапазон км (4600–5300 миль). Научные исследования направлены на оптимизацию как трансзвуковых скоростей 0,8–0,9 Маха, так и сверхзвуковых скоростей 1,5–2,0 Маха, аналогичная конструкция тестируется в аэродинамической трубе , концепция двигателей разрабатывается в Центральном институте авиационного моторостроения , а проекты изучаются в Авиадвигателе и НПО. Сатурн .

На съезде NBAA в Лас-Вегасе в октябре 2017 года, когда НАСА поддерживало только исследования, различные компании столкнулись с инженерными проблемами, пытаясь предложить самолет без двигателя, с регулируемой максимальной скоростью и рабочими моделями:

• Испытательный стенд Boom XB-1 Baby Boom третьего масштаба должен полететь в 2018 году, поскольку силовая установка выбрана для трехреактивного авиалайнера на 45/55 мест, развивающего скорость 2,2 Маха над водой на расстояние 9 000 морских миль (17 000 км; 10 000 миль) с одной остановкой для бизнеса. -классный тариф. Стремясь к поставкам в 2023 году, в 2016 году компания получила 10 обязательств от Virgin и 15 от неизвестной европейской авиакомпании, всего к июню 2017 года — 76 от пяти авиакомпаний;
• Spike S-512 представляет собой двухдвигательный реактивный самолет, финансируемый за счет собственных средств, предназначенный для полета со скоростью 1,6 Маха над водой на расстояние 6200 миль (11500 км; 7100 миль) с 22 пассажирами в кабине без окон и с неуказанными двигателями мощностью 20 000 фунтов силы (89 кН). Модель в масштабе SX-1.2 должна была совершить свой первый полет в сентябре 2017 года, пилотируемый испытательный стенд должен был состояться в 2019 году, а прототип - в 2021 году, а на рынке он появится в 2023 году.

Модель	Пассажиры	Круиз	Диапазон ( нми )	МВВ	Общая тяга	Тяга/вес
Tupolev Tu-144	150	2,0 Маха	3500 миль (6500 км)	207 т (456 000 фунтов)	960 кН (216 000 фунтов силы)	0.44
Конкорд	120	2,02 Маха	3900 миль (7200 км)	185 т (408000 фунтов)	676 кН (152 000 фунтов силы)	0.37
Увертюра Boom Technology	55	1,7 Маха	4250 миль (7870 км)	77,1 т (170 000 фунтов)	200–270 кН (45 000–60 000 фунтов силы)	0.26–0.35

Из четырех миллиардов авиапассажиров в 2017 году более 650 миллионов летали дальними рейсами на расстояние от 2 000 до 7 000 миль (от 3 200 до 11 300 км), в том числе 72 миллиона в бизнес-классе и первом классе , а к 2025 году их число достигнет 128 миллионов; Спайк прогнозирует, что тогда сверхзвуковым транспортом заинтересуются 13 миллионов человек.

В октябре 2018 года повторно утвердило ФАУ запланированные стандарты шума для сверхзвуковых транспортных средств, что дало разработчикам нормативную уверенность в своих проектах, в основном в выборе двигателей. Правила получения разрешения на сверхзвуковые летные испытания в США и сертификации по шуму будут предложены ФАУ к началу 2019 года. ФАУ должно внести предложение по шуму при посадке и взлете до 31 марта 2020 года, а правило после 2022 года; и для наземного звукового удара с конца 2020 года, в то время как НАСА планирует запустить Lockheed Martin X-59 QueSST летный демонстратор с низкой стрелой с 2021 года по стандартам ИКАО в 2025 году.

В июне 2019 года, вдохновленная инициативой НАСА по созданию бесшумных сверхзвуковых двигателей и X-59 QueSST , компания Lockheed Martin представила авиалайнер с бесшумной сверхзвуковой технологией . концепция транстихоокеанского авиалайнера со скоростью 1,8 Маха на 40 пассажиров. Снижение шума в аэропорту и звукового удара достигается за счет конструкции стрелы определенной формы ; интегрированная малошумная двигательная установка; со стреловидным крылом сверхзвуковой естественный ламинарный поток ; кабины и система внешнего обзора (XVS). Конструкция длиной 225 футов (69 м) значительно длиннее, чем Concorde , с носовой частью длиной почти 70 футов (21 м) и кабиной длиной 78 футов (24 м). с резкой стреловидностью Треугольное крыло имеет размах 73 фута (22 м), что немного уже, чем у Concorde.

Целями проектирования являются дальность полета 4 200–5 300 миль (7 800–9 800 км) и длина взлетной площадки 9 500–10 500 футов (2 900–3 200 м), звуковой удар 75–80 PLdB и крейсерский полет со скоростью 1,6–1,7 Маха над сушей и скоростью Маха. 1,7-1,8 над водой. Двойные хвостовые двигатели без дожигания мощностью 40 000 фунтов силы (180 кН) расположены между V-образными хвостовыми оперениями. Интегрированная малошумная силовая установка включает усовершенствованную конструкцию форсунки , концепцию шумозащиты и устойчивые к искажениям лопасти вентилятора .

В 2019 году была основана компания Exosonic, Inc с целью разработки сверхзвукового реактивного самолета на 70 пассажиров, способного летать со скоростью 1,8 Маха и дальностью полета 5000 морских миль (9300 км; 5800 миль). Компания намерена представить этот самолет на коммерческой основе в 2030-х годах. В апреле 2021 года Exosonic получила контракт на разработку сверхзвукового самолета, который может использоваться в качестве Air Force One.

В августе 2020 года компания Virgin Galactic вместе с Rolls-Royce представила концепцию двухдвигательного самолета с треугольным крылом , способного развивать скорость 3 Маха и способного перевозить до 19 пассажиров.

НАСА работает с двумя командами под руководством Boeing и Northrop Grumman над разработкой концепции авиалайнера, развивающего скорость 4 Маха.

В апреле 2024 года компания Boom получила лицензию FAA на испытания своего XB-1 на скорости 1 Маха и выше, которые будут проводиться в сверхзвуковом коридоре Блэк-Маунтин в Мохаве, Калифорния.

Гиперзвуковой транспорт

См. Также: Гиперзвуковая скорость и Гиперзвуковой полет.

В то время как обычные турбо- и прямоточные воздушно-реактивные двигатели способны сохранять достаточную эффективность до 5,5 Маха, иногда обсуждаются также некоторые идеи для очень высокоскоростного полета, превышающего 6 Маха, с целью сокращения времени полета до одного или двух часов в любой точке мира. . В этих транспортных средствах обычно используются либо ракетные , либо прямоточные воздушно-реактивные двигатели; импульсно-детонационные двигатели Также были предложены . С таким полетом связано множество сложностей как технического, так и экономического характера.

Транспортные средства с ракетными двигателями, хотя и технически практичны (либо как баллистические транспортные средства, либо как полубаллистические транспортные средства с использованием крыльев), будут использовать очень большое количество топлива и лучше всего работать на скоростях от 8 Маха до орбитальных. Ракеты лучше всего конкурируют с воздушно-реактивными двигателями по стоимости на очень большой дальности; однако даже для путешествия в противоположных направлениях затраты будут лишь несколько ниже, чем затраты на орбитальный запуск.

в июне 2011 года На Парижском авиасалоне EADS представила свою концепцию ZEHST , летающую со скоростью 4 Маха (4400 км/ч; 2400 узлов) на высоте 105 000 футов (32 000 м) и вызвавшую интерес Японии. Немецкий SpaceLiner — проект суборбитального гиперзвукового крылатого пассажирского космического самолета, находящегося на стадии предварительной разработки.

Реактивные двигатели с предохлаждением — это реактивные двигатели с теплообменником на входе, охлаждающим воздух на очень высоких скоростях. Эти двигатели могут быть практичными и эффективными при скорости примерно до 5,5 Маха, и это область исследований в Европе и Японии. Британская компания Reaction Engines Limited , получающая 50% денег ЕС, участвовала в исследовательской программе под названием LAPCAT , в рамках которой изучалась конструкция самолета на водородном топливе, перевозящего 300 пассажиров, под названием A2 , потенциально способного летать со скоростью 5+ Маха без остановок от Из Брюсселя в Сидней за 4,6 часа. Последующие исследования, LAPCAT II, ​​начались в 2008 году и продлились четыре года.

STRATOFLY MR3 — это исследовательская программа ЕС ( Немецкий аэрокосмический центр , ONERA и университеты), целью которой является разработка криогенного авиалайнера на 300 пассажиров, способного летать со скоростью около 10 000 км/ч (8 Маха) на высоте более 30 км.

Destinus , Hermeus и Venus Aerospace разрабатывают гиперзвуковые пассажирские самолеты.

Концепт гиперзвукового транспорта Boeing

Компания Boeing представила на конференции AIAA 2018 пассажирский авиалайнер со скоростью 6 Маха (6500 км/ч; 3500 узлов). Пересечение Атлантики за 2 часа или Тихого океана за 3 на высоте 100 000 футов (30 км) позволит совершать обратные рейсы в тот же день, что повысит эффективность использования активов авиакомпаний . Если использовать титановый планер, его вместимость будет меньше, чем у Боинга 737 , но больше, чем у дальнемагистрального бизнес-джета . Многоразовый демонстратор может быть запущен в эксплуатацию уже в 2023 или 2024 году, а его потенциальный ввод в эксплуатацию возможен в конце 2030-х годов. Аэродинамика выиграет от опыта Boeing X-51 Waverider , использующего переднюю ударную волну для снижения индуцированного сопротивления . Управление потоком увеличит подъемную силу на более низких скоростях, а отказ от форсажных камер при взлете уменьшит шум . Гиперзвуковой авиалайнер Boeing будет оснащен турбо прямоточным воздушно-реактивным двигателем , а турбовентиляторный двигатель , который переходит в прямоточный воздушно-реактивный двигатель на скорости 6 Маха, позволит избежать необходимости в ГПВРД, подобно SR-71 Blackbird , Pratt & Whitney J58 но с отключением турбины на более высоких скоростях. скорости. Он будет иметь осесимметричную кольцевую компоновку с одним воздухозаборником и соплом , а также обводным каналом вокруг газотурбинного двигателя с комбинацией форсажной камеры и прямоточного воздушно-реактивного двигателя сзади. Для этого потребуются передовые охлаждения технологии , такие как теплообменник , разработанный Reaction Engines , возможно, с использованием жидкого метана и/или реактивного топлива . Крейсерский полет на высоте 90 000–100 000 футов (27 000–30 000 м) увеличивает разгерметизации риск . В качестве предела, достижимого при имеющихся технологиях , была выбрана скорость 6 Маха . Он будет иметь высокую загрузку мощностей и сможет пересекать Атлантику четыре или пять раз в день, тогда как «Конкорд» может пересекать Атлантику дважды в день .

См. также

• Список сверхзвуковых самолетов
• Суперкруиз

Внешние ссылки

• «Претенденты SST США» . Рейс Интернешнл . 13 февраля 1964 года.
• Национальный исследовательский совет (1997). Американский сверхзвуковой коммерческий самолет . Пресса национальных академий. ISBN  978-0309058780 .
• «Обзор: гражданские двигатели» (отрывок из статьи о рынке гражданских двигателей, включая обсуждение ССТ). Джейн. Август 2006 г. Архивировано из оригинала 21 августа 2006 г.
• Питер Коэн (15–17 марта 2011 г.). «Программа фундаментальной аэронавтики - Проект сверхзвука» (PDF) . Обзор проекта . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2022 года . Проверено 28 декабря 2020 г.
• «Передовые концептуальные исследования сверхзвуковых коммерческих транспортных средств, вводимых в эксплуатацию в период с 2018 по 2020 год» . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Февраль 2013.
• Харгривз, Стив (26 ноября 2014 г.). «Сверхзвуковые самолеты могут долететь из Нью-Йорка в Лос-Анджелес за 2,5 часа (или меньше)» . CNN Деньги .
• «Взлет и падение SST» . AirVectors. 1 августа 2015 г.
• Кларк, Крис (24 ноября 2015 г.). «11 диковинных попыток построить следующий Конкорд» . Популярная механика . Испытания и невзгоды при попытке возродить сверхзвуковые пассажирские перевозки.
• Сунь, Ичэн; Смит, Ховард (декабрь 2016 г.). «Обзор и перспективы проектирования сверхзвуковых бизнес-джетов» . Прогресс аэрокосмических наук . 90 : 12–38. дои : 10.1016/j.paerosci.2016.12.003 . hdl : 1826/11307 .
• Ламперт, Эллисон; Фрид, Джейми (12 июля 2018 г.). «США и Европа спорят по поводу глобальных стандартов шума сверхзвуковых реактивных самолетов» . Рейтер .