Гиперзвук для пассажира

Век высоких скоростей — так часто называют время, в которое мы живем. Современный ритм ставит перед нами новые все более сложные задачи. Это касается и специалистов авиационного сообщества. В наши дни, когда мы говорим о пассажирской авиации, трудно представить себе самолет, способный летать со скоростью порядка ... 7 000 — 8 000 км/ч! Тем не менее в настоящее время ученые Европейского Союза, России и Австралии работают над этой задачей.

«Возможность быстрого перемещения на дальние расстояния — естественная потребность человека XXI века. Например, перемещение из Москвы в Сидней сегодня занимает больше суток суммарного „чистого времени“ полета. И, поверьте, это очень тяжело — я несколько раз летала в Австралию. Непростое испытание для организма. Поэтому идея создания летательного аппарата, который преодолеет такое расстояние, скажем, за три часа, очень заманчива», — считает Нина Воеводенко, начальник сектора отделения летательных аппаратов ФГУП «ЦАГИ».

Нина Владимировна — руководитель рабочего пакета расчетных исследований и численного моделирования международного проекта HEXAFLY-INT с российской стороны. (Название проекта является аббревиатурой полнго наименования High-SpeedEXperimental FLY Vehicles — INTernational (Высокоскоростной экспериментальный летательный аппарат)). Координатором проекта HEXAFLY-INT выступает ESA — ESTEC (Нидерланды). Помимо ЦАГИ, нашу страну в этой работе представляют ЦИАМ им. П.И. Баранова, ЛИИ им. М.М. Громова и ФАЛТ МФТИ.

Целью проекта, стартовавшего в 2014 году, является исследование концепции высокоскоростного гражданского самолета. Предполагается, что перспективное воздушное судно будет летать на крейсерском режиме при числах Маха 7–8. «Сейчас подобных аппаратов в принципе нет. Я не имею в виду ракеты. Крейсерских пассажирских самолетов, способных летать со скоростью, соответствующей числу Маха 5 и даже 3, — не существует», — подчеркивает Нина Воеводенко. Поэтому задача, стоящая перед участниками проекта, кажется, звучит поистине фантастично. Тем не менее за аббревиатурой HEXAFLY-INT стоит работа целого ряда специалистов из Нидерландов, Германии, Франции, Италии, Бельгии, Великобритании, России и Австралии. Вместе они стремятся создать летательный аппарат, обладающий высоким для таких скоростей аэродинамическим качеством (порядка 6,5). Но важно понимать, что понятие «высокое аэродинамическое качество» для гиперзвукового самолета существенно отличается от этого же параметра в применении к дозвуковым пассажирским лайнерам, которые эксплуатируются сегодня (для таких судов этот показатель составляет около 18).

Интересно, как будет выглядеть футуристический летательный аппарат? Нижняя поверхность летательного аппарата имеет волнолетную конфигурацию. Такая компоновка имеет треугольное крыло с передней кромкой малого затупления и отрицательной поперечной V-образностью, что позволяет уменьшить сопротивление воздуха. Отличительной особенностью является и то, что воздухозаборник интегрирован в общую внешнюю форму. Эти характеристики в совокупности дают увеличение подъемной силы и аэродинамического качества на гиперзвуковых режимах. Для управления летательным аппаратом используются элевоны, расположенные в конце крыла. В качестве топлива предполагается использовать водород. Закономерный вопрос — каковы ожидаемые габариты? Нина Владимировна конкретизирует: «Если речь идет о версии на 300 пассажиров — длина около 90 метров, общий вес около 400 тонн».

Есть ряд принципиальных вопросов, остающихся открытыми для участников HEXAFLY-INT. Прежде всего — создание двигателя, соответствующего характеристикам самолета и режимам его полета. Пожалуй, наряду с проблемой теплозащиты, это главная «ахиллесова пята». На таких скоростях полета отдельные части летательного аппарата могут «разогреться» до 2000 градусов. Таким образом, необходимо разработать специальные, термоустойчивые материалы для обшивки гиперзвукового лайнера, что послужит стимулом к приобретению новых знаний и технологий.

ЦАГИ в проекте выполняет значительный объем работ в направлении аэродинамики: производство моделей для эксперимента, трубные испытания, расчетные исследования. «HEXAFLY-INT в очередной раз доказал уникальность нашей экспериментальной базы. В частности, аэродинамическая труба Т-116, обеспечивающая реальные условия эксперимента на гиперзвуковых режимах, позволила выявить проблемные места исследуемой компоновки. В установках других центров, участвующих в проекте, подобных результатов достичь было бы попросту невозможно. Зарубежные партнеры чрезвычайно высоко оценили качество эксперимента в нашей трубе», — рассказывает Нина Владимировна. И тут же подчеркивает, что и для ЦАГИ работа в этой кооперации является источником пополнения задела на будущее. «Мы занимаемся исследованиями в чрезвычайно важном и интересном для нас поле. Это возможность изучения ламинарно-турбулентного перехода, верификации наших методов, сравнения с данными коллег, результатами эксперимента... Это огромный пласт материала, ценность которого для продвижения науки трудно переоценить». Кстати, модель высокоскоростного самолета, созданная институтом для трубных экспериментов, вошла в экспозицию ЦАГИ на Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2017 и вызвала заметный интерес посетителей.

В 2019 году участники HEXAFLY-INT собираются провести летный эксперимент на полигоне в Бразилии. На ЦАГИ возложена задача изготовления модели для этого полета. В ходе эксперимента будет исследоваться бездвигательный вариант компоновки — так называемый «глайдер», вес которого — 400 килограммов, а размер — порядка 3 метров. Для создания летной модели потребуется ... 10 тонн титана! «Это ответственная часть работы. Полет планируется проводить по сложной траектории с использованием твердотопливной ракеты, которая поднимет модель на суборбитальную траекторию (максимальная высота около 90 километров). Далее (после отделения от носителя) модель будет разгоняться за счет приобретенной потенциальной энергии и достигнет интересующего нас диапазона скоростей, соответствующих числам Маха 7–8, на высоте около 30 километров», — рассказывает Нина Воеводенко.

Сегодня гиперзвуковая пассажирская авиация — одно из актуальных направлений научной и инженерной мысли. Над концепциями суперскоростных самолетов, способных перенести пассажиров на дальние расстояния за короткое время, трудятся многие ученые разных стран мира. Но проект HEXAFLY-INT уникален тем, что в нем объединили усилия специалисты разных стран. Аналогичной исследовательской кооперации по данной тематике не существует. Постоянный обмен опытом и наработками очень важен для создания этого, без преувеличения, фантастического летательного аппарата.

Каково быть пассажиром гиперзвукового самолета, пока представить трудно. «Этот проект — на далекое будущее», — размышляет Нина Воеводенко. «От первых самолетов, которые были созданы человеком, до нынешних лайнеров пройден огромный путь. Путь проб, ошибок, поисков. И летательные аппараты начала XX века казались не менее фантастическими и невообразимыми, чем создаваемый в проекте HEXAFLY-INT. Думаю, что гиперзвуковой самолет пройдет свой путь и в итоге займет достойное место в сегменте пассажирской авиации. И, что особенно важно, в ходе этой работы будут созданы соответствующие перспективные материалы, двигатели, а это даст импульс развитию всевозможных технологий и воздушного транспорта в целом».