Индекс цитирования Яндекс.Метрика
21.10.2016

Сверхзвуковой пассажирский самолет: оценки и прогнозы

Свою точку зрения на проблему излагает начальник сектора отдела «Оценка эффективности применения силовых установок на летательных аппаратах» ЦИАМ Артур Амазаспович Мирзоян.

Первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет (СПС) Ту-144 поднялся в небо 31 декабря 1968 года. Через два месяца взлетел англо-французский «Конкорд», продержавшийся в небе почти 35 лет. Прошло уже без малого полвека с начала эксплуатации Ту-144 и «Конкорда», а СПС нового поколения так и не появились ни в России, ни за рубежом, хотя разработки в этой области ведут все развитые страны и время от времени возникают вполне, казалось бы, готовые для реализации проекты. Вот и в конце 2015 года появилось сообщение о том, что американская фирма Flexjet, специализирующаяся в деловой авиации, оформила заказ стоимостью $ 2,4 млрд на 20 сверхзвуковых деловых самолетов (СДС), разрабатываемых компанией Aerion (США) совместно с компанией Airbus. Насколько серьезен этот проект и почему при бурном развитии военной сверхзвуковой авиации до новых СПС дело пока так и не дошло? Свою точку зрения на проблему излагает начальник сектора отдела «Оценка эффективности применения силовых установок на летательных аппаратах» ЦИАМ Артур Амазаспович Мирзоян.

Какие препятствия стоят на пути создания СПС нового поколения?

Первая — это экология, прежде всего воздействие шума и звукового удара на окружающую среду, хотя и влияние вредных выбросов на озоновый слой земли также находится в поле зрения специалистов. Во-вторых, низкая эксплуатационная эффективность сверхзвуковых самолетов. По топливной эффективности они в 1,5‒2 раза уступают дозвуковым коммерческим самолетам. Следующая проблема — цена воплощения тех технологий, которые позволяют удовлетворить первым двум требованиям, то есть экономика и бизнес для фирм, которые будут разрабатывать и эксплуатировать СПС. И последняя, но очень важная проблема — сертификация. Для сертификации СПС отсутствуют требования, особенно по звуковому удару и шуму на местности, на которые следует ориентироваться потенциальным разработчикам самолетов.

В чем сложность с определением приемлемого уровня звукового удара?

В целом уровень звукового удара самолета зависит от его компоновки и формы, размеров, режима полета, реального состояния атмосферы, формы рельефа местности и т. д. Реальная проблема на настоящий момент состоит в том, что сегодня полеты СПС над сушей на сверхзвуковой скорости вообще запрещены как в США, так и в Европе. Международная организация гражданской авиации (ИКАО) сейчас серьезно занимается определением уровня максимальной интенсивности звукового удара, приемлемого для человека. Влияние этого «хлопка» на человека и вообще на животный мир — очень сложная и до сих еще недостаточно изученная проблема. Поэтому нужно сначала установить уровень звукового удара, который приемлем для восприятия человеком, а дальше уже заниматься проблемой влияния на строения, животных, водную поверхность и т. д.

В Комитете по защите окружающей среды от воздействия авиации (CAEP) ИКАО специальная группа занимается проблемой звукового удара, она определяет вид критерия (показателя), который будет нормироваться. У звукового удара много характеристик: громкость, длительность, амплитуда и т. д. Сейчас эта группа CAEP уже отобрала из 50 параметров 8 базовых, через какое-то время останется один, может быть — два параметра. Но нужно определить не только вид нормируемых параметров, но и приемлемый уровень. Процесс непростой, планы по срокам выработки решения постоянно корректируются. Сегодня ожидается, что допустимый уровень звукового удара будет определен к 2022 году.

А дальше надо будет ждать, что США и ЕС, основные потребители будущих СПС, примут допустимый уровень для себя. Отсюда и неопределенность с реализацией проектов. Предположим, кто-то профинансирует производство самолета с уровнем звукового удара 50 Па, а примут ограничение в 30 Па.

Какова роль ЦИАМ в отечественных достижениях в области пассажирской сверхзвуковой авиации?

Наша страна в сверхзвуковой авиации, как пассажирской, так и военной, всегда была на первых ролях. Ту-144 взлетел на два месяца раньше, чем англо-французский «Конкорд». Двигатели для Ту-144 исследовались и испытывались в том числе в ЦИАМ. Если говорить об отечественных разработках в этой области в относительно недавний период времени, то следует остановиться на совместном проекте 1990-х годов «ОКБ Сухого» и американской компании Gulfstream — СПС бизнес-класса С-21. ЦИАМ также участвовал в нем вместе с НПО «Сатурн». В 1992 году американцы вышли из проекта, однако разработки в этом направлении продолжались. Где-то в первой половине 2000-х годов во время встречи Россия — ЕС мы познакомились с представителями французской компании Dassault Aviation, которая также занималась проектом сверхзвукового самолета бизнес-класса (Supersonic business jet, SSBJ). Они заинтересовались российскими наработками и предложили ЦАГИ, «ОКБ Сухого» («Гражданские самолеты Сухого», «ГСС») и ЦИАМ сотрудничество в международном проекте. Он назывался HISAC (High Speed Aircraft) и стартовал в 2005 году в рамках 6-й рамочной программы ЕС. В нем участвовало большое количество организаций, сформировавших три основные команды, каждая из которых разрабатывала свою конфигурацию SSBJ. Dassault Aviation работала над конфигурацией самолета с минимальным шумом, итальянская компания Alenia — с максимальной дальностью и переменной стреловидностью, а российская команда — с минимальным звуковым ударом (рис. 1). ЦАГИ и «ГСС» предложили и запатентовали новый метод снижения звукового удара с использованием особой формы конструкции планера (включая надлом крыла по типу «чайки»). В российскую команду вошли также ЦИАМ и новосибирский Институт теоретической и прикладной механики (ИТПМ).

Конфигурация_11.jpg

Рис. 1. Общий вид конфигураций SSBJ в проекте HISAC

Этот проект привнес что-то новое в разработку SSBJ?

Проект HISAC, который продолжался с 2005 по 2010 год, до сих пор практически во всех работах упоминается как один из важнейших этапов исследования проблем создания СПС нового поколения. В частности, что касается двигателей, в рамках проекта был налажен диалог с сертифицирующим европейским органом EASA по вопросу применения специальных, т.н. «малошумных» программ управления взлетной тягой с тем, чтобы для сертификации СПС были приняты специальные условия. В настоящее время в CAEP организована специальная группа, разрабатывающая сертификационную процедуру по шуму СПС. Но в целом проект HISAC был интересен тем, что в нем впервые плотно занимались концепцией SSBJ на уровне оптимального выбора основных параметров самолета и силовой установки: оптимизировался двигатель, планер, сравнивались несколько конфигураций сопла. В результате российская конфигурация была взята за основу всеми командами как наиболее интересная и проработанная. Она стала базовой компоновкой, на которой основывались остальные конфигурации. И по итогам проекта наиболее перспективной оказалась именно российская конфигурация.

Чем именно занимался ЦИАМ в рамках этого проекта?

ЦИАМ для всех команд определял параметры и характеристики двигателей, оптимальных для каждой конфигурации самолета, в частности степень двухконтурности, суммарную степень повышения давления и др. К примеру, мы установили, какое конкретно сопло нужно для такого двигателя. Кроме того, даже проводились эксперименты, связанные с шумоглушащим соплом, модели которого исследовались и в Европе, и в ЦАГИ.

Это был некий идеальный двигатель будущего или расчеты проводились на основе технологий, реализованных в существующих сверхзвуковых ЛА?

Для проекта HISAC нужны были двигатели, чей технологический уровень соответствовал минимум уровню 2015–2020 годов, каким мы представляли его в 2005 году. Сейчас этот уровень понятен, но тогда это был прогноз на 10‒15 лет вперед. И в этом смысле двигатель был перспективным и в известной степени идеализированным, поскольку «в железе» его не существовало.

Почему за основу российской конфигурации была взята идея снижения уровня звукового удара?

Потому что в практическом плане снижение уровня звукового удара является основной критической технологией для СПС любой конфигурации. Без этого ни один самолет не будет допущен к полету, как бы хороши ни были его остальные параметры. Поэтому все, что в этом проекте касалось снижения уровня звукового удара, считалось наиболее перспективным ноу-хау. Представители «ГСС» понимали это и очень внимательно следили, чтобы авторские права на эту технологию остались в России.

А в чем именно состоит ноу-хау? За счет чего снижается уровень звукового удара?

Если вспоминать Ту-144, то у него этот показатель был очень высоким: порядка 120 Па. А сейчас речь идет о допустимом уровне в 20‒50 Па. При этом, в отличие от самолета «Конкорд», маршруты Ту-144 пролегали в основном над сушей. Говорят, что иногда от его звукового удара лопались стекла в домах, хотя о проблемах со здоровьем людей информации не было. При звуковом ударе, который приходит от СПС, давление почти мгновенно возрастает, потом падает и уходит в отрицательную область, в разрежение. Такую волну называют N-образной. Она образуется, когда ударные волны от различных частей самолета, где резко изменяется его поперечное сечение (от носка, передней кромки крыла, губы воздухозаборника двигателя и т. д.), успевают сложиться («догнать» друг друга) до достижения земной поверхности. Технологии снижения звукового удара, о которых шла речь выше, направлены как раз на то, чтобы не допустить сложения этих волн. В таком случае звуковой удар на земле будет выглядеть как несколько небольших скачков меньшей интенсивности.

Это достигается выбором конфигурации летательного аппарата, в частности крылом типа «чайка». Кроме того, крыло сдвинуто назад относительно носа самолета, а нос и часть фюзеляжа перед крылом имеют удлиненную форму. Американцы даже предлагают использовать на носу штангу, которая позволяет отодвинуть еще дальше вперед точку формирования головной ударной волны.

Кстати, с точки зрения силовой установки здесь немаловажную роль играет размещение двигательной установки над или под фюзеляжем. В большинстве проектов они в основном надкрыльевые. Это связано и с шумом, и со звуковым ударом. Вообще влияние расположения силовой установки на звуковой удар широко обсуждается. Это влияние также было подтверждено в экспериментальных исследованиях моделей в ЦАГИ.

Насколько реален проект компании Aerion?

В США фирма Aerion разработала проект СПС AS2. Много лет компания искала спонсора и в конце концов даже получила поддержку Airbus. Основная особенность проекта: запатентованная технология естественной ламинаризации прямого композитного крыла с титановой передней кромкой. Крыло имеет сложную форму, которая обеспечивает ламинарное обтекание на трансзвуке. Утверждается, что эта технология на 20 % уменьшает сопротивление трения самолета, причем 70 % от этого — за счет снижения сопротивления крыла. Эти данные подтвердил летный эксперимент на F-15 с таким крылом.

AS2 — СПС бизнес-класса на 8–12 пассажиров с двумя режимами полета: первый — 1,5 Маха и второй — 1,15 Маха, где еще нет звукового удара, вернее есть, но такой слабый, что он не доходит до земли, отражаясь от слоев атмосферы за счет явления так называемой «отсечки звукового удара». Однако, на мой взгляд, очень трудно будет на практике доказать отсутствие звукового удара на земле, поскольку на условия «отсечки звукового удара» влияют такие факторы, как состояние атмосферы, наличие ветра, влажность воздуха и т. д. Основное преимущество даст все-таки возможность полета на 1,5 Маха. 1,15 по сравнению с 0,9 Маха не дает большой выгоды по времени полета, к тому же на этой скорости сопротивление самолета достаточно большое, поэтому этот режим, скорее всего, использоваться будет не для крейсерского полета, а только для разгона над землей до возможно большей скорости, но без звукового удара.

Какие двигатели планируется использовать в проекте Aerion?

Долгое время проект основывался на силовой установке из двух двигателей, но в прошлом году была выбрана схема с тремя двигателями. В результате взлетная масса AS2 увеличилась с 40,5 до 55 т, но ослабли требования по длине ВПП с возможностью использовать региональные аэродромы. Но в основном переход на трехдвигательный вариант произошел из-за принятия новой 14-й (5-й в США) главы стандарта по шуму. Трехдвигательный вариант может позволить вписаться в требования 14-й главы путем использования дросселирования двигателей на взлете и при начальном наборе высоты.

Первоначально планировалось использовать старый двигатель Pratt & Whitney JT8D-219, но затем от него отказались. Новый еще не определен. Из-за сжатых сроков речь идет о двигателе на основе существующего газогенератора одного из трех потенциальных кандидатов: Pratt & Whitney PW800, General Electric Passport 20 и Rolls-Royce BR710. Все три фирмы, по словам представителей Aerion, сейчас работают над выполнением задачи в требуемые сжатые сроки. Первый полет предполагается совершить в 2021 году, начало эксплуатации — 2023 год.

А можно ли ослабить звуковой удар за счет высоты полета?

Влияние высоты полета на звуковой удар изучалось в исследованиях ЦАГИ и «ГСС». Проблема в том, что основной способ снижения звукового удара, который сейчас широко рассматривается, — это применение компоновки, которая не допустит сложения ударных волн от различных частей самолета. Затруднения в реализации такого распределения давления с увеличением высоты полета обусловлены тем, что скорости распространения ударных волн от различных частей не одинаковы, что приводит к сокращению расстояния между ними по мере удаления от самолета. Высота, конечно, снижает силу удара, но одновременно и затрудняет ее снижение за счет компоновки. А ведь даже если взять высоту 20 км, то звуковой удар без применения специальных конструктивных мер будет превышать норму. На 20 км легче образуется N-образная волна, а ее недопущение — одна из главных задач проектировщиков. Словом, одной высотой снижения звукового удара до приемлемого уровня от 20 до 50 Па не добиться. Еще, кстати, есть проблема разгерметизации салона на таких больших высотах полета. Поскольку происходит она очень быстро, нужно учитывать возможность экстренного снижения, поэтому ограничения по высоте могут возникнуть и с точки зрения обеспечения безопасности в случае разгерметизации.

Повышение высоты полета нежелательно также из-за воздействия эмиссии оксидов азота NOₓ на озоновый слой, максимальная концентрация которого наблюдается на высотах 20–25 км.

Двигатели дозвуковых реактивных самолетов работают на максимальной температуре газа в основном на взлете. У СПС на таких режимах работают двигатели во время крейсерского сверхзвукового полета. Как при этом решается вопрос обеспечения достаточного ресурса двигателей?

Да, несомненно, полетный цикл СПС существенно отличается от цикла дозвукового самолета и проблему обеспечения приемлемых ресурсных показателей у двигателей СПС еще предстоит решить. Объясняя причины перехода на трехдвигательный вариант, представители Aerion упоминали в том числе и необходимость снижения ресурсной нагрузки на двигатели при крейсерском полете. Двигателей стало больше и тягу каждого дросселируют, чтобы температура газа была меньше максимальной, что обеспечивает ресурс 2500‒3000 часов. Еще один сложный момент — необходимость повышенной тяги при преодолении звукового барьера, то есть на трансзвуке. О применении форсажа, разумеется, тут и речи быть не может (прежде всего, из-за повышенных расходов топлива), но использование так называемой температурной раскрутки позволяет получить улучшенные скоростные характеристики с возможностью прохождения трансзвука. То есть на взлете температура газа на 100‒200 градусов ниже максимума, но при приближении к трансзвуку ее увеличение позволяет быстро увеличить и тягу.

Есть ли в России наработки по двигателям для СПС нового поколения?

Я бы сказал, что газогенераторы для СПС уже есть. Речь и о военных разработках, но мы изучали, в частности, и вариант использования газогенератора ПД-14 для сверхзвукового применения. Однако создание двигателя для СПС в целом, конечно, займет приличное количество лет. Если делать его на базе существующего газогенератора, то это потребует от 3 до 5 лет. Но если создавать оптимальный двигатель для СПС, то придется начинать с нуля и на это уйдет не менее 7–10 лет. Для СПС необходим ТРДД с меньшей суммарной степенью повышения давления, чем у двигателей дозвуковых самолетов, так как на сверхзвуке поток воздуха и так сильно сжимается за счет повышенного скоростного напора.

В чем главная проблема при создании такого двигателя?

Проблем много. Как я уже говорил, сейчас предполагается, что требования по шуму к сверхзвуковому пассажирскому самолету будут такие же, как и к дозвуковому. Для уменьшения шума на взлете нужно иметь двигатель с максимальной степенью двухконтурности, что позволяет снизить скорость истечения, а соответственно, и шум струи. Повышение степени двухконтурности — хороший способ подавления шума струи, но в сверхзвуковом крейсерском полете двигатель с большой степенью двухконтурности имеет и больший расход топлива. Поэтому пришли к идее так называемых двигателей изменяемого процесса: на взлете он имеет большую степень двухконтурности, а в крейсерском полете — пониженную. Степень двухконтурности в полете меняется и в обычном двигателе, но в небольшом диапазоне. Для решения этой задачи необходимо преодолеть очень серьезные проблемы. Эти схемы и раньше исследовались, но существовавший тогда уровень технологий не позволял реализовать эту идею.

Каково современное состояние работ по СПС в России?

Проект HISAC завершился в 2010 году. Были надежды на его продолжение, но на фоне кризиса интерес к большим дозвуковым самолетам перевесил. Dassault Aviation тоже охладело к идее СПС, но в России эти исследования продолжались в ЦАГИ, а в компании «Гражданские самолеты Сухого» появилось подразделение НГТС — «Новые гражданские технологии Сухого», которое по-прежнему работает над проектом СПС. В России сейчас изучаются три концепции самолета: легкий, средний и магистральный СПС. В ЦИАМ ведутся работы, посвященные исследованию силовых установок как небольшого СДС типа SSBJ на 8 пассажиров, так и более крупного — на 100 пассажиров. И одна из задач, которую мы решали в последние два года, — это унификация двигателей для этих двух вариантов, чтобы можно было поставить на самолете бизнес-класса два двигателя, а на большом самолете — четыре. Мы показали, что в принципе такой двигатель может быть создан.

Работы по СПС проводились по заданию Минпромторга в рамках трехлетней программы «Самолет-2020». Сейчас открываются другие программы, и я надеюсь, что туда войдет и это направление. Не секрет, что тот, кто первым прорвется на новый рынок СПС, получит и наибольший выигрыш.