Сверхзвуковой транспортный самолет ( СТС ) или сверхзвуковой авиалайнер — гражданский сверхзвуковой самолет, предназначенный для перевозки пассажиров на скоростях, превышающих скорость звука . На сегодняшний день единственными СТС, которые совершали регулярные рейсы, были «Конкорд» и Туполев Ту-144 . Последний пассажирский полет Ту-144 состоялся в июне 1978 года, а последний полет был совершен в 1999 году НАСА . Последний коммерческий полет «Конкорда» состоялся в октябре 2003 года, а перегоночный полет 26 ноября 2003 года стал его последней воздушной операцией.
После окончательного прекращения полетов Concorde, в коммерческой эксплуатации не осталось ни одного SST. Тем не менее, несколько компаний предложили сверхзвуковой бизнес-джет , небольшой SST, который оказывает меньшее воздействие на окружающую среду и улучшен с помощью современных технологий, что может снова вернуть сверхзвуковой транспорт.
Сверхзвуковые авиалайнеры были объектами многочисленных недавних [ когда? ] текущих исследований дизайна. Недостатками и проблемами дизайна являются чрезмерное шумообразование (при взлете и из-за звуковых ударов во время полета), высокие затраты на разработку, дорогие строительные материалы, высокий расход топлива, чрезвычайно высокие выбросы и повышенная стоимость за место по сравнению с дозвуковыми авиалайнерами. Однако, несмотря на эти проблемы, Concorde заявил, что он работал прибыльно. [1]
На протяжении 1950-х годов SST выглядел возможным с технической точки зрения, но было неясно, можно ли сделать его экономически жизнеспособным. Из-за различий в создании подъемной силы самолеты, работающие на сверхзвуковых скоростях, имеют приблизительно половину подъемной силы, чем дозвуковые самолеты. Это означает, что для любого заданного требуемого количества подъемной силы самолет должен будет обеспечить примерно в два раза большую тягу, что приведет к значительно большему расходу топлива. Этот эффект ярко выражен на скоростях, близких к скорости звука, поскольку самолет использует в два раза большую тягу для полета примерно с той же скоростью. Относительный эффект уменьшается по мере того, как самолет разгоняется до более высоких скоростей. Компенсацией этого увеличения расхода топлива был потенциал значительного увеличения частоты вылетов самолета, по крайней мере, на средних и дальних рейсах, где самолет проводит значительное количество времени в крейсерском режиме. Были возможны конструкции SST, летающие как минимум в три раза быстрее существующих дозвуковых транспортных самолетов, и, таким образом, могли бы заменить до трех самолетов, находящихся в эксплуатации, и тем самым снизить затраты с точки зрения рабочей силы и обслуживания.
Серьёзная работа над проектами SST началась в середине 1950-х годов, когда поступило на вооружение первое поколение сверхзвуковых истребителей . В Великобритании и Франции субсидируемые правительством программы SST быстро остановились на дельтавидном крыле в большинстве исследований, включая Sud Aviation Super-Caravelle и Bristol Type 223 , хотя Armstrong-Whitworth предложила более радикальную конструкцию, Mach 1.2 M-Wing . Avro Canada предложила TWA несколько конструкций , которые включали крыло с двойной стреловидностью Mach 1.6 и дельтавидное крыло Mach 1.2 с отдельным хвостовым оперением и четырьмя двигателями под крылом. Команда Avro переехала в Великобританию, где её конструкция легла в основу конструкций Hawker Siddeley . [2] К началу 1960-х годов проекты достигли той точки, когда было дано добро на производство, но затраты были настолько высоки, что в 1962 году компании Bristol Aeroplane Company и Sud Aviation в конечном итоге объединили свои усилия для производства Concorde.
В начале 1960-х годов различные руководители американских аэрокосмических компаний говорили общественности США и Конгрессу, что нет никаких технических причин, по которым SST не может быть произведен. В апреле 1960 года Берт С. Монсмит, вице-президент Lockheed , заявил различным журналам, что SST, изготовленный из стали весом 250 000 фунтов (110 000 кг), может быть разработан за 160 миллионов долларов, а серийные партии по 200 или более единиц будут продаваться примерно за 9 миллионов долларов. [3] Но именно англо-французская разработка Concorde вызвала панику в американской промышленности, где считалось, что Concorde вскоре заменит все другие дальнемагистральные проекты, особенно после того, как Pan Am оформила опционы на покупку Concorde. Конгресс вскоре профинансировал проектирование SST, выбрав существующие проекты Lockheed L-2000 и Boeing 2707 , чтобы создать еще более совершенную, большую, быструю и дальнобойную конструкцию. В конечном итоге для дальнейшей работы был выбран проект Boeing 2707, при этом конструкторские цели предусматривали перевозку около 300 пассажиров и крейсерскую скорость около 3 Махов . Советский Союз приступил к разработке собственного проекта — Ту-144 , который западная пресса прозвала «Конкордским». [ необходима цитата ]
SST считался особенно агрессивным из-за его звукового удара и потенциального повреждения озонового слоя выхлопными газами его двигателя . Обе проблемы повлияли на мышление законодателей, и в конечном итоге Конгресс прекратил финансирование программы SST США в марте 1971 года, [4] [5] [6] [7] [8] и все наземные коммерческие сверхзвуковые полеты были запрещены над США. [9] Советник президента Рассел Трейн предупредил, что флот из 500 SST, летящих 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 большему нагреву на уровне земли и затруднить образование озона . [10] Что касается стратосферной воды и ее потенциала повышать температуру поверхности, хотя и не упоминая «Конкорд» как источник «неизвестного недавнего снижения уровня водяного пара», в 2010 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований отметило, что уровни стратосферного водяного пара в 1980-х и 1990-х годах были выше, чем в 2000-х годах, примерно на 10%, а Сьюзан Соломон из NOAA подсчитала, что именно это изменение ответственно за замедление роста температуры поверхности из-за глобального потепления примерно на 25 процентов по сравнению со скоростью потепления в 1990-х годах . [11]
Позже была выдвинута гипотеза о дополнительной угрозе озону в результате выхлопных газов оксидов азота , угроза, которая была, по-видимому, подтверждена в 1974 году группой Массачусетского технологического института , уполномоченной Министерством транспорта США . [12] Однако, в то время как многие чисто теоретические модели указывали на потенциальную возможность больших потерь озона из-за оксидов азота SST ( NOx ), другие ученые в статье « Оксиды азота, испытания ядерного оружия , Конкорд и стратосферный озон » обратились к историческому мониторингу озона и атмосферным ядерным испытаниям, чтобы использовать их в качестве руководства и средства сравнения, отметив, что не было обнаружено никакой обнаруживаемой потери озона из-за приблизительно 213 мегатонн взрывной энергии, выпущенной в 1962 году, поэтому эквивалентное количество NOx от «1047» Конкордов, летавших «10 часов в день», также не было бы беспрецедентным. [13] В 1981 году модели и наблюдения все еще были несовместимы. [14] Более поздние компьютерные модели, созданные в 1995 году Дэвидом У. Фейхи, ученым-атмосферником из Национального управления океанических и атмосферных исследований , и другими, предполагают, что падение озона составит максимум «не более» 1–2%, если будет задействован флот из 500 сверхзвуковых самолетов. [15] [16] Фейхи выразил мнение, что это не будет фатальным препятствием для разработки усовершенствованного SST – в то время как «большой предупредительный сигнал... [это] не должно стать препятствием для разработки усовершенствованного SST», поскольку «удаление серы из топлива [Конкорда]» по сути исключит предполагаемый путь реакции разрушения озона в 1%–2%. [17]
Несмотря на расхождения между моделью и наблюдением, окружавшие беспокойство об озоне, в середине 1970-х годов, через шесть лет после его первого сверхзвукового испытательного полета, [18] Concorde был готов к эксплуатации. Политический резонанс в США был настолько сильным, что Нью-Йорк запретил самолет. Это угрожало экономическим перспективам самолета — он был построен с учетом маршрута Лондон-Нью-Йорк. Самолету разрешили летать в Вашингтон, округ Колумбия (в аэропорту Даллеса в Вирджинии ), и обслуживание было настолько популярным, что жители Нью-Йорка вскоре начали жаловаться, потому что у них его не было. Это было незадолго до того, как Concorde начал летать в аэропорт имени Кеннеди .
Наряду с изменением политических соображений, летающая публика продолжала проявлять интерес к высокоскоростным перелетам через океан. Это положило начало дополнительным исследованиям в США под названием «AST» (Advanced Supersonic Transport). SCV от Lockheed был новым проектом для этой категории, в то время как Boeing продолжил исследования с 2707 в качестве базовой модели.
К этому времени экономические показатели прошлых концепций SST уже не были разумными. 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, вмещающими в четыре раза больше, преимущества в скорости и топливе концепции SST были сведены на нет из-за ее размера.
Другая проблема заключалась в том, что широкий диапазон скоростей, в котором работает SST, затрудняет совершенствование двигателей. В то время как дозвуковые двигатели достигли больших успехов в повышении эффективности в 1960-х годах с введением турбовентиляторного двигателя с постоянно увеличивающимися степенями двухконтурности , концепцию вентилятора трудно использовать на сверхзвуковых скоростях, где «надлежащая» степень двухконтурности составляет около 0,45 [19] в отличие от 2,0 или выше для дозвуковых конструкций. По обеим этим причинам конструкции SST были обречены на более высокие эксплуатационные расходы, и программы AST исчезли к началу 1980-х годов.
Concorde продавался только British Airways и Air France, с субсидируемыми закупками, которые должны были вернуть 80% прибыли правительству. На практике на протяжении почти всего срока действия соглашения не было никакой прибыли, которой можно было бы поделиться. После приватизации Concorde меры по сокращению расходов (в частности, закрытие металлургического испытательного полигона крыла, 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 Concorde прекратил летать, выяснилось, что за время своего существования самолет оказался прибыльным, по крайней мере для British Airways. Эксплуатационные расходы Concorde за почти 28 лет эксплуатации составили приблизительно 1 млрд фунтов стерлингов, а выручка — 1,75 млрд фунтов стерлингов. [20]
25 июля 2000 года рейс 4590 авиакомпании Air France потерпел крушение вскоре после взлета, в результате чего погибли все 109 пассажиров и четверо на земле; это был единственный смертельный инцидент с участием Concorde . Коммерческое обслуживание было приостановлено до ноября 2001 года, а самолеты Concorde были сняты с эксплуатации в 2003 году после 27 лет коммерческой эксплуатации.
Последние регулярные пассажирские рейсы приземлились в лондонском аэропорту Хитроу 24 октября 2003 года из Нью-Йорка , второй рейс — из Эдинбурга , а третий вылетел из Хитроу по кольцевому маршруту над Бискайским заливом . [21]
К концу XX века такие проекты, как Ту-244 , Ту-344 , тихий сверхзвуковой транспортный самолет САИ , Sukhoi-Gulfstream S-21 , высокоскоростной гражданский транспортный самолет и т. д., не были реализованы.
Для всех транспортных средств, движущихся по воздуху, сила сопротивления пропорциональна коэффициенту сопротивления ( C d ), квадрату скорости воздуха и плотности воздуха. Поскольку сопротивление быстро растет со скоростью, ключевым приоритетом проектирования сверхзвуковых самолетов является минимизация этой силы путем снижения коэффициента сопротивления. Это приводит к появлению высокообтекаемых форм SST. В некоторой степени сверхзвуковые самолеты также управляют сопротивлением, летая на больших высотах, чем дозвуковые самолеты, где плотность воздуха ниже.
По мере приближения скорости к скорости звука появляется дополнительное явление волнового сопротивления . Это мощная форма сопротивления, которая начинается на околозвуковых скоростях (около 0,88 Маха ). Около 1 Маха пиковый коэффициент сопротивления в четыре раза больше, чем дозвуковое сопротивление. Выше околозвукового диапазона коэффициент снова резко падает, хотя остается на 20% выше на 2,5 Маха, чем на дозвуковых скоростях. Сверхзвуковой самолет должен иметь значительно большую мощность, чем дозвуковой самолет, чтобы преодолеть это волновое сопротивление, и хотя крейсерские характеристики выше околозвуковой скорости более эффективны, они все еще менее эффективны, чем полет на дозвуковой скорости.
Еще одной проблемой сверхзвукового полета является отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению (L/D) крыльев. На сверхзвуковых скоростях аэродинамические профили создают подъемную силу совершенно иначе, чем на дозвуковых скоростях, и неизменно менее эффективны. По этой причине были проведены значительные исследования по проектированию форм крыла для устойчивого сверхзвукового крейсерского полета. При скорости около 2 Маха типичная конструкция крыла сократит свое отношение L/D вдвое (например, Concorde достиг отношения 7,14, тогда как дозвуковой Boeing 747 имеет отношение L/D 17). [22] Поскольку конструкция самолета должна обеспечивать достаточную подъемную силу для преодоления собственного веса, уменьшение его отношения L/D на сверхзвуковых скоростях требует дополнительной тяги для поддержания его воздушной скорости и высоты.
Конструкция реактивного двигателя существенно меняется между сверхзвуковыми и дозвуковыми самолетами. Реактивные двигатели как класс могут обеспечить повышенную топливную эффективность на сверхзвуковых скоростях, хотя их удельный расход топлива больше на более высоких скоростях. Поскольку их скорость над землей больше, это снижение эффективности менее пропорционально скорости до тех пор, пока число Маха не превысит 2, а расход на единицу расстояния ниже.
Когда компания Aérospatiale – BAC проектировала Concorde , турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности (двигатели турбовентиляторные ) еще не были установлены на дозвуковых самолетах. Если бы Concorde поступил в эксплуатацию против более ранних конструкций, 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 эти турбовентиляторные двигатели с высокой степенью двухконтурности поступили в коммерческую эксплуатацию в 1960-х годах, дозвуковые реактивные двигатели сразу же стали намного эффективнее, приблизившись к эффективности турбореактивных двигателей на сверхзвуковых скоростях. Одно из главных преимуществ SST исчезло.
Турбовентиляторные двигатели повышают эффективность за счет увеличения количества холодного воздуха низкого давления, который они ускоряют, используя часть энергии, обычно используемой для ускорения горячего воздуха в классическом турбореактивном двигателе без двухконтурного пуска. Высшим выражением этой конструкции является турбовинтовой двигатель , где почти вся реактивная тяга используется для питания очень большого вентилятора – пропеллера . Кривая эффективности конструкции вентилятора означает, что количество двухконтурного пуска, которое максимизирует общую эффективность двигателя, является функцией поступательной скорости, которая уменьшается от пропеллеров к вентиляторам, до полного отсутствия двухконтурного пуска по мере увеличения скорости. Кроме того, большая лобовая площадь, занимаемая вентилятором низкого давления в передней части двигателя, увеличивает сопротивление, особенно на сверхзвуковых скоростях, и означает, что степень двухконтурности гораздо более ограничена, чем на дозвуковых самолетах. [23]
Например, ранний Ту-144С был оснащен турбовентиляторным двигателем с малым двухконтурием, который был намного менее эффективен, чем турбореактивные двигатели Конкорда в сверхзвуковом полете. Более поздний Ту-144Д имел турбореактивные двигатели с сопоставимой эффективностью. Эти ограничения означали, что конструкции SST не могли воспользоваться преимуществами резкого улучшения топливной экономичности, которые двигатели с большим двухконтурием принесли на дозвуковой рынок, но они уже были более эффективны, чем их дозвуковые турбовентиляторные аналоги.
Сверхзвуковые скорости транспортных средств требуют более узких конструкций крыла и фюзеляжа и подвергаются более высоким напряжениям и температурам. Это приводит к проблемам аэроупругости , которые требуют более тяжелых конструкций для минимизации нежелательного изгиба. SST также требуют гораздо более прочной (и, следовательно, более тяжелой) конструкции, поскольку их фюзеляж должен быть нагружен большим перепадом давления, чем дозвуковые самолеты, которые не летают на больших высотах, необходимых для сверхзвукового полета. Эти факторы в совокупности означают, что пустой вес на одно место у Concorde более чем в три раза превышает вес у Boeing 747.
Concorde и TU-144 были оба построены из обычного алюминия: Concorde из Hiduminium , а TU-144 из дюралюминия . Современные, передовые материалы не выходили из разработки в течение нескольких десятилетий. Эти материалы, такие как углеродное волокно и кевлар, намного прочнее своего веса (важно для борьбы с напряжениями), а также более жесткие. Поскольку вес конструкции на одно сиденье намного выше в конструкции SST, структурные улучшения привели бы к большему пропорциональному улучшению, чем те же изменения в дозвуковом самолете.
Более высокие затраты на топливо и меньшая пассажировместимость из-за аэродинамических требований к узкому фюзеляжу делают SST дорогой формой коммерческого гражданского транспорта по сравнению с дозвуковыми самолетами. Например, Boeing 747 может перевозить в три раза больше пассажиров, чем Concorde, при этом используя примерно такое же количество топлива.
Тем не менее, расходы на топливо не составляют основную часть цены большинства билетов на дозвуковые самолеты. [26] Для трансатлантического делового рынка, для которого использовались самолеты SST, Concorde был на самом деле очень успешным и смог поддерживать более высокую цену на билеты. Теперь, когда коммерческие самолеты SST прекратили полеты, стало ясно, что Concorde принес British Airways существенную прибыль. [20]
Экстремальные скорости реактивной струи, используемые во время взлета, заставляли Concorde и Tu-144 производить значительный шум при взлете. Населенные пункты вблизи аэропорта страдали от высокого уровня шума двигателей, что побудило некоторые регулирующие органы не одобрять эту практику. Двигатели SST нуждаются в довольно высокой удельной тяге (чистая тяга/расход воздуха) во время сверхзвукового крейсерского полета, чтобы минимизировать площадь поперечного сечения двигателя и, таким образом, сопротивление гондолы . К сожалению, это подразумевает высокую скорость реактивной струи, что делает двигатели шумными, особенно на низких скоростях/высотах и при взлете. [27]
Таким образом, будущий SST может извлечь выгоду из двигателя переменного цикла , где удельная тяга (и, следовательно, скорость струи и шум) низка на взлете, но принудительно высока во время сверхзвукового крейсерского полета. Переход между двумя режимами будет происходить в какой-то момент во время подъема и обратно во время спуска (чтобы минимизировать шум струи при приближении). Трудность заключается в разработке конфигурации двигателя переменного цикла, которая соответствует 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 эксперименты середины 1960-х годов, такие как спорные испытания звукового удара в Оклахома-Сити и исследования самолета ВВС США North American XB-70 Valkyrie, доказали обратное (см. Звуковой удар § Снижение ). К 1964 году было неясно, будут ли лицензированы гражданские сверхзвуковые самолеты из-за этой проблемы. [28]
Раздражение от звукового удара можно избежать, дождавшись, пока самолет не окажется на большой высоте над водой, прежде чем достичь сверхзвуковой скорости; эта техника использовалась в Concorde. Однако она исключает сверхзвуковой полет над населенными пунктами. Сверхзвуковые самолеты имеют плохое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению 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 Concorde было избыточное давление 1,94 фунта/кв. фут (93 Па) (133 дБА SPL). Избыточное давление более 1,5 фунта/кв. фут (72 Па) (131 дБА SPL) часто вызывает жалобы. [29]
Если интенсивность удара можно уменьшить, то это может сделать даже очень большие конструкции сверхзвуковых самолетов приемлемыми для наземных полетов. Исследования показывают, что изменения в носовом обтекателе и хвосте могут уменьшить интенсивность звукового удара ниже той, которая необходима для возникновения жалоб. Во время первоначальных усилий SST в 1960-х годах предполагалось, что тщательное формирование фюзеляжа самолета может уменьшить интенсивность ударных волн звукового удара, которые достигают земли. Одна конструкция заставила ударные волны мешать друг другу, значительно уменьшая звуковой удар. В то время это было трудно проверить, но с тех пор растущая мощь компьютерного проектирования значительно облегчила задачу. В 2003 году был запущен демонстрационный самолет Shaped Sonic Boom , который доказал надежность конструкции и продемонстрировал возможность уменьшения удара примерно вдвое. Даже удлинение транспортного средства (без значительного увеличения веса), казалось бы, снижает интенсивность удара (см. Sonic boom § Abatement ).
Например, когда речь идет о государственной политике, FAA запрещает коммерческим самолетам летать на сверхзвуковых скоростях над суверенной территорией, находящейся под управлением Соединенных Штатов, из-за негативного воздействия звукового удара на людей и популяции животных, находящихся ниже. [30]
Аэродинамическая конструкция сверхзвукового самолета должна меняться в зависимости от скорости для достижения оптимальных характеристик. Таким образом, SST в идеале будет менять форму во время полета, чтобы поддерживать оптимальные характеристики как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях. Такая конструкция приведет к усложнению, что увеличит потребности в обслуживании, эксплуатационные расходы и проблемы безопасности.
На практике все сверхзвуковые транспортные самолеты использовали по сути одну и ту же форму для дозвукового и сверхзвукового полета, и выбирался компромисс в производительности, часто в ущерб полету на низкой скорости. Например, у Concorde было очень высокое сопротивление ( коэффициент подъемной силы около 4) на низкой скорости, но большую часть полета он летел на высокой скорости. Конструкторы Concorde потратили 5000 часов на оптимизацию формы транспортного средства в испытаниях в аэродинамической трубе, чтобы максимизировать общую производительность по всему полетному плану. [ необходима цитата ]
Boeing 2707 оснащался поворотными крыльями, обеспечивающими более высокую эффективность на низких скоростях, однако увеличение пространства, требуемого для такой особенности, создавало проблемы с грузоподъемностью, которые в конечном итоге оказались непреодолимыми.
Компания North American Aviation применила необычный подход к этой проблеме с XB-70 Valkyrie . Опуская внешние панели крыльев при высоких числах Маха, они смогли воспользоваться подъемной силой сжатия на нижней стороне самолета. Это улучшило соотношение L/D примерно на 30%.
На сверхзвуковой скорости 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 температуры намного выше 127 °C; выше 127 °C алюминий постепенно теряет свои свойства, которые были вызваны старением. [31] Для самолетов, которые летают со скоростью 3 Маха, использовались такие материалы, как нержавеющая сталь ( XB-70 Valkyrie , МиГ-25 ) или титан ( SR-71 , Сухой Т-4 ), что значительно увеличивает стоимость, поскольку свойства этих материалов значительно усложняют производство самолета.
В 2017 году был открыт новый материал для покрытия из карбида керамики , который может выдерживать температуры, достигающие 5 Маха и выше, возможно, до 3000 °C. [32]
Дальность полета сверхзвукового самолета можно оценить с помощью уравнения дальности Бреге .
Высокий взлетный вес на одного пассажира затрудняет получение хорошей топливной фракции. Эта проблема, наряду с проблемой, связанной со сверхзвуковыми коэффициентами подъемной силы/лобового сопротивления, значительно ограничивает диапазон сверхзвуковых транспортных средств. Поскольку дальние маршруты не были жизнеспособным вариантом, авиакомпании были мало заинтересованы в покупке самолетов. [ необходима цитата ]
Авиакомпании потенциально ценят очень быстрые самолеты, поскольку это позволяет самолету совершать больше рейсов в день, обеспечивая более высокую окупаемость инвестиций. Кроме того, пассажиры обычно предпочитают более быстрые и короткие поездки более медленным и продолжительным поездкам, поэтому эксплуатация более быстрых самолетов может дать авиакомпании конкурентное преимущество, даже в той степени, в которой многие клиенты охотно заплатят более высокие тарифы ради экономии времени и/или более раннего прибытия. [ требуется цитата ] Однако высокий уровень шума Concorde вокруг аэропортов, 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 коммерческой особенности для ее клиентов. [33] Предложенные американские SST должны были летать со скоростью 3 Маха, отчасти по этой причине. Однако, учитывая время разгона и торможения, трансатлантический перелет на SST со скоростью 3 Маха будет менее чем в три раза быстрее, чем перелет со скоростью 1 Маха.
Поскольку SST производят звуковые удары на сверхзвуковых скоростях, им редко разрешают 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, а количество маршрутов, по которым самолет может летать без остановок, сокращается. Это также снижает желательность таких самолетов для большинства авиакомпаний.
Сверхзвуковые самолеты потребляют больше 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 устойчивого развития, что является двумя растущими проблемами для широкой общественности, включая авиапассажиров.)
Инвестирование в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по проектированию нового SST можно рассматривать как попытку увеличить предел скорости воздушного транспорта. Как правило, 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 пределах одного вида транспорта обычно не приводит к таким технологическим инвестициям для увеличения скорости. Вместо этого поставщики услуг предпочитают конкурировать по качеству обслуживания и стоимости. [ требуется ссылка ] Примером этого явления является высокоскоростная железная дорога . Предел скорости железнодорожного транспорта был увеличен так сильно, чтобы он мог эффективно конкурировать с автомобильным и воздушным транспортом. Но это достижение не было сделано для того, чтобы различные железнодорожные компании-операторы конкурировали между собой. Это явление также снижает привлекательность SST для авиакомпаний, поскольку при перевозках на очень большие расстояния (пару тысяч километров) конкуренция между различными видами транспорта скорее похожа на скачки на одной лошади: у воздушного транспорта нет существенного конкурента. Единственная конкуренция существует между авиакомпаниями, и они предпочли бы умеренно заплатить за снижение стоимости и повышение качества обслуживания, чем заплатить намного больше за увеличение скорости. [ необходима цитата ] Кроме того, коммерческие компании обычно предпочитают бизнес-планы с низким уровнем риска и высокой вероятностью получения ощутимой прибыли, однако дорогостоящая программа передовых технологических исследований и разработок является высокорискованным предприятием, поскольку существует вероятность, что программа потерпит неудачу по непредвиденным техническим причинам или столкнется с перерасходом средств настолько большим, что из-за ограниченности финансовых ресурсов компании придется отказаться от усилий до того, как она выдаст какую-либо рыночную технологию SST, что может привести к потере всех инвестиций.
Международный совет по чистому транспорту (ICCT) оценивает, что SST будет сжигать в 5-7 раз больше топлива на одного пассажира. [34] ICCT показывает, что сверхзвуковой перелет из Нью-Йорка в Лондон будет потреблять в два раза больше топлива на одного пассажира, чем дозвуковой бизнес-класс , в шесть раз больше, чем эконом-класс , и в три раза больше, чем дозвуковой бизнес-класс из Лос-Анджелеса в Сидней. [35] Проектировщики могут либо соответствовать существующим экологическим стандартам с помощью передовых технологий, либо лоббировать установление новых стандартов для SST. [36]
Если бы в 2035 году было 2000 SST, в 160 аэропортах ежедневно выполнялось бы 5000 рейсов, а флот SST выбрасывал бы ~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 за 25 лет своего существования: пятая часть международного авиационного углеродного бюджета , если авиация сохранит свою долю выбросов , чтобы оставаться в пределах климатической траектории 1,5 °C . Зона воздействия шума вокруг аэропортов может удвоиться по сравнению с существующими дозвуковыми самолетами того же размера, с более чем 300 операциями в день в Дубае и лондонском аэропорту Хитроу и более 100 в Лос-Анджелесе , Сингапуре , Сан-Франциско , Нью-Йорке (JFK) , Франкфурте и Бангкоке . Частые звуковые удары можно было услышать в Канаде, Германии, Ираке, Ирландии, Израиле, Румынии, Турции и некоторых частях Соединенных Штатов, до 150–200 в день или один раз в пять минут. [37]
21 августа 1961 года самолет Douglas DC-8-43 (регистрационный номер N9604Z) превысил скорость 1 Маха в контролируемом пикировании во время испытательного полета на авиабазе Эдвардс. Экипаж состоял из Уильяма Магрудера (пилот), Пола Паттена (второй пилот), Джозефа Томича (бортинженера) и Ричарда Х. Эдвардса (инженера по летным испытаниям). [38] Это первый сверхзвуковой полет гражданского авиалайнера. [38]
Всего было построено 20 самолетов Concorde: 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, за исключением двух, сохранились; два других — это F-BVFD (cn 211), припаркованный в качестве источника запасных частей в 1982 году и списанный в 1994 году, и F-BTSC (cn 203), который потерпел крушение недалеко от Парижа 25 июля 2000 года, в результате чего погибли 100 пассажиров, 9 членов экипажа и 4 человека на земле.
Всего было построено шестнадцать пригодных к полету Ту-144; семнадцатый Ту-144 (рег. номер 77116) так и не был достроен. Также имелся по крайней мере один наземный испытательный планер для статических испытаний параллельно с разработкой прототипа 68001.
Желание создать сверхзвуковой самолет второго поколения сохранилось в некоторых кругах представителей авиационной промышленности [39] [40] , и после снятия с эксплуатации «Конкорда» появилось несколько концепций.
По данным Aviation Week , рынок сверхзвуковых авиалайнеров стоимостью 200 миллионов долларов может вырасти до 1300 за 10-летний период, что составит 260 миллиардов долларов. [41] Разработка и сертификация, вероятно, потребуют 4 миллиарда долларов. [42]
В ноябре 2003 года EADS — материнская компания Airbus — объявила, что рассматривает возможность сотрудничества с японскими компаниями для разработки более крупной и быстрой замены Concorde. [44] [45] В октябре 2005 года JAXA , Японское агентство аэрокосмических исследований, провело аэродинамические испытания масштабной модели авиалайнера, рассчитанного на перевозку 300 пассажиров со скоростью 2 Маха ( Next Generation Supersonic Transport , NEXST , затем Zero Emission Hyper Sonic Transport ). Если его довести до коммерческого развертывания, то, как ожидается, он будет введен в эксплуатацию примерно в 2020–25 годах. [46]
В мае 2008 года сообщалось, что корпорация Aerion получила 3 миллиарда долларов предварительных заказов на свой сверхзвуковой бизнес-джет Aerion SBJ . [47] В конце 2010 года проект продолжился испытательным полетом секции крыла. [48] Aerion AS2 был предложен как 12-местный трехдвигательный самолет с дальностью полета 4750 морских миль (8800 км; 5470 миль) на скорости 1,4 Маха над водой или 5300 морских миль (9800 км; 6100 миль) на скорости 0,95 Маха над сушей, хотя утверждалось, что возможен полет «без стрелы» на скорости 1,1 Маха. При поддержке Airbus и с 20 заказами на запуск от Flexjet первые поставки были отложены с 2023 года на два года, когда в мае 2017 года для совместного исследования двигателя была выбрана GE Aviation . В мае 2021 года компания объявила о прекращении деятельности из-за невозможности привлечения капитала. [49]
SAI Quiet Supersonic Transport — это 12-местный самолет от Lockheed Martin , который должен развивать скорость 1,6 Маха и создавать звуковой удар, составляющий всего 1% от силы удара, создаваемого Concorde. [50]
Также предлагались сверхзвуковые самолеты Ту-444 и Gulfstream X-54 .
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 сможет долететь из Лос-Анджелеса в Сидней за 6 часов. Планируется, что он будет введен в эксплуатацию в 2029 году. [51]
Для обеспечения экономической жизнеспособности исследования NASA с 2006 года были сосредоточены на снижении звукового удара , чтобы обеспечить сверхзвуковой полет над сушей. [52] В 2016 году NASA объявило о подписании контракта на проектирование современного малошумного прототипа SST . [53] Группу разработчиков возглавляет Lockheed Martin Aeronautics . [53] NASA должно запустить демонстрационный самолет с низкой ударной волной в 2019 году, сократив двойные удары до мягких ударов за счет изменения формы планера, чтобы запросить реакцию сообщества в поддержку предполагаемой отмены запрета FAA и ICAO в начале 2020-х годов. Самолет Lockheed Martin X-59 QueSST X будет имитировать сигнатуру ударной волны 80-100-местного авиалайнера со скоростью от 1,6 до 1,8 Маха для 75 PNLdB по сравнению с 105 PNLdB для Concorde. [52]
ЦАГИ представил на авиасалоне МАКС -2017 в Москве масштабную модель своего сверхзвукового бизнес-джета / коммерческого самолета, который должен производить низкий звуковой удар, позволяющий сверхзвуковой полет над сушей, оптимизированный для крейсерской скорости 2100 км/ч (1300 миль/ч) и дальности полета 7400–8600 км (4600–5300 миль). Научно-исследовательская работа направлена на оптимизацию как для трансзвуковых скоростей Маха 0,8–0,9, так и для сверхзвуковых скоростей Маха 1,5–2,0, аналогичная конструкция испытывается в аэродинамической трубе , в то время как двигатели концептуализируются в Центральном институте авиационного моторостроения , а конструкции изучаются Авиадвигателем и НПО Сатурн . [54]
На съезде NBAA в октябре 2017 года в Лас-Вегасе, где NASA поддерживало только исследования, различные компании столкнулись с инженерными проблемами, предлагая самолеты без двигателя, с переменной максимальной скоростью и рабочими моделями: [55]
Из четырех миллиардов авиапассажиров в 2017 году более 650 миллионов летали на дальние расстояния от 2000 до 7000 миль (от 3200 до 11 300 км), в том числе 72 миллиона в бизнес- классе и первом классе , достигнув 128 миллионов к 2025 году; Spike прогнозирует, что к тому времени 13 миллионов будут заинтересованы в сверхзвуковом транспорте. [57]
В октябре 2018 года повторное утверждение FAA запланированных стандартов шума для сверхзвуковых транспортных средств, что дает разработчикам нормативную определенность для их проектов, в основном для их выбора двигателя. Правила для разрешения сверхзвуковых летных испытаний в США и сертификации по шуму будут предложены FAA к началу 2019 года. [58] FAA должно сделать предложение по шуму при посадке и взлете до 31 марта 2020 года для правила после 2022 года; и для наземного звукового удара с конца 2020 года, в то время как NASA планирует запустить демонстрационный летный образец Lockheed Martin X-59 QueSST с низкой стрелой с 2021 года для стандартов ICAO в 2025 году. [59]
В июне 2019 года, вдохновленная тихой сверхзвуковой инициативой NASA и X-59 QueSST , компания Lockheed Martin представила тихий сверхзвуковой технологический авиалайнер [60] , концепцию транстихоокеанского авиалайнера со скоростью 1,8 Маха для 40 пассажиров. Более низкий уровень шума в аэропорту и звуковой удар достигаются за счет конструкции с профилированной стрелой ; интегрированной малошумной силовой установкой; сверхзвуковым естественным ламинарным потоком со стреловидным крылом; и системой внешнего видения кабины (XVS). Конструкция длиной 225 футов (69 м) значительно длиннее, чем у Concorde , с почти 70-футовым (21 м) длинным носом и 78-футовым (24 м) салоном. Крыло с резкой стреловидностью дельта имеет размах 73 фута (22 м), что немного уже, чем у Concorde. [61]
Цели проектирования - дальность полета 4200–5300 морских миль (7800–9800 км) и длина взлетного поля 9500–10500 футов (2900–3200 м), звуковой удар 75–80 PLdB и крейсерская скорость 1,6–1,7 Маха над землей и 1,7–1,8 Маха над водой. Два хвостовых бесфорсажных двигателя 40000 фунтов силы (180 кН) расположены между V-образными хвостами. Интегрированная малошумная силовая установка включает усовершенствованные конструкции сопла-заглушки , концепции шумозащиты и устойчивые к деформации лопатки вентилятора . [61]
В 2019 году была основана компания Exosonic, Inc. с целью разработки сверхзвукового самолета на 70 пассажиров, способного летать со скоростью 1,8 Маха и с дальностью полета 5000 морских миль (9300 км; 5800 миль). Компания планирует вывести самолет на рынок в 2030-х годах. [62] [63] В апреле 2021 года компания Exosonic получила контракт на разработку сверхзвукового самолета, который можно было бы использовать в качестве Air Force One. [64]
В августе 2020 года Virgin Galactic совместно с Rolls-Royce представили концепцию двухреактивного самолета с треугольным крылом , способного развивать скорость до 3 Махов и перевозить до 19 пассажиров. [65] [66]
НАСА работает с двумя командами во главе с Boeing и Northrop Grumman над разработкой концепций авиалайнера со скоростью 4 Маха. [67]
В апреле 2024 года компания Boom получила лицензию FAA на проведение испытаний своего XB-1 на скорости 1 Маха и выше в сверхзвуковом коридоре Black Mountain в Мохаве, штат Калифорния. [68]
В то время как обычные турбо- и прямоточные воздушно-реактивные двигатели способны оставаться достаточно эффективными до 5,5 Маха, иногда обсуждаются некоторые идеи для очень высокоскоростного полета выше 6 Маха с целью сокращения времени полета до одного или двух часов в любой точке мира. Эти предложения по транспортным средствам обычно используют либо ракетные , либо гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели; также предлагались двигатели с импульсной детонацией . С таким полетом связано много трудностей, как технических, так и экономических.
Ракетные транспортные средства, хотя и практичны с технической точки зрения (как баллистические транспорты, так и полубаллистические транспорты с крыльями), будут использовать очень большое количество топлива и лучше всего работать на скоростях между 8 Маха и орбитальными скоростями. Ракеты лучше всего конкурируют с воздушно-реактивными двигателями по стоимости на очень больших расстояниях; однако даже для антиподных путешествий стоимость будет лишь немного ниже стоимости орбитального запуска. [ необходима цитата ]
На Парижском авиасалоне в июне 2011 года EADS представила свой концепт ZEHST , летящий со скоростью 4 Маха (4400 км/ч; 2400 узлов) на высоте 105 000 футов (32 000 м) и вызвавший интерес Японии. [69] Немецкий SpaceLiner — проект суборбитального гиперзвукового крылатого пассажирского космоплана, находящийся на стадии предварительной разработки. [ когда? ]
Предварительно охлажденные реактивные двигатели — это реактивные двигатели с теплообменником на входе, который охлаждает воздух на очень высоких скоростях. Эти двигатели могут быть практичными и эффективными при скорости до 5,5 Маха, и это область исследований в Европе и Японии. Британская компания Reaction Engines Limited , с 50%-ным финансированием ЕС, участвовала в исследовательской программе под названием LAPCAT , в рамках которой была изучена конструкция самолета на водородном топливе, перевозящего 300 пассажиров, называемого A2 , потенциально способного совершать беспосадочные перелеты со скоростью 5 Маха и более из Брюсселя в Сидней за 4,6 часа. [70] Последующее исследование LAPCAT II началось в 2008 году и должно было продлиться четыре года. [71]
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. [72] [73]
Destinus , Hermeus и Venus Aerospace разрабатывают гиперзвуковые пассажирские самолеты. [74] [75] [76] [77]
На конференции AIAA 2018 компания Boeing представила пассажирский авиалайнер со скоростью 6 Махов (6500 км/ч; 3500 узлов). Пересечение Атлантики за 2 часа или Тихого океана за 3 часа на высоте 100 000 футов (30 км) позволит совершать обратные рейсы в тот же день, что повысит эффективность использования активов авиакомпаний . При использовании титанового планера его вместимость будет меньше, чем у Boeing 737 , но больше, чем у дальнемагистрального бизнес-джета . Многоразовый демонстратор может быть запущен уже в 2023 или 2024 году для потенциального ввода в эксплуатацию с конца 2030-х годов. Аэродинамика выиграет от опыта Boeing X-51 Waverider , управляя передней кромкой ударной волны для снижения индуцированного сопротивления . Управление потоком увеличит подъемную силу на более низких скоростях, а отказ от форсажных камер на взлете снизит шум . [78] Гиперзвуковой авиалайнер Boeing будет оснащен турбопрямоточным воздушно-реактивным двигателем , турбовентиляторным двигателем , который переходит в прямоточный воздушно-реактивный двигатель на скорости 6 Махов, что позволит избежать необходимости в сверхзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, аналогичном Pratt & Whitney J58 SR-71 Blackbird , но отключающем турбину на более высоких скоростях. Он будет интегрирован в осесимметричную кольцевую компоновку с одним воздухозаборником и соплом , а также обводным каналом вокруг турбинного двигателя в комбинированную форсажную камеру /прямоточный воздушно-реактивный двигатель сзади. Ему потребуется передовая технология охлаждения , такая как теплообменник , разработанный Reaction Engines , возможно, с использованием жидкого метана и/или реактивного топлива . [78] Крейсерская высота полета 90 000–100 000 футов (27 000–30 000 м) делает разгерметизацию более рискованной. Скорость 6 Махов была выбрана в качестве предела, достижимого с помощью имеющихся технологий . Он будет иметь высокую пропускную способность , имея возможность пересекать Атлантику четыре или пять раз в день, по сравнению с возможными двумя разами в день у « Конкорда» . [79]
