Работа над ошибками: в России вновь создадут гиперзвуковой гражданский самолет

С давних времен люди мечтали летать. Все ключевые мифологические системы содержат более или менее удачную историю о полете человека. Самая известная нам – родом из греческой мифологии. Полет Икара закончился трагедией и, казалось бы, заключал в себе урок: нечего делать человеку в небе, оно – дом только для птиц и богов. Но люди не оставляли попыток освоить воздушное пространство, или «пятый океан». Чтобы совершить это не только в воображении, но и в действительности, людям долго не хватало научных знаний. Рукописи первых ученых, например, Леонардо да Винчи, содержат лишь чертежи и проекты летательных аппаратов и первые расчеты. В Средние века на подобные исследования был наложен запрет церкви: мечты о полетах считались признаком греховной гордыни, а следовательно, гарантировали адские муки. Многим пришлось умереть на костре за конструирование искусственных крыльев и эксперименты с ними.

Но люди упорно стремились в небо. Сначала это были планеры – летательные аппараты без мотора. По форме они напоминали птиц, которым человек и старался подражать. Но, в отличие от них, планеры очень долго не могли взлетать. Хотя их создатели делали для этого все возможное. Чтобы поднять свои изобретения «на крыло», они скатывали их с холма, сталкивали с обрыва, даже пытались запустить с телеги, разгоняемой лошадьми. Ничего не получалось. Все попытки заканчивались для первых воздухоплавателей, в лучшем случае, ссадинами и ушибами, а иногда и серьезными травмами. Казалось, история Икара стала для человечества настоящим проклятьем. Но – успех был не за горами.

Первый и решающий прорыв в деле воздухоплаванья совершил французский моряк Жан-Мари Ле Бри. Мечтая создать аппарат для полета, он наблюдал за птицами. В одном из дальних плаваний внимание Ле Бри привлекло парение альбатросов на неподвижных крыльях. Молодой моряк подстрелил одну из птиц и изучил возникновение аэродинамических сил на ее крыле под воздействием ветра. Как впоследствии вспоминал сам Ле Бри, это послужило основой для разработки проекта планера. В 1857 году управляемый им планер по имени «Искусственный альбатрос» поднялся в небо. Он смог взмыть на высоту сто метров и пролететь целых 200 метров – огромное достижение по тем временам! Впрочем, этот легендарный полет едва не стоил жизни кучеру конной повозки, с которой взлетал «Альбатрос». Несчастный был поднят в воздух случайно замотавшимся вокруг него канатом. К счастью, все обошлось. Но инцидент лишний раз напомнил, что небо – пока чрезвычайно опасное место для человека.

Несмотря на очевидные риски для здоровья и жизни, первые пилоты и инженеры летательных аппаратов продолжали совершенствовать конструкцию своих рукотворных «птиц». Следующим шагом на этом пути стало создание летательного аппарата с мотором, который давал возможность не зависеть от воли ветра и лететь куда захочется. Это оказалось чрезвычайно сложной задачей.

Первый в мире самолет с двигателем, который смог отделиться от земли, к тому же с человеком на борту, построил контр-адмирал российского флота Александр Можайский. Перед экспериментами с полетами он, как и его коллега Ле Бри, изучал птиц. Точнее, то, как эти сознания используют силу и направление ветра. Можайский кропотливо работал, за годы исследований в его лаборатории скопились тысячи карточек с описанием каждой изученной им птицы: скорость и высота полета, геометрические параметры тела и его вес. Важно было учесть все тонкости, все просчитать и создать нечто вроде искусственной птицы.

«Воздухолетательный снаряд» Можайского был большим: длина крыла составляла 24 метра, а длина фюзеляжа, который первые авиаторы называли «лодкой» или «гондолой», – 15 метров. Крылья были изготовлены из стальных и деревянных деталей и обтянуты парусиной. Паровые двигатели приводили в действие три винта: один носовой и два боковых. Конструкция казалась идеальной, но – не тут-то было...

Испытания «Воздухоплавательного снаряда» началась в 1882 году, продолжались несколько лет, однако по-настоящему он так и не взлетел. Лишь однажды он ненадолго оторвался от земли и преодолел по воздуху небольшое расстояние, но быстро потерял скорость, накренился и упал. А все потому, что Можайский не учел важную деталь: вес воздушного судна. Птицы легкие, а его самолет весил почти тонну. Это неподъемный вес для маломощных паровых двигателей. Но усилия не были напрасными: «воздухолетательный снаряд» приоткрыл человечеству дверь в эру авиации.

Фото: uk.wikipedia.org

Усилия следующих поколений авиаторов были сконцентрированы на создании легкого и мощного двигателя. К концу XIX века для тысяч людей во всем мире авиация стала страстным увлечением. Казалось, что каждый из них стоял на пороге великого открытия. Однако решающий шаг было суждено сделать американцам братьям Уилбуру и Орвилу Райт.

В отличие от многих своих коллег они не спешили подниматься высоко в небо, а целиком сконцентрировались на наземных экспериментах. Братья понимали: прежде чем садиться в кресло пилота, нужно научиться хорошо владеть штурвалом. Такой порядок действий был ими установлен из-за страха повторить неудачный опыт предшественников. Тогда у всех на слуху была трагическая история немецкого изобретателя Отто Лилиенталя. В 1896 году его гибель потрясла весь мир. Во время полета его планер перевернуло внезапным порывом ветра, и он рухнул на землю. Как избежать такого финала? Братья Райт искали способ научиться уверенно летать в, казалось бы, парадоксальной ситуации, ведь действующий летательный аппарат пока никто не изобрел.

Райт целиком посвятили себя созданию воздушного судна, которое было бы тяжелее воздуха и полностью управляемым. Благо, оба были хорошо знакомы с передовыми техническими достижениями своей эпохи, так как переписывались с лучшими учеными. Кроме того, у них были в собственности магазин и ремонтная мастерская велосипедов, что делало их сведущими в области прикладной инженерии.

В 1902 году после долгих поисков оптимальной конструкции братья Райт создали то, что не удавалось никому до них. Они сконструировали систему управления, которая позволяла контролировать аппарат по трем осям: перекосом крыла (крен) – продольная ось, носовым рулем высоты – тангаж (поперечная ось) и хвостовым рулем направления – рыскание (вертикальная ось). Фактически братья первыми разработали схему, которая до сих пор лежит в основе управления самолетами. Надежный принцип управления воздушным судном дал Уилбуру и Орвилу искомую уверенность за штурвалом и готовность заняться конструированием двигателя.

Вскоре им удалось сделать легкий и мощный бензиновый двигатель. Его установили на самолет по имени «Флайер» (с английского «летун»). Он был собран из деревянных реек и ткани, и потому был необычайно легким: всего 300 килограммов. Размах его крыла составлял 12 метров. На взгляд нашего современника, первый самолет вовсе не был похож на своих будущих «коллег», внешне он больше напоминал узкую полку для книг, перевернутую горизонтально. При этом руль высоты у него был спереди, а не на хвосте, отчего со стороны создавалось впечатление, будто «Флайер» летит задом наперед.

На «испытательном полигоне» в Китти-Хок, в Северной Каролине, перед братьями встал вопрос: кто первым сядет за штурвал «Флайера»? Решили, что решит жребий: бросили монетку, и она «выбрала» Уилбера. Так, 14 декабря 1903 года Уилбер Райт предпринял попытку первого полета. «Попытку», потому что самолет упал сразу после взлета. Ни летчик, ни машина не пострадали, а сами братья сочли инцидент досадной случайностью, вызванной недостатком опыта.

Уилбур Райт за штурвалом поврежденного Флайер-1 после неудачного полета 14 декабря 1903 года. Фото: Library of Congress

Успешные испытания «летуна» состоялись 17 декабря 1903 года. В тот раз за штурвал сел Орвил и за 12 секунд преодолел по воздуху более 36 метров! Это скромное, по нынешним меркам, расстояние стало настоящим прорывом и открыло перед человеком путь в небо – история авиации началась.

После своего триумфа братья Райт стали героями. Увлекшись авиацией, по их стопам пошли миллионы энтузиастов во всем мире. В 1909 году француз Луи Блерио перелетел из Франции в Англию через пролив Ла-Манш. Газеты того времени восторженно сообщали: «Нет больше проливов!», «Великобритания расположена на материке!». А один из кинооператоров студии братьев Люмьеров поднялся в небо и впервые снял Париж с высоты птичьего полета, его фильм много дней демонстрировался во всех кинотеатрах французской столицы при переполненных залах.

 Читайте по теме: Российские ученые научились предсказывать поломку деталей авиатехники

В России интерес к воздушным полетам оказался настолько велик, что для любителей стали издавать несколько журналов об авиации. Энтузиастов не останавливало даже то, что первые полеты были делом небезопасным и предельно некомфортным. По воспоминаниям первых пилотов, мотор разбрызгивал бензин, он попадал в лицо. Управлению мешал дым. Чтобы не угореть от него и не потерять сознание, некоторые пилоты возили с собой нашатырный спирт. В придачу ко всему, у первых самолетов не было... тормозов. Чтобы остановиться в определенном месте, после приземления пилот на ходу должен был выпрыгнуть из кабины, успеть ухватиться за хвост самолета и тормозить ногами о землю.

Однако со временем авиалюбители становились профессионалами. И уже через семь лет после первого удачного полета братьев Райт в России на нескольких заводах было налажено производство собственных самолетов. А в кабинетах инженеров и на испытательных площадках продолжались успешные изыскания в области авиатехники. Именно в России знаменитый авиаконструктор Игорь Сикорский создал первый пассажирский самолет, который вошел в историю под именем «Илья Муромец». По внушительности и масштабу он мог бы дать фору многим современным воздушным суднам: он представлял собой исполинский биплан с размахом верхнего крыла в 30 метров. Нагруженным он весил до семи тонн, и при этом ему удавалось развивать скорость до 130 километров в час. В придачу ко всем этим новшествам, «Илья Муромец» был первым самолетом с пассажирским салоном, в котором было все для комфортного полета: спальные комнаты, ванная, туалет, электрическое освещение и даже отопление.

Исторический полет «Муромца» с шестнадцатью пассажирами и одной собакой на борту был совершен в феврале 1914 года. А летом этого же года после начала Первой мировой войны первому пассажирскому самолету пришлось «надеть погоны» и стать первым бомбардировщиком. За годы войны в русскую армию поступило 60 «Муромцев», которые совершили 400 боевых вылетов. А сбит из них был лишь один, да и то после того, как его атаковало сразу 20 самолетов противника. Так началась история отечественной авиации.

Она была определена работой нескольких гениальных авиаконструкторов. Один из них – Андрей Туполев. Выходец Императорского Московского технического училища, он сначала стал «правой рукой» одного из основоположников отечественной авиации Николая Жуковского, а после революции 1917 года заручиться поддержкой Ленина и добился создания Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ).

В октябре 1922 года случилось по-настоящему историческое событие: советское правительство приняло решение об образовании комиссии по постройке металлических самолетов под председательством Андрея Туполева. Сам авиаконструктор два десятилетия спустя предлагал именно с этого момента вести историю легендарного конструкторского бюро (сокращенно – КБ), в котором было создано более 50 военных и гражданских самолетов, включая первый сверхзвуковой лайнер Ту-144.

Спустя год после создания КБ, в октябре 1923-го, в воздух поднялся одноместный АНТ-1. В этом судне конструкторам впервые удалось совместить легкость конструкции и управления, маневренность и надежность. АНТ – это инициалы создателя: «Андрей Николаевич Туполев». Примерно раз в год Туполев и его коллеги выпускали в небо доработанную версию АНТа.

Удививший весь мир самолет этой серии появился на свет в 1937 году. АНТ-25 вошел в историю как «Рекорд дальности». Так его стали называть после того, как на нем знаменитый Валерий Чкалов перелетел из Москвы в американский Ванкувер. А это – восемь с половиной тысяч километров без посадки. Не все современные самолеты способны на такое! В военное время АНТ-25 служил самолетом-разведчиком и самолетом-бомбардировщиком.

Самолет АНТ-25. Фото: aviaforum.ru

За годы развития отечественной авиации было поставлено множество рекордов, создано немало самолетов и совершено полетов с лестной припиской «самый» и «первый». Самым опасным и самым массовым самолетом в годы с 1941-го по 1945-й был легендарный Ил-2, созданный в конструкторском бюро Сергея Ильюшина. Этот гениальный самоучка окончил всего три класса земской школы, только в 27 лет поступил в Институт инженеров и свой первый самолет построил в 42 года. Это был экспериментальный бомбардировщик ЦКБ-26. На нем летчик Владимир Коккинаки поставил первый советский авиационный рекорд, официально зарегистрированный Международной авиационной федерацией.

Но настоящей легендой, созданной Ильюшиным, стал Ил-2. Пораженные боевыми способностями этого летательного аппарата немцы называли его «бетонный самолет», «мясорубка» и даже «черная смерть». В Советском Союзе его именовали «летающий танк». Подобно танкам на земле, эти самолеты, оснащенные мощными пулеметами, пушками и ракетами, с воздуха помогали солдатам идти в атаку. Они уничтожали нагруженные оружием вражеские железнодорожные составы и аэродромы с не успевшими взлететь самолетами, выводили из строя артиллерийские батареи, танковые колонны, сметали с лица земли укрепления фашистов.

Сергей Ильюшин был необыкновенно работоспособен и предпочитал решать сложные конструкторские задачи «с нуля», без опоры на предыдущий опыт. Таким способом уже после войны был создан пассажирский самолет Ил-12 – не самая совершенная машина, которая, однако, стала звеном, предваряющим очередной успех. Следующий за ним пассажирский самолет Ил-18 стал первым пассажирским лайнером, который у СССР стали закупать другие страны.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые нашли способ уменьшить вредные выбросы ТЭЦ в два раза

Еще одним отечественным авиарекордом был самолет У-2. Он вошел в историю как самый легкий и самый неприхотливый. Его сконструировал Николай Поликарпов. Коллеги называли его «королем истребителей». До Великой Отечественной войны его самолеты считались одними из лучших, и это – в условиях крайнего дефицита авиастроительных материалов. Проекты Поликарпов разрабатывал в Особом конструкторском бюро, пребывая в заключении по обвинению в «участии в контрреволюционной вредительской организации». Там, в местах не столь отдаленных, и появился У-2.

Это двухместное воздушное судно было задумано как учебное (отсюда буква «У» в названии) и без многого могло обойтись. Например, без аэродрома: местом взлета и посадки могли служить поляна в лесу, поле, шоссе... С 1941 по 1945 год преимущества У-2 – бесшумность полета и маневренность – были востребованы как никогда. Эти самолеты служили в разведке, были ночными бомбардировщиками. Кроме того, на них перевозили санитарные бригады и медикаменты. После войны технические преимущества У-2 были переведены в мирное русло: самолеты были задействованы в сельском хозяйстве, перевозили почту, помогали проводить фотосъемки с воздуха и, конечно, были востребованы как учебные машины для начинающих авиаторов.

В мирное время отечественные авиаконструкторы и инженеры стали решать новые задачи, учитывая бесценный военный опыт. Нужно было создать самолет, который обладал бы грузоподъемностью бомбардировщиков и скоростью истребителей. Так впервые появилась идея сверхзвукового пассажирского самолета. Решение этой задачи имело государственную важность, в ее решении был заинтересован лично Михаил Хрущев: в условиях жестокой конкуренции с капиталистическим Западом важно было эффектно покорять небо и космос.

С 1963 года в конструкторском бюро Андрея Туполева работали практически в военном режиме: сроки были жестко определены. За процессом следили в ЦК КПСС: с докладами о рабочем процессе туда ездил сам Туполев. В итоге, в 1968 году в небо взмыл первый сверхзвуковой пассажирский самолет. Ту-144 напоминал гигантскую птицу. Он легко поднимался на высоту более 16 километров, где нет воздушных потоков, и набирал фантастическую скорость – две с половиной тысячи километров в час. Это событие вошло в историю. В мире до сих пор нет аналогов пассажирских бортов, которые способны повторить подобный маневр.

Однако у машины был существенный недостаток. Ее двигатель, мягко говоря, не отличался экономичностью. Впрочем, для руководства страны это не было существенным препятствием. Андрей Туполев вспоминал впоследствии, что на одном из совещаний он докладывал Хрущеву, что машина получается довольно прожорливой. Тот лишь махнул рукой: ваше дело – утереть нос капиталистам, а керосина у нас будет хоть залейся...

Первые рейсы Ту-144 проходили из Москвы в Алма-Ату. Три тысячи километров реактивный авиалайнер пролетал менее чем за два часа. При этом брал на борт до 150 пассажиров. Рейсы стоили в полтора раза дороже обычных, однако салон всегда был полон. С ноября 1977 года по май 1978 года два Ту-144 выполнили 55 рейсов между Москвой и Алма-Атой, перевезя в общей сложности 3284 пассажиров.

Чуть позже советских инженеров авиаконструкторы из Англии и Франции построили самолет «Конкорд», который летал, главным образом, через Атлантический океан, соединяя Европу и Америку. На перелет из Лондона в Нью-Йорк «Конкорд» тратил меньше трех часов. Однако эта машина тоже не отличалась экономичностью. В 1978 году девять европейских «сверхзвуковиков» принесли своим компаниям около 60 млн долларов убытка. И только правительственные субсидии спасли положение. Благодаря им этот самолет летал вплоть до ноября 2003 года. Эксплуатация Ту-144 была прекращена намного раньше – в 1978 году.

Эксперты называют три причины, по которым «сверхзвуковики» не прижились в гражданской авиации. Первая – энергетический кризис. Пока Ту-144 и «Конкорды» перевозили пассажиров на высоких скоростях, цены на керосин непрерывно росли. Несмотря на обещания Хрущева, советский сверхзвуковой сразу же окрестили «удавом на шее «Аэрофлота». Огромный расход топлива сравнял с землей запланированную дальность полетов: топлива Ту-144 не хватало ни до Хабаровска, ни до Петропавловска-Камчатского. Только из Москвы до Алма-Аты.

Вторая причина – экологическая. В отличие от «Конкордов», парящих исключительно над океаном, советские «сверхзвуковики» летали над густонаселенными районами суши и меняли к худшему состояние природной среды. Жители жаловались на кислотные дожди, дурной воздух, плохие удои коров.

Третья причина – самая важная – катастрофы. С Ту-144 первая произошла в июне 1973 года на авиасалоне в парижском Ле Бурже, когда необходимо было продемонстрировать возможности советского лайнера. Из-за нарушений в системе управления погибли все шесть членов экипажа и восемь человек на земле.

Вторая катастрофа случилась через пять лет. Тогда выполнялся испытательный полет с двигателями новой серии, которые, как предполагалось, должны были вытащить самолет на необходимую дальность. Инцидент поставил точку на дальнейших экспериментах и исследованиях в области гражданской сверхзвуковой авиации в СССР: финансирование всех проектов прекратилось, ставка была сделана на надежных дозвуковых аэробусах.

Дороги без пробок и ДТП, подводное дыхание, инвалидное кресло, управляемое силой мысли, – еще больше открытий отечественных ученых в рубрике Наука 

Самолет «Конкорд» тоже не избежал трагедии. 25 июля 2000 года при взлете из Парижа машина авиакомпании «Air France» потерпела крушение из-за того, что на взлетно-посадочной полосе оказался посторонний предмет. Тогда погибли 109 человек на борту и четыре человека на земле.

Но на сверхзвуковой гражданской авиации вовсе не поставлен крест. Планы возродить исследования в этой области в разное время появлялись в разных точках мира. Главным образом, из-за растущей у бизнес-сообщества потребности преодолевать большие расстояния за малое время. Мечта любого бизнесмена: утром перелететь океан, заключить крупную сделку, вечером вернуться домой. Современные самолеты летают не быстрее 900 километров в час. А сверхзвуковой бизнес-джет будет иметь крейсерскую скорость около 1900 километров в час. Какие перспективы для деловых людей во всем мире!

Стратегические бомбардировщики Ту-160 в цехе Казанского авиазавода (КАПО имени С.П. Горбунова), 2016 год. Фото: Максим Богодвид/РИА «Новости»

Учитывая их, в России вернулись к идее создания пассажирского «сверхзвуковика». Открыто об этом заговорили после того, как 26 января 2018 года свой первый полет совершил сверхзвуковой стратегический ракетоносец Ту-160 «Петр Дейнекин». За полетом наблюдал президент РФ Владимир Путин. Тогда же президент предложил создать гражданскую версию сверхзвукового самолета на базе Ту-160. Оказалось, что ученые из Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) уже работают над проектом пассажирского сверхзвукового лайнера. На новом витке развития технологий ученым необходимо учесть все ошибки и достижения прошлого, найти баланс между важными факторами: хорошей аэродинамикой, небольшим расходом топлива, а также жесткими ограничениями на шум и звуковой удар.

По мнению экспертов, с инженерной точки зрения создать пассажирскийсамолет на базе сверхзвукового бомбардировщика – вполне возможно. В истории было множество примеров, когда военные самолеты «снимали погоны» и использовались в «мирной» авиации. Например, пассажирский Ту-114 был создан на базе бомбардировщика Ту-95. Чтобы преображение произошло, конструкторам нужно было переделывать фюзеляж (менять схему расположения крыла), расширять диаметр.

Похожие работы потребуется сделать и для Ту-160. Это предполагает ряд трудностей, считают эксперты из ЦАГИ. Дело в том, что Ту-160 весит более ста тонн. «Раздуть» фюзеляж, значит, добавить вес. А следовательно, увеличить расход топлива, уменьшить скорость и высоту полета. Чтобы этого избежать, нужны новые авиадвигатели, новые материалы, новые виды топлива... Каждый из этих пунктов нужно будет прорабатывать с учетом особенностей проектируемого самолета и уже имеющихся у ученых наработок. То есть, в сущности, предстоит проектировать новый самолет, подчеркивают в ЦАГИ.

Кроме того, ученым предстоит решить проблему с уровнем шумового удара (резким перепадом давления в ударной волне). В случае с Ту-144 он равнялся 100-130 паскалям. По словам генерального директора ЦАГИ Сергея Чернышева, современные исследования показали: уровень шумового удара можно довести до 15-20 паскалей. Более того, снизить громкость звукового удара до 65 децибел, а это эквивалентно шуму большого города.

Еще одна сложность, как полагают эксперты, заключается вовсе не в инженерной стороне вопроса, а в экономической. Ведь важно, чтобы пассажирская версия «Петра Дейнекина» не стала очередным «удавом на шее», который высасывает все финансовые вложения. Сколько нужно сделать таких самолетов и кто на них будет летать?

По предварительным прогнозам Объединенной авиастроительной корпорации, которая руководит разработкой и созданием всех гражданских и военных самолетов РФ, первый российский сверхзвуковой административный самолет (бизнес-джет) может быть спроектирован за семь-восемь лет при наличии задела по двигателю. Такой самолет сможет вместить до 50 человек. Общий спрос на внутреннем рынке прогнозируется на уровне 20-30 машин при цене 100-120 млн долларов. Планируется выход и на мировой рынок. Для этого пассажирскому «сверхзвуковику» потребуется получить международный сертификат. В общем, ученым предстоит решить множество задач. В их распоряжении – время, а также знания и опыт всей мировой авиации.