Давайте начистоту — заголовки в духе «Долететь из Москвы во Владивосток за час» мы видим регулярно. Красивые компьютерные рендеры футуристичных лайнеров кочуют из одного медиа в другое, обещая революцию в авиации в обозримом будущем.
Но если присмотреться к реальности, революция пока задерживается на этапе испытательных стендов. На текущий момент наш максимум на межконтинентальных и внутренних рейсах — всё те же привычные 900 километров в час.
Почему так трудно выйти за рамки привычных скоростей, что реально происходит за закрытыми дверями аэрокосмических лабораторий и почему пассажирского опыта на таких скоростях до сих пор не существует? Попробуем разобраться без восторженного пиара, чисто по физике и фактам.
Где проходит граница и почему обычные самолеты там разрушатся
Для начала определимся со шкалой. Сверхзвук — это всё, что быстрее скорости звука, то есть выше Маха 1, что составляет примерно 1225 километров в час у земли. Гиперзвук начинается там, где цифры становятся совсем экстремальными — выше Маха 5, а это уже около 6000 километров в час.
На таких скоростях воздух перестает вести себя как привычный нам газ. Он становится вязким, почти как кисель, и безумно горячим из-за трения. Обычный пассажирский лайнер на гиперзвуке просто расплавится, ведь температура обшивки легко перешагивает порог в 1000 градусов Цельсия.
Но главная беда кроется даже не в прочности материалов, а в двигателях.
Двигательный тупик — три мотора в одной конструкции
Обычный турбореактивный двигатель, который стоит на любом современном гражданском самолете, отлично работает на малых скоростях. Но уже при приближении к сверхзвуку лопатки его компрессора начинают испытывать запредельные нагрузки, а нагнетаемый воздух на входе становится слишком горячим.
Чтобы лететь на гиперзвуке, нужен прямоточный воздушно-реактивный двигатель или его продвинутая версия с горением в сверхзвуковом потоке. В таком моторе вообще нет движущихся частей, так как воздух сжимается сам за счет бешеной скорости встречного потока. Но здесь возникает технологический парадокс. Прямоточный двигатель не может работать с места. Чтобы он запустился, самолет нужно сначала разогнать до огромной скорости другими средствами. При этом обычный реактивный мотор не способен обеспечить стартовый разгон до нужных величин.
Получается замкнутый круг. Решают его сейчас двумя сложными путями.
Первое решение — комбинированный цикл
Инженеры пытаются объединить в одной установке классический турбореактивный двигатель и прямоточный. До определенного момента работает первый двигатель, затем специальные створки перенаправляют поток воздуха, первый мотор полностью отключается, и запускается прямоточный режим.
Именно по этому пути идет американский стартап Hermeus. Их беспилотный прототип Quarterhorse успешно преодолел звуковой барьер, показав хорошую управляемость. Но до реального гиперзвука проекту еще предстоит пройти долгий путь испытаний, а испытания полноценной комбинированной силовой установки планируются лишь в будущих поколениях аппаратов.
Второе решение — детонационные технологии
Другой подход заключается в использовании ракетных двигателей нового типа. Компания Venus Aerospace делает ставку на вращающийся детонационный ракетный двигатель. Вместо спокойного горения топлива там происходят контролируемые микрозрывы, которые с огромной частотой движутся по кругу внутри камеры сгорания. Это дает колоссальную тягу при меньшем расходе топлива.
Разработчики уже провели первые успешные тесты небольшого беспилотного дрона с таким двигателем. Однако тестовый полет проходил на дозвуковой скорости, поэтому разрыв между компьютерными симуляциями и реальным железом всё еще огромен.
Проблема охлаждения и материалы будущего
Даже если инженеры создадут идеальный двигатель, встает вопрос выживания конструкции. При полете на гиперзвуке носовая часть и кромки крыльев принимают на себя колоссальный тепловой удар.
В существующих решениях эту проблему пытаются решить двумя путями. Один из них — использование ультравысокотемпературной керамики и углерод-углеродных композитов. Эти материалы исследуют во многих научных центрах мира, включая российский ЦАГИ имени Жуковского, где ученые годами тестируют поведение элементов конструкции в уникальных газодинамических трубах.
Второй путь — активное охлаждение. Инженеры предлагают использовать топливо самолета в качестве хладагента. Криогенное топливо, например жидкий водород или сжиженный метан, перед подачей в камеру сгорания циркулирует по тончайшим каналам внутри обшивки крыла, забирая лишнее тепло. Это усложняет конструкцию в разы и делает её крайне пожароопасной.
Экономика и законы физики против пассажиров
Допустим, все технические проблемы решены в лабораториях. Но как только мы переходим от беспилотных аппаратов к перевозке людей, проект сталкивается с суровой реальностью.
Во-первых, возникает проблема звукового удара. Когда самолет преодолевает звуковой барьер, за ним тянется мощная ударная волна. На земле это воспринимается как оглушительный взрыв. По этой причине полеты быстрее звука над сушей запрещены международными правилами. Для нашей страны с её гигантской территорией это означает, что лететь на полной скорости над Сибирью или Уралом просто не разрешат. Маршруты придется прокладывать в обход или разгоняться только над безлюдными просторами океанов.
Во-вторых, экономика полета выглядит пугающе. Легендарный советский Ту-144 и европейский «Конкорд» опередили свое время, но коммерчески не оправдали себя. Расход топлива на одного пассажира был гигантским. С гиперзвуком ситуация станет еще сложнее, ведь стоимость обслуживания криогенных систем и детонационных двигателей поднимет цену билета до стоимости хорошей квартиры.
В-третьих, реального опыта безопасных пассажирских перевозок на гиперзвуке не существует вовсе. Все нынешние проекты — это сугубо беспилотные платформы и теоретические расчеты. Рисковать жизнями людей на этапе сырых технологий никто не станет.
Реальный сценарий развития событий
Ждать массовых пассажирских рейсов в ближайшие десятилетия не стоит. Развитие технологий пойдет по классической цепочке, где обычные люди окажутся в самом конце.
Военные технологии и беспилотные аппараты
└── Доставка экстренных и сверхценных грузов
└── Штучные бизнес-джеты для частных заказчиков
└── Массовые гражданские перевозки
Первым коммерческим успехом в этой нише с высокой вероятностью станут не пассажирские лайнеры, а беспилотная экспресс-доставка критически важных компонентов или медицинских грузов на межконтинентальных маршрутах. Роботам не нужен комфортный салон, системы жизнеобеспечения и стюардессы, а перегрузки они переносят гораздо лучше человека.
Гиперзвук для пассажиров останется красивой теорией еще очень долго. Физику и экономику невозможно обмануть яркими презентациями, их можно лишь долго, дорого и постепенно преодолевать на испытательных полигонах.
