Гиперзвуковые технологии: новый виток в авиации

Возможно ли долететь от Пекина до Нью-Йорка за два часа? Пока что нет, но скоро это может стать реальностью!

Гиперзвуковые самолеты способны летать со скоростью выше 5 Махов, то есть более 6000 километров в час. И это открывает беспрецедентные возможности для сокращения времени межконтинентальных путешествий! 2024 год стал революционным в сфере лётных испытаний в разных частях сфера, и сегодняшние разработки касаются не только гиперзвуковых оружейных систем, но и пассажирских авиалайнеров.

Что такое гиперзвук и что пережила гиперзвуковая авиация

Гиперзвук — это скорость, которая в пять и более раз превышает скорость звука. Она измеряется в Махах и зависит от высоты, температуры воздуха и т.д. Для сравнения, самолет, летящий со скоростью 1 Мах, развивает скорость около 1 235 километров в час, а гиперзвуковой авиалайнер может двигаться со скоростью от 6 000 километров в час и выше. Одним из важнейших факторов, который отличает гиперзвуковые технологии от традиционных, является сверхвысокая скорость, а значит, это заметно сократит время полета.

Наброски первых гиперзвуковых авиалайнеров появились после Второй мировой войны, до этого времени скорости, превышающие скорость звука, считались невозможными, так как любой самолет, который пытался преодолеть данный барьер, сталкивался с резким увеличением аэродинамических сопротивлений, что приводило к разрушению конструкции. Во время войны и после в основном конструировали авиационную военную технику (бомбардировщики, самолёты-разведчики, ракеты). Первый гражданский гиперзвуковой самолет принадлежал советскому конструкторскому бюро «Туполев» и назывался Ту-144 взлетел. Он поднялся в небо в 1968 году на 37 минут и набрал скорость в 2,5 тысяч километров в час на высоте 11 км. Всего было сделано 16 экземпляров, два из которых в 1977 году работали на маршруте Москва — Алма-Ата. 

В это же время  Великобритания совместно Францией разрабатывали собственный сверхзвуковой лайнер «Конкорд», который был запущен в 1969 году. «Конкорд» предназначался для межконтинентальных полётов из Европы в США и обратно, в то время как советский самолёт был рассчитан исключительно на то, чтобы перевозить людей исключительно по территории СССР. То есть «Конкорд», в отличие от Ту-144, был также рассчитан для полетов над океаном. 

За время своего существования Ту-144 совершил 55 перелётов и перевозил 3284 пассажиров за год. В 1979 году его производство завершилось из-за экономической целесообразности — билеты на этот рейс были настолько дорогими, что толком не распродавались, а это в свою очередь повышало затраты на обслуживание и затраты на топливо. «Конкорд» же осуществлял свою деятельность вплоть до 2003 года, производство завершилось после повышения цен на топливо. 

Возвращение сверхскоростных самолетов в небо

Основной проблемой для создания сверхзвуковых самолетов всегда были высокие температуры и аэродинамические нагрузки, которые испытывает летательный аппарат на таких скоростях. Резкое увеличение аэродинамических сопротивлений приводит к разрушению конструкции прямо в небе, что часто и происходило ранее при попытках разработать сверхзвуковые модели. В XXI веке эту проблему удалось решить: были предложены новые материалы и системы охлаждения, а также инновационные двигатели - реактивные и комбинированные. 

Второй, не менее важной проблемой прошлого, которую современные авиаконструкторы все еще пытаются решить — это та самая цена. Создание и эксплуатация гиперзвуковой техники стоит немерено, из-за чего цены на билеты в разы выше обычных, из-за чего самолет попросту не окупается. Поэтому задача инженеров – сделать самолет не просто супер-быстрым, но и дешевым. 

В 2024 году гиперзвуковая авиация находится на стадии активных испытаний. США, Россия, Китай и другие страны объявили о значительном прорыве в разработке гиперзвуковых самолетов, которые смогут доставлять пассажиров в любую точку Земли за минимальный промежуток времени. Ожидается, что такие самолеты смогут сократить время стандартных маршрутов длительностью 12–14 часов всего до 3–4 часов! Ярким примером успешной разработки гражданских гиперзвуковых самолётов стал, конечно же, Китай. Китайские ученые уже успешно испытали прототип пассажирского самолета, способного развивать скорость в 6,56 Маха (около 8100 километров в час), так что теперь долететь из Пекина в Нью-Йорк в обеденный перерыв точно станет реально. Ключевой особенностью данного авиалайнера является его уникальная конструкция — круглый корпус с крыльями плащевидной формы. Это позволяет сохранить объем пассажирского салона ширококорпусных лайнеров, что ранее считалось невозможным для гиперзвуковых летательных аппаратов.

Технические проблемы гиперзвуковых технологий: с чем самолетам предстоит справляться

Преимущества гиперзвуковой авиации в целом очевидны. Скорость, новые возможности, в том числе для оборонной промышленности (ведь все сферы взаимосвязаны) — всё это звучит отлично. Но у гиперзвуковых технологий есть и свои проблемы, которые ученые активно решают. Так, гиперзвуковым технологиям приходится сталкиваться со следующими внешними факторами:

• Высокая температура

На скорости более 5 Махов сопротивление воздуха создает огромную температуру. Конструкция попадает под влияние температурных напряжений, что может привести к потере устойчивости элементов 

• Аэродинамическая нагрузка

На гиперзвуковых скоростях аэродинамическая нагрузка на самолёт намного сильнее, чем на обычных. Это происходит из-за сжатия воздуха, который в свою очередь создаёт перепады давления и температуры, а также из-за ударных волн. В совокупности все это влияет на маневренность и устойчивость конструкции.

• Загрязнение окружающей среды

Из-за высокой скорости и специфических характеристик гиперзвуковые самолёты потребляют большое количество топлива и создают более высокий уровень выбросов углекислого газа.  Однако авиаконструкторы уже внедряют инновационные решения по снижению выбросов углекислого газа и шумового загрязнения и используют более экологичные виды топлив для интеграции лайнеров в мировое потребление.

• Высокая стоимость

Стоимость разработки сверхзвукового самолёта — более 5 млрд долларов. Чтобы окупить один гражданский самолёт, нужно установить соответсвующую цену на перелёты, однако тогда людей, которые смогут позволить себе покупку таких билетов, можно будет пересчитать по пальцам.  

Несмотря на то, какого прогресса достигла гиперзвуковая авиация, ее повсеместное внедрение в повседневную жизнь людей еще придется подождать. Проблемы с температурными режимами, аэродинамическими нагрузками и безопасностью требуют дальнейших исследований. Однако возвращение сверхбыстрых гражданских летательных аппаратов, оснащенных инновационной комплектацией, точно произойдет в будущем! Эти технологии способны изменить саму концепцию авиации, транспортировки и даже геополитической безопасности. Так что продолжаем держать руку на пульсе и присматривать отели в Пекине или Нью-Йорке!