«Знание - сила» 1961 г., №1
  Д. ПИПКО, инженер Рисунки В. ПЕТРОВА |
...Огромный, причудливо изогнутый треугольник стремительно несется на фоне черно-фиолетового неба. Веер раскаленных газов вырывается из-под серебристой поверхности крыла.
Что это, космический корабль? Атомная ракета? Нет. Перед нами — рисунок будущего сверхзвукового пассажирского лайнера. Гражданская авиация вступила в новый этап своего развития — борьбы за сверхскорость.
С появлением сверхзвуковых транспортных самолетов скорости воздушных перевозок достигнут необычных цифр — ведь эти самолеты смогут совершать перелеты на громадные расстояния со скоростями 3 — 4 тысячи километров в час, то есть вдвое, втрое быстрее звука.
Представьте себя на месте пассажира через несколько лет. Вам нужно попасть из Владивостока в Москву. Ярким солнечным днем вы занимаете место в кабине сверхзвукового экспресса. Стрелки на башне аэровокзала сошлись на цифре 12, и машина точно по расписанию поднимается в воздух. Не проходит и трех часов, как колеса самолета касаются бетонных плит Внуковского аэродрома. Косые тени на мокром от росы асфальте, свежий утренний ветерок. А часы на башне показывают 7 часов 30 минут утра... того же дня. Да, не удивляйтесь. Ваш крылатый экспресс в пути обогнал время!
...И вот перед нами убористые строчки технического текста, путаные сетки диаграмм и графиков, сложные ступеньки формул. Напряженный упорный труд, бессонные ночи в лабораториях и конструкторских бюро, непрерывные, настойчивые поиски нового — вот что скрывается за этими страницами. О некоторых направлениях поисков мы сейчас расскажем.
На современных реактивных самолетах, как правило, устанавливают турбореактивные двигатели (ТРД). Они хороши для скоростей полета до 2 тысяч километров в час. Дальнейший рост скоростей приводит к необходимости усложнять конструкцию двигателя, сжигать больше топлива, увеличивать вес силовой установки. Ученые предполагают, что предельная скорость, на которой еще будет применяться турбореактивный двигатель, не превысит 4 — 5 тысяч километров в час. Но на этих скоростях ТРД уже будет значительно уступать по всем характеристикам своему постоянному сопернику — прямоточному воздушно-реактивному двигателю (ПВРД). На скоростях полета больше 2 тысяч километров в час ПВРД обладает лучшими показателями, чем ТРД. Простота конструкции и практически неограниченная скорость самолета — все это делает прямоточный двигатель незаменимым для сверхзвуковой авиации. Правда, у ПВРД есть один очень серьезный недостаток: для того чтобы этот двигатель включился в работу, его нужно разогнать до скорости 1500 — 2000 километров в час. Поэтому силовые установки сверхзвуковых самолетов будут, по всей вероятности, представлять комбинацию из турбореактивных и прямоточных двигателей. ТРД поднимут самолет в воздух и разгонят его до скорости, на которой в работу может включиться прямоточный двигатель. После этого ТРД останавливаются, и самолет продолжает полет лишь на одних ПВРД.
Исследования прямоточного ВРД показали, что с увеличением полетных скоростей конструкция его не только не усложняется, но даже становится проще и легче. Примером этого может служить прямоточный двигатель... внешнего сгорания. Весь он состоит из топливных форсунок и запальных свечей, установленных на нижней поверхности крыла. Сверхзвуковой пассажирский лайнер, с описания которого мы начали свой рассказ, и есть самолет с прямоточным двигателем внешнего сгорания. На нижней выпуклой поверхности крыла установлен ряд форсунок, подающих топливо, и запальные свечи. Попадая в зону действия запальных свечей, топливо сгорает, давление в этой области под крылом повышается. В результате возникает добавочная подъемная сила и сила тяги, толкающая самолет вперед. Как видите, простота конструкции доведена здесь до предела.
Однако определить тип двигателя — еще не значит создать самолет. Ученым и инженерам, работающим над созданием сверхзвуковых лайнеров, подчас приходится сталкиваться с совершенно необычными препятствиями. Одно из таких — шум.
 Сечение крыла самолета с двигателем внешнего сгорания |
Максимальную высоту, на которую может подняться самолет, называют его потолком. Но немногие знают, что у современных самолетов есть не только потолок, но и пол. Правда, такого термина в авиации нет, но тем не менее существует минимальная высота полета, ниже которой самолет не может летать со сверхзвуковой скоростью. Эта высота, как ни странно, определяется... шумом, создаваемым самолетом в полете.
Шум летящего сверхзвукового самолета может быть самым различным, начиная от глухого рокота и кончая сильным ударом, подобным взрыву, от которого вылетают стекла окон и рушатся легкие постройки. Люди давно привыкли к гулу авиационных моторов и свисту рассекаемого самолетом воздуха. Этот шум не опасен. Но вряд ли кому-нибудь улыбается перспектива жить в доме, в котором могут внезапно вылететь стекла или обрушиться стены.
При сверхзвуковом полете впереди самолета образуется резкое уплотнение воздуха — ударная волна. Если эта волна высокого давления достигает земли, она сметает все на своем пути — валит деревья, разрушает дома, выбивает стекла.
Как же уменьшить интенсивность ударной волны? Самое простое решение задачи — летать со сверхзвуковыми скоростями лишь на больших высотах. Но, оказывается, такой метод не очень выгоден с точки зрения экономичности. Лучший режим взлета — это набор высоты с разгоном и быстрый переход «звукового барьера». Если же заставить самолет
Конструкторы задумали сделать крыло поворотным...  |
Давление в ударной волне зависит, правда, от угла заострения носка фюзеляжа или профиля крыла. Чем меньше этот угол, тем меньше давление. Поэтому стремятся придать самолету более удлиненные формы и сдвинуть сечения максимальной толщины как можно дальше к хвосту. И тем не менее сегодня военные сверхзвуковые самолеты еще вынуждены совершать взлет по сложной траектории. Сначала самолет набирает высоту с дозвуковой скоростью, расходуя при этом много топлива. И лишь достигнув высоты, на которой образование ударных волн не может причинить вреда населению, начинает разгоняться до сверхзвуковых скоростей. Минимальная высота, на которой можно летать со сверхзвуковыми скоростями, получила название безопасной. Приближаясь к месту назначения, сверхзвуковая машина должна на безопасной высоте уменьшить скорость до предзвуковой, а затем уже совершить посадку.
Такой неэкономичный набор высоты не годится для гражданских самолетов. И ученые предполагают, что из этого «тупика» есть только один выход: вертикальный старт. В этом случае ударные волны будут натравлены вверх и частично в стороны, и их действие окажется гораздо мягче.
О вертикально взлетающих самолетах было подсобно рассказано в № 4 нашего журнала за 1960 год.
Расчеты показали, что вертикальный взлет тем экономичнее, чем выше скорость подъема. Но что может быть быстрее ракеты! И вот все больший интерес вызывает переброска грузов с помощью баллистических ракет.
Многоступенчатая ракета, последняя ступень которой представляет собою отсек для груза, стартует вертикально, разгоняется до определенной скорости, а затем совершает полет по баллистической кривой и достигает заданной точки. Специальные двигатели тормозят последнюю ступень ракеты при входе в атмосферу, затем раскрывается парашют, и контейнер с грузом плавно опускается на землю. Высокая точность и совершенство автоматической аппаратуры советских баллистических ракет позволяют предположить, что такой способ переброски грузов будет достаточно эффективен. Что же касается пассажирских баллистических экспрессов — этот вопрос пока остается открытым.
Если бы вы заглянули в конструкторское бюро опытного авиационного завода, то наверняка бы увидели там знакомый прибор — весы. Удивляться нечего. Создавая самолет, конструкторы вынуждены бороться буквально за каждый килограмм веса. Точнее, против каждого килограмма.
Чтобы поднять тяжелую машину в воздух, нужны более мощные двигатели. Такие двигатели не только сами тяжелее, но и расходуют больше топлива. Для этого топлива нужны баки и, следовательно, место в самолете. Отсюда сам самолет должен быть больше и соответственно тяжелее. Вот и получается, что увеличение веса какого-либо агрегата на один килограмм приводит к утяжелению самолета на 3 — 4 килограмма. Конечно, когда излишки в весе измеряются килограммами, они не могут оказать решающего влияния на характеристики самолета. Но там, где эти килограммы превращаются в центнеры и тонны, дело обстоит гораздо серьезнее.
Как ни странно, в борьбе за малый вес конструкторам часто приходится идти на заведомые усложнения. Примером может служить проект самолета «Суоллоу» («Ласточка»), разрабатываемый английской фирмой «Виккерс». В погоне за наивысшими летными данными своей машины конструкторы придали треугольному крылу самолета форму, напоминающую хвост ласточки. Но что хорошо в воздухе, то никуда не годится при посадке. Чтобы сесть, «Ласточка» будет вынуждена высоко задрать нос, и появится опасность удара концами крыла о землю.
Попробовали снабдить «Ласточку» высоченным шасси — около шести метров. Но такие великанские «ноги» невероятно утяжелили машину. И инженеры с завистью поглядывали на аэродром, где легко и просто садились прямокрылые самолеты. Тут явилась интересная мысль: а что, если для взлета и посадки превращать «ласточкин хвост» в прямое крыло? Да-да, не в треугольное, а даже в прямое, с которым удобнее всего садиться и взлетать!
Так родился проект самолета «Суоллоу» с поворачивающимся крылом. Это крыло крепится к фюзеляжу с помощью мощных шарнирных узлов. Конструкция самолета при этом усложнилась, но выигрыш в весе, который получили конструкторы, не только окупил это усложнение, но и позволил улучшить удобства пассажиров. Совершив взлет на прямом крыле с помощью низенького легкого шасси, «Суоллоу» по мере роста скорости сдвигает концы крыла и в конце концов превращает его в «ласточкин хвост».
А вот еще один факт, имеющий прямое отношение к весу. Израсходовав во время взлета и разгона почти треть топлива, сверхзвуковой самолет перейдет на крейсерский режим полета. И в это время пустые топливные баки и та часть конструкции самолета, где они размещаются, фактически превратятся в мертвый груз. Как избавиться от него и улучшить характеристики самолета?
Авиаконструкторы решили позаимствовать идею у ракетостроителей. В самом деле, если ракета может быть двухступенчатой, почему бы не сделать составным и самолет? Так появился проект системы из основного самолета и самолета-носителя.
Если спроектировать основной самолет с таким расчетом, чтобы в его фюзеляже разместились пассажирские салоны и баки с топливом, необходимым лишь для крейсерского полета и посадки, то вес его будет значительно меньше, чем вес обычного самолета. Носитель, имеющий мощную двигательную установку и ограниченный запас топлива, поднимет основной самолет в воздух и, разогнав его до необходимой скорости, возвратится на аэродром. А основной самолет будет продолжать полет до конечной точки маршрута. Предварительные расчеты показали, что составной самолет будет на 25 процентов легче обычного.
Как уже говорилось, вопрос о возможности постройки баллистического пассажирского экспресса остается пока открытым. В ближайшее время вряд ли удастся создать нормальные условия для человека в летящей с громадной скоростью баллистической ракете. Но зато не исключена возможность, что одним из средств дальнего сообщения станет крылатая планирующая ракета.
Возможность создания подобной ракеты высказана еще пионером отечественного ракетостроения Ф. А. Цандером. Совершив старт подобно баллистической ракете и набрав необходимые скорость и высоту, крылатый ракетоплан переходит в планирующий полет и достигает заданного места назначения. Так как в полете ракетоплан использует несущую способность крыла, высота и скорость, до которой нужно его разогнать в начале участка планирования, будут в два раза меньше, чем у баллистической ракеты на ту же дальность. А посадку он совершит даже проще, чем прямокрылый самолет, потому что посадочную скорость планера можно уменьшить на сколько угодно.
Большие трудности неожиданно всплыли перед специалистами, когда они ваялись за проектирование пассажирских кабин.
Атмосферное давление падает с высотой. Поэтому, чтобы сохранить нормальные условия в пассажирской кабине, самолеты снабжают специальными нагнетателями, которые все время поддерживают в кабине давление, близкое к земному. Но никакая система наддува не сможет сохранить необходимое давление в кабине, если во время полета неожиданно нарушится ее герметичность. Именно поэтому перед конструкторами сверхзвукового самолета встала задача: добиться стопроцентной надежности системы герметизации кабины. Но как это сделать? Слишком много в кабине будущего самолета возможных источников аварии. И в первую очередь к ним относятся двери и окна. Даже на существующих сегодня самолетах тщательная герметизация дверных проемов и окон приводит к серьезному увеличению веса. В самом деле, и те и другие ослабляют конструкцию фюзеляжа, так что возле них приходится ставить дополнительные подкрепляющие элементы. Особенно плохо с окнами: дверь одна, а окон много.
Еще хуже будет обстоять дело на сверхзвуковых самолетах. Для них понадобятся толстые многослойные стекла, способные выдержать высокие температуры. Не говоря уже об увеличении веса самолета, такие окна обойдутся очень дорого.
Нельзя ли уменьшить количество отверстий в фюзеляже? Вопрос этот правомерно возник у создателей сверхзвукового самолета. От дверных проемов, конечно, отказаться нельзя. А от окон? От окон, пожалуй, можно.
За исключением тех случаев, когда самолет находится на земле, особой надобности смотреть в окна не будет. Кроме того, при наборе высоты сверхзвуковыми самолетами угол наклона пола может достигать 20 градусов, а то и больше. Некоторые пассажиры будут чувствовать себя лучше, если не увидят линии горизонта.
Но, с другой стороны, отсутствие окон может привести к появлению у пассажиров болезненного состояния, связанного с потерей чувства ориентации в пространстве. Чтобы предотвратить это, ученые и инженеры предложили заменить окно... экраном телевизора. Расчеты показали, что экономия веса только на оконных рамах может вполне окупить установку замкнутой, телевизионной цепи с экраном для каждого пассажира. Если один из членов экипажа будет время от времени управлять телевизионной камерой, то это даст пассажирам значительно лучшее представление о том, что происходит на земле и в воздухе, чем любое сочетание окон. Кроме того, если учесть, что продолжительность полета составит полтора — два часа, можно использовать это время для демонстрации кинофильма или телевизионной программы.
Сегодня еще трудно сказать, каким будет первый сверхзвуковой пассажирский самолет Но пройдет не так уж много времени, и эти замечательные скоростные машины выйдут на широкие просторы воздушного океана нашей Родины.