Аэродинамика и компоновка турбореактивных авиалайнеров остается, по сути, замороженной на протяжении добрых 75 лет: низкоплан классической схемы с крылом умеренной стреловидности и двигателями, размещенными на пилонах под крылом.
Рисунки и рендеры перспективных авиалайнеров совершенно иного облика регулярно публикуют авиационные СМИ. Пройдет лет десять – пятнадцать и стоянки аэропортов мира заполонят «летающие крылья», аппараты с ромбовидным крылом и прочая экзотика. Так писали в 70-е, 80-е, 90-е гг. ХХ века, пишут и сейчас. Воз и ныне там: условный Боинг 737 – наше все вчера, сегодня, завтра. Авиакомпании не хотят рисковать с переходом на самолеты нового облика, авиакомпании не желают вкладываться в масштабную реконструкцию инфраструктуры аэропортов. Особо рисковать не стремятся и крупные авиастроительные фирмы, у руля которых конструкторов давно сменили эффективные менеджеры. Менеджмент озабочен финансовым балансом, а не техническим прогрессом. В последние годы менеджеры, тем не менее, вынуждены все больше внимания уделять именно техническому прогрессу, поскольку эволюционный резерв классических авиалайнеров близок к исчерпанию. Отбивать затраты на разработку новых самолетов становится сложнее в силу опережающего роста стоимости НИОКР относительно повышения экономической эффективности новых моделей пассажирских самолетов.
Бесконечно совершенствовать местную аэродинамику, прикручивая к крылу уинглеты и вылизывая стыки плоскостей крыла и фюзеляжа, до бесконечности невозможно. Эти меры, к тому же, лишь незначительно снижают удельный расход топлива, а котором так пекутся менеджеры авиакомпаний. К слову, ту же самую экономию керосина, которую дают уинглеты, можно получить за счет оптимизации маршрутов полетов. В «час пик» авиалайнеры при заходе на посадку в аэропорты Лондона, Франкфурта, Парижа, да и Шереметьева в условиях санкций, выписывают кренделя, полностью нивелирующие эффект экономии топлива за счет уинглетов. Резерв снижения расхода топлива за счет менее прожорливых двигателей тоже близок к исчерпанию. Степень двухконтурности двигателей росла от поколения к поколению, а вместе с нею увеличивался диаметр ТРДД. Разместить движок большого диаметра под крылом низкоплан – та еще задача, связанная с конструкцией шасси и проблемой размещения здоровенных опор в убранном положении. Схема среднеплана для авиалайнера априори неприемлема, а переход на высокоплан оборачивается увеличением лобового сопротивления. Тупик, однако.
В тупике, не столь правда очевидном, оказались и военные. Американские. Становым хребтом ВВС США служат не истребители и не бомбардировщики. Становой хребет ВВС США – самолеты-заправщики. Тактика и стратегия действий ВВС США опирается на дозаправку в воздухе. С новыми самолетами-заправщиками КС-46 дела обстоят, мягко говоря, не блестяще, но важнее, что емкость топливных баков КС-46 не отвечает растущему аппетиту военных.
Запрос на перспективный самолет размерности дальнемагистрального авиалайнера внезапно стал актуальным как для гражданского сектора рынка, так и для военного.
Оптимальная аэродинамическая схема грузового/пассажирского самолета определена давно, едва ли не в 30-е гг. ХХ века – это летающее крыло. Серийные самолеты, построенных по этой схеме, можно пересчитать по пальцам, все они – военные; гражданская авиация традиционно ограничивается проявлением интереса. В текущий исторический момент вроде как появился шанс, что проявлением интереса дело не ограничится.
Наиболее перспективной для авиалайнера будущего считается схема, извините за тавтологию, летающего крыла с крылом довольно большого удлинения. В русском языке термина для такого ЛА пока не придумали, поэтому, увы, придется обратиться к англоязычной терминологии - BWB, Blended Wing Body; ЛА с несущим корпусом, плавно переходящим в крыло.
Проекты гражданских самолетов BWB на уровне концепций исследуются с 80-х гг. ХХ века. Технических препятствий для реализации проектов самолетов BWB не существует сегодня, не существовало их и в 80-е гг. Бомбардировщик В-2 тому свидетельство.
Самолет BWB, согласно расчетам, в сравнении с авиалайнером классической схемы будет обладать минимум на 50% большей топливной эффективностью. Уинглеты, выдающееся достижение аэродинамики не столь давнего прошлого, сокращают расход топлива на несколько процентов, максимум – на 10-12%. Двигатели на самолете BWB возможно установить в хвостовой части над фюзеляжем, поэтому увеличение их диаметра не потянет за собой удлинение опор шасси. Корпус самолета при таком размещении силовой установки экранирует шум двигателей – весьма актуально в свете всемирного экологического сумасшествия. Шумность самолета BWB в сравнении с самолетом с двигателями под крылом, по оценкам экспертов, в четыре раза меньше.
Наиболее проработанным проектом самолета BWB, как считается, располагает фирма «ZeroJet» из США.
Фирма «ZeroJet» была образована в 1992 г. Долгое время это был небольшой «стартап», но теперь с фирмой сотрудничают ВВС США, NASA и Федеральная авиационная администрация (FAA) США. Фирма получила возможность опираться в своих исследованиях на серьезную научную и финансовую поддержку со стороны государства.
Фирмой «ZeroJet» разработан концептуальных проект Z-5, предлагаемого в трех модификациях: авиалайнер, транспортный, заправщик.
Z-5 позиционируется в первую очередь как авиалайнер. По заявлению фирмы, перспективный самолет не потребует изменения инфраструктуры аэропортов. Заявление быть может соответствует истине, быть может – нет, но фирма действительно проектировала машину в расчете на существующие требования по размерности и под существующее наземное оборудование, такое как выдвижные трапы и спецтехника. Вероятными сроком начала эксплуатации авиалайнеров Z-5 называют первую половину 2030-х гг.
Расчетная дальность полета самолета Z-5 составляет 5000 морских миль (9 260 км). В варианте авиалайнера самолет Z-5 сможет перевозить до 250 пассажиров. Планер предполагается изготовить цельнокомпозитным. Размах крыла – порядка 60 м – существенно больше, чем у Боинга 767 (47,6 м; 767-400ER – 51,9), при меньшей длине самолета (длина 767-200 48,65 м, 767-400ER – 61,4 м). Расчетная масса пустого самолета Z-5 вполовину меньше массы Боинг 767 (80 – 100 т в зависимости от модификации). Суммарная потребная мощность силовой установки также планируется вдвое меньшей, чем у 767-го; силовая установка Боинг 767 состоит из двух ТРДД тягой по 27 200 - 29 500 кгс. На самолете Z-5 предполагается установить два ТРДД CFM Leap-1 или Пратт энд Уитни PW1100G.
Над концептуально близким Z-5 проектом NMA (New Midmarket Airplane) работала фирма «Боинг», но в 2020 г. работы по данной теме, находившиеся на ранней стадии, были заморожены. Консорциум «Эрбас» также свернул НИОКР по BWB-авиалайнеру в пользу дальнемагистрального узкофюзеляжного А321XLR, развития самолета А321neo классической схемы. Менеджмент крупных фирм ставит на синиц, отдавая журавлей амбициозным новичкам…
Фирма «ZeroJet» частью на собственные средства, частью – на средства NASA, с 2021 г. разработала и построила минимум два беспилотных демонстратора самолета Z-5. Летные испытания первого демонстратора с размахом крыла 2 м начались в 2023 г. Весной 2024 г. к полетам подготовили демонстратор в размерности 12,5% от Z-5, с размахом крыла 7 м. Особенностью демонстраторов является возможность изменения конфигурации планера, силовой установки и шасси.
Необходимо отметить, что за испытаниями демонстратора отнюдь не обязательно последует полномасштабное проектирование с постройкой прототипа. Фирма «Боинг» разработала и построила беспилотный демонстратор Х-48 (8,5% от полномасштабного ЛА), по схеме весьма близкий Z-5. Х-48 проходил совместные с NASA испытания в 2007 – 2013 гг. По результатам испытаний ученые NASA и конструкторы «Боинга» сделали заключение о высокой топливной эффективности ЛА BWB, меньшей шумности и больших внутренних объемах в сравнении с самолетом классической схемы. Этим все и ограничилось. Конечно, были получены важные результаты, которые будут обязательно учтены в ходе НИОКР по перспективным Ла военного и гражданского назначения. Когда-нибудь.
Гражданское будущее самолета Z-5, при всей его потенциальной востребованности, более чем туманно. Судьба этого проекта зависит скорее от позиции военных. ВВС США готовы профинансировать постройку полномасштабного демонстратора с целью проверки возможности использования Z-5 в качестве заправщика и военно-транспортного самолета. В марте 2024 г. фирма «ZeroJet» представила ВВС программу постройки и летных испытаний такого демонстратора. Летные испытания демонстратора, в случае одобрения ВВС США данной программы, могут начаться в 2027 г.
Фирма «Боинг», испытав BWB Х-38, приняла решение сосредоточить усилия на менее радикальном проекте перспективного авиалайнера. Работы по демонстратору Х-66 начались в 2018 г. Самолет отличается подкосным стреловидным ультратонким крылом очень большого удлинения (27 против 8 – 10 у современных узкофюзеляжных авиалайнеров) с очень короткой хордой – TTBW, Transonic Truss-Braced Wing. В январе 2023 г. фирма «Боинг» анонсировала модернизацию в полномасштабный демонстратор Х-66А приобретенного у китайской авиакомпании «Northern Airlines» авиалавйнера MD-90-30. На MD-80 предполагается установить врезку в центральную секцию фюзеляжа, заменить исходное крыло крылом TTBW и перенести двигатели из хвостовой части фюзеляжа под крыло. На Х-66А, вероятно, установят два ТРДД Пратт энд Уитни PW1500G в варианте PW102XG. Модернизация самолета MD-90-30 в демонстратор Х-66 началась на заводе в Палмдейле осенью 2023 г. Первый полет Х-66А запланировал на 2028 г.
Работы по демонстратору Х-66А ведутся фирмой «Боинг» совместно с NASA в рамках программы «Sustainable Flight Demonstrator» и рассматривается как важный этап в рамках проектирования семейства новых ближнемагистральных авиалайнеров вместимостью 130 – 210 пассажиров, с более высокой, на 20 – 30%, коммерческой эффективностью в сравнении с самолетами Боинг 737 МАХ и А320neo. Эксплуатация авиалайнеров нового семейства начнется не ранее второй половины 2030-х гг. Определенную заинтересованность в программе демонстратора Х-66А проявляют ВВС США, однако в отличие от проекта Z-5, финансировать работы фирмы «Боинг» военные пока не торопятся. Что же касается самой фирмы «Боинг», то она, спасибо эффективному менеджменту, переживает не самые лучшие времена. Руководство фирмы, те самые эффективные менеджеры, в июне 2024 г. временно перевело инженерные кадры, занятые в программе Х-66А, на работу по грузовым модификациям авиалайнеров 737-7, 737-10, 777-9 и 777-8. Правильно, синица в руке для упертого менеджера всегда если не лучше, то понятнее журавля в небе. Программа Х-66А фактически оказалась подвешенной в воздухе, естественно временно. Программу пока не закрыли, но срок первого полета демонстратора неизбежно сместиться в сторону светлого будущего.
Еще одним направлением, способным изменить облик гражданской авиации, является тематика СПС, сверхзвуковой пассажирский самолет. Эксплуатация «Конкорда» завершилась в 2003 г., после чего в течение доброго десятка лет обсуждением СПС занимались больше историки и прогностики, нежели конструкторы и аэродинамики.
Исследования в области СПС в этот период не прекращались, но носили они скорее теоретический, чем прикладной, характер. Причина снижения, чтобы не сказать исчезновения, интереса к СПС со стороны гражданских заказчиков носила, опаять же экономическую природу. Полеты на сверхзвуковой скорости над сушей (исключая сравнительно небольшие зоны, отведенные для военной авиации) запрещены в большинстве страны мира, включая Россию, Китай и США из-за акустического воздействия ударной волны, возникающей в полете со скоростью большей, чем М=1. СПС может выполнять полет на сверхзвуке, реализуя единственное свое преимущество перед классическим авиалайнером, только над водной гладью – в перелетах через Атлантику и Тихий океан. Надо сказать, выигрыш во времени полета на маршрутах вроде Лондон – Нью-Йорк или Сан-Франциско – Сидней получался бы значительным, но с экономической точки СПС все равно выглядел рискованным, как минимум, проектом. Уместно заметить, что программы обоих серийно реализованных СПС, Ту-144 и «Конкород», были имиджевыми, политическими. Американцы, работавшие в 60-е гг. над проектами нескольких СПС, свои программы свернули именно по соображениям экономики.
Появление «Конкорда» 2.0 в обозримом будущем не просматривается, а вот проекты сверхзвуковых бизнес-джетов обладают высокими шансами на реализацию. Люди не бедные готовы очень хорошо платить за время (скорость) и, иногда, за понты – как в анекдоте из 90-х:
- Ты этот галстук за 100 баксов купил? Лошара, я такой же в соседнем бутике за 500 отхватил.
Желательно, чтобы СПС бизнес класса не имел географических ограничений на выполнение полетов, для чего необходимо уменьшить акустическое воздействие ударной волны. Вопросами снижения шумности СПС в 2000 – 2010 гг. плотно занимались в NASA. В ЦАГИ тоже занимались, под девизом «денег нет, но вы держитесь» с соответствующим практическим выхлопом. В середине 2010-х гг. NASA приступило к реализации программы Low-Boom Flight Demonstrator, предполагавшей постройку и летные испытания самолета-демонстратора, генерирующего при полете на высоте около 17 000 м со скоростью порядка М=1,4 – 1,5 шум на уровне классического авиалайнера, выполняющего полет на эшелон порядка 12 000 м.
Контракт на разработку, постройку и испытания демонстратора NASA в 2018 г. заключило с фирмой «Локхид-Мартин». Демонстратор получил обозначение Х-59 QueSST (Quiet Supersonic Transport).
Сборка демонстратора началась в 2019 г. на заводе отделения «Сканк Уоркс» в Палмдейле. Выкатка самолета состоялась в первых числах январе 2024 г. В мае 2024 г. специальная комиссия NASA признала демонстратор готовым к выполнению первого полета. По состоянию на середину июля 2024 г. информация о выполнении демонстратором Х-59 первого полета отсутствует.
Форму самолета Х-59 в плане так и хочется назвать стреловидной. Крыло малого удлинения с небольшим изломом по передней кромке, небольшое ПГО, стабилизатор имеют очень большой угол стреловидности – 76/68,6, 63 и 63 град. соответственно. Ключевым отличием Х-59 от всех других сверхзвуковых самолетов служит необычно длинный, примерно в треть длины фюзеляжа, носовой конус. Снижение шумности в сверхзвуковом полете до уровня шумности дозвукового авиалайнера достигается, в основном, благодаря носовому конусу и крылу особой, с переменной V-образностью, формы. Носовой конус способствует снижению мощности звукового удара, а крыло частично экранирует ударную волну от земной поверхности. Кабина лишена лобового остекления, обзор вперед обеспечивается видеокамерой высокого разрешения. С целью экономии средств и ускорения времени разработки на самолете Х-59 довольно широко использованы комплектующие, позаимствованные у других ЛА, как-то: шасси от самолета F-16, органы управления от F-117, комплект приборного оборудования кабины от Т-38. Силовая установка состоит из одного двигателя Дженерал Электрик F414-GE-100. Двигатель размещен в основании киля над хвостовой частью фюзеляжа.
Программа NASA преследует научно-прикладные цели. Не факт, что Х-59 послужит прообразом гражданского СПС.
Амбициозную задачу разработки гражданского СПС поставила перед собой фирма «Boom Technology» со штаб-квартирой в Денвере, шт. Колорадо. Фирма была образована совсем недавно – в 2014 г. именно под задачу разработки и запуска в серию СПС. Типичный, можно сказать, «стартап». В 2016 г. фирма представила проект двухместного самолета-демонстратора ХВ-1. Первый пролет демонстратора намечался уже на 2017 г., но впоследствии неоднократно переносился. Впервые ХВ-1 поднялся в воздух 22 марта 2024 г.
По аэродинамике и компоновке ХВ-1 и Х-59 близки, хотя назвать самолеты двумя сторонами одной медали язык все же не повернется. Создатели ХВ-1 не ставили перед собой задачи обеспечить выполнение сверхзвукового полета на всей протяженности маршрута, поэтому аэродинамика изделия фирмы «Boom» не столь изощренная, как у Х-59.
Носовой конус у ХВ-1 значительно короче, фонарь кабины имеет лобовой остекление, отсутствует ПГО. Силовая установка – три двигателя J85-21. Средний двигатель размещен как на Х-58 – над фюзеляжем в основании киля, два других – по бокам хвостовой части фюзеляжа. Изначально ХВ-1 проектировался как бесхвостка, в процессе НИОКР компоновку пересмотрели и самолет получил стреловидное горизонтальное оперение. Крыло с оживальной передней кромкой по форме близко к треугольному; крыло выполнено плоским, в отличие от сильно изогнутого крыла самолета Х-59. Конструкция планеров обоих демонстраторов выполнена, главным образом, из КМ.
Руководство фирмы «Boom» рассматривает постройку и испытания самолета ХВ-1 как важный этап разработки СПС «Overture» вместимостью 64 – 80 пассажиров с дальностью полета порядка 7800 км. «Overtur» рассчитан на полет с крейсерской скоростью М=1,7, однако на сверхзвуке самолет будет лишь пересекать океаны, над континентами максимальная скорость полета ограничена значением М=0,94. Оптимизация скоростного режима позволила упростить аэродинамику, а «сухопутная» скорость М=0,94, между тем, примерно на 20% выше крейсерской скорости современных авиалайнеров. Самолет «Overture» позиционируется как бизнес-джет, что не удивительно, поскольку минимальная расчетная стоимость перелета на этой машине через Атлантику составит 5000 долларов.
Первый полет прототипа СПС «Overtur» запланирован на 2027 г. «Boom» с оптимизмом смотрит в будущее и рассчитывает поставить заказчикам первые серийные самолеты «Overture» уже в 2029 г. Портфель заказов фирма начала формировать еще в 2016 г. и к середине 2024 г. он насчитывал не менее 35 самолетов твердого заказа и 75 опционного: 15 СПС заказала авиакомпания «United Airlines» (опцион 35), 20 - «American Airlines» (опцион 40).
Планы выглядят несколько утопичными, особенно на фоне реальных сроков выполнения национальных программ в области гражданского авиастроения России. Утопичные – не означает фантастические. В 2023 г. в аэропорту Сентинниэл, шт. Колорадо, введен в строй производственно-испытательный комплекс, после чего началась постройка нелетного прототипа самолета «Overtur» («железной птицы»), предназначенного для испытаний и отработки бортовых систем. Строительство завода по сборке серийных самолетов начато в международном аэропорту Пьемонт-Триад (Гринсборо, шт. Северная Каролина).
Программа СПС «Overtur» вышла на международный уровень, в нее вовлечены такие гиганты мирового авиастроения, как фирмы «Леонардо», «Safran», «Дженерал Электрик», «Коллинз Аэроспейс» и ряд других. Фирма «Леонардо» отвечает за детальное проектирование и изготовление фюзеляжа и силового набора крыла, «Safran» - за шасси. Фирма «Дженерал Электрик» оказывает содействие в разработке двигателей. Именно двигатели, скорее всего, станут лакмусовой бумажкой для программы «Overtur». Руководство фирмы «Boom» приняло рискованное решение установить на СПС четыре ТРДД «Симфони» (Symphony) собственной конструкции тягой по 15 900 кгс. Мало того, что двигатель оптимизирован для полета на сверхзвуке, что само по себе предполагает разрешение сложнейших технических задач, так он еще должен получиться более экономичным и менее шумным в сравнении с самыми современными гражданскими ТРДД. К НИОКР по двигателю фирме «Boom» удалось привлечь инженеров, принимавших участие в создании ТРДДФ F119 истребителя F-22A и F-135 самолета F-35. Весьма вероятно, что «Симфони» будет дальнейшим развитием существующих военных двигателей, однако и в этом случае на его доводку уйдут годы. Полномасштабное проектирование двигателя «Симфони» началось в 2022 г.
Аэродинамика и общая компоновка самолета «Overtur» заморожены, начато полномасштабное проектировано. Внешне планер СПС напоминает планер демонстратора ХВ-1 с рядом отличий; так на СПС предполагается установить крыло с изломом – типа обратная чайка. Четыре двигателя «Симфони» намечено разместить на пилонах под крылом.