Созданный для сбора реальных акустических данных, которые могли бы помочь обеспечить сверхзвуковые полеты в любой точке земли, уникальный по форме X-59 разрабатывался годами и скоро станет привычным зрелищем в небе над Южной Калифорнией. Во втором квартале 2026 года возобновляются его полеты с расширением диапазона рабочих параметров.
Исследовательский самолет X-59, построенный компанией Lockheed Martin по проекту НАСА, начал летные испытания 28 октября, когда ведущий пилот проекта Нильс Ларсон совершил полет на этом самолете с игольчатым носом из подразделения Lockheed Skunk Works в Калифорнии на близлежащую авиабазу Эдвардс. После тщательной проверки после полета и некоторых доработок самолет близок к возвращению в небо.
«Я бы сказал, что мы наконец-то на старте», — говорит Питер Коэн, менеджер миссий Quesst — программы НАСА по разработке бесшумных сверхзвуковых технологий, в основе которой лежит X-59. «Это был долгий путь - 15 лет, от „Мы думаем, что сможем это сделать“ до первого полета».
Питер Коэн, который помог воплотить X-59 в реальность, говорит, что истоки высокоскоростного экспериментального самолета восходят к 2008 году, когда НАСА начало исследования концепций перспективных самолетов N+2 и N+3. Эти инициативы определили долгосрочные цели по снижению расхода топлива, шума и выбросов для будущих дозвуковых пассажирских самолетов, а также включали исследования сверхзвуковых коммерческих транспортных самолетов с низким уровнем звукового удара.
Контракты на исследования были заключены в 2009 году с компаниями Boeing и Lockheed Martin, и в ноябре следующего года НАСА начало сверхзвуковые исследования в рамках проекта «Проверка экспериментальных систем для сверхзвукового коммерческого транспортного самолета N+2». Цель состояла в том, чтобы получить данные, имеющие отношение к звуковому удару, с помощью маломасштабных сверхзвуковых моделей, построенных двумя производителями самолетов.
Первоначальные испытания концепций Phase I проводились в аэродинамической трубе сверхзвукового класса размером 9x7 футов в исследовательском центре NASA Ames в конце 2010 года и в аэродинамической трубе сверхзвукового класса размером 8x6 футов в исследовательском центре Glenn в конце 2012 года. Испытания конструкций Phase II с лучшими характеристиками ударной волны и аэродинамикой продолжались в Ames и Glenn до 2013 года, сосредоточившись на интеграции гондол двигателей с общей конструкцией самолета.
Работы в аэродинамической трубе подтвердили, что расположение двигателей является основным фактором для создания конструкции пассажирского самолета с низкой ударной волной. При установке двигателей в традиционном подкрыльевом положении испытания показали, что тщательная подгонка формы крыла может помочь рассеивать сверхзвуковые ударные волны.
Однако конструкции с двигателями, установленными над крылом, направляли ударную волну вверх и не влияли на наземную аберрацию. Предостережение заключалось в том, что установка двигателей над крылом потенциально могла привести к снижению характеристик.
Тем не менее, результаты испытаний в аэродинамической трубе как потенциала низкой ударной волны, так и необычных аэродинамических конфигураций двигателя и планера оказались на удивление обнадеживающими, вспоминает Питер Коэн. «Именно тогда мы поняли: „Этот подход к уменьшению ударной волны действительно сработает для пассажирского самолета“», — говорит он.
На следующем совещании по обзору программы Том Ирвин, тогдашний заместитель администратора Управления аэронавигационных исследований, спросил Коэна, каким должен быть следующий шаг. «Мы продолжаем работать над этим и совершенствовать это, или же можем просто запустить его в полет», — вспоминает он свои слова. «Том ответил: „Это довольно хороший ответ“, и так началась концепция экспериментального самолета».
Хотя план экспериментального самолета первоначально был встречен сдержанно со стороны OMB - Управления по бюджету и управлению США, постоянная поддержка со стороны администратора НАСА по аэронавигационным исследованиям Джайвона Шина, занимавшего эту должность с 2008 по 2019 год, помогла сохранить его.
«Мы продолжали дорабатывать концепцию, а затем начали работать с ИКАО», — говорит Коэн. «Именно тогда окончательно сформировалась идея: „Эй, мы могли бы использовать этот самолет для сбора данных о реакции общества. Не просто для демонстрации технологии“. Затем к проекту подключилось OMB».
Первые детали конструкции нового экспериментального самолета стали известны в феврале 2016 года, когда НАСА заключило с компанией Lockheed Martin и поставщиком двигателей GE Aerospace контракт на предварительную разработку демонстрационного образца самолета с низким звуковым ударом на сумму $20 млн. Необычно выглядящий самолет отличался длинным носом для смягчения ударной волны; передние крылья и воздухозаборник двигателя были установлены над резко скошенным, но слегка изогнутым дельтавидным крылом для защиты. Он также имел Т-образное хвостовое оперение, состоящее из небольших горизонтальных поверхностей на киле.
В 2016 году форма самолета полностью отличалась от первоначального проекта НАСА, разработанного пять лет назад. Первоначально он представлял собой простую дельтавидную конструкцию с одним двигателем, установленным на верхней части фюзеляжа и заключенным в V-образное хвостовое оперение, но конструкция быстро трансформировалась, получив среднее крыло и «выступающий» воздухозаборник двигателя для отвода пограничного слоя. К концу этапа разработки концепции в начале 2014 года V-образное хвостовое оперение также было заменено одним вертикальным килем и простыми горизонтальными стабилизаторами.
Начиная с весны 2014 года X-59 прошел еще несколько циклов доработки концепции, и к июню 2015 года стал узнаваем как современный экспериментальный самолет с удлиненным носом, передними крыльями, наклонным дельтавидным крылом, стабилизаторами и небольшим Т-образным хвостовым оперением.
«Мы не меняли требования после первых четырех или пяти итераций проектирования — самолет выглядел практически так же», — говорит Питер Коэн. «Просто нужно было понять, как снова создать экспериментальный самолет». После предварительного анализа проекта в июне 2017 года контракт на строительство самолета был заключен в апреле 2018 года с Lockheed Martin, что ознаменовало начало этапа детального проектирования. Окончательная внешняя конфигурация, получившая название C612, была утверждена во время критического анализа проекта в сентябре 2019 года.
Самолет имеет особенную форму, позволяющую создавать звуковой удар синусоидальной формы мощностью 75 PLdB (воспринимаемый уровень децибел), звук, примерно сравнимый со звуком захлопывающейся автомобильной двери на расстоянии около 7 метров. Это контрастирует со звуком мощностью 105 PLdB — эквивалентным звуку «двойного удара» N-волны в самолете Concorde.
Поскольку шкала децибелов логарифмическая, а не линейная, разница между ожидаемой силой звукового удара у Concorde и X-59 составляет примерно двадцатикратное снижение, которое, по мнению НАСА, может сделать небольшой сверхзвуковой пассажирский самолет вполне приемлемым для широкого использования.
Настоящая работа экспериментального самолета начинается, когда он совершает полеты над населенными пунктами для сбора данных о реакции жителей на звуковые удары, особенно в помещениях, где ударные волны могут вызывать дребезжание. Данные будут предоставлены FAA - Федеральному управлению гражданской авиации и ИКАО для принятия решения о снятии запрета на сверхзвуковые полеты над сушей, что рассматривается как необходимое условие для экономически выгодной коммерческой эксплуатации.
НАСА заявляет, что миссия по изучению низких уровней звуковых ударов остается крайне актуальной, несмотря на указ президента Трампа от июня 2025 года, предписывающий FAA снять давний запрет на сверхзвуковые полеты над сушей. «FAA по-прежнему привержено сотрудничеству с ИКАО, потому что они тоже считают, что США не могут сделать это в одиночку», — говорит Питер Коэн. «Если вы действительно хотите создать самолет, подходящий для всего мира, вам нужны глобальные правила».
Первоначально НАСА планировало начать облеты в 2024 году, чтобы предоставить данные об уровне шума ИКАО к совещанию CAEP - Комитета по защите окружающей среды в авиации в 2028 году, посвященному планированию стандартов по шумовым ударам. Однако задержки с началом испытаний, первоначально запланированных на 2022 год, отложили эту цель до совещания CAEP в 2030 году.
Хотя такие масштабные события, как эпидемия коронавируса, сыграли свою роль в срыве разработки самолета, НАСА и Lockheed Martin признают, что тестирование компонентов и систем оказались более сложными, чем ожидалось. Отчасти это было вызвано решением о сокращении затрат на использование стандартных компонентов от различных истребителей, которые необходимо было интегрировать. В их число входят основное и носовое шасси Lockheed Martin F-16, ручка управления Lockheed Martin F-117, рычаг управления тягой Boeing F/A-18E/F, а также задний фонарь кабины и катапультное кресло Northrop T-38.
«Экспериментальные самолеты уже не те, что раньше», — говорит Коэн. «Раньше, например, можно было снять шасси с F-5, и это были только колеса и ось. Но теперь, с шасси F-16, у него есть дополнительные датчики и система управления скоростью. Это намного сложнее. Кроме того, конструкция шасси F-16 восходит к концу 1970-х годов, а где данные по этому поводу? Затем нужно заставить шасси F-16 взаимодействовать с другими системами. Попытка заставить все это работать вместе требует времени.
«Оглядываясь назад, возможно, было бы лучше просто взять все от F-16 и заставить это работать», — продолжает Коэн, отмечая, что сложная система приборов для летных испытаний также стала серьезной задачей интеграции. «Перед командой стояло много трудностей, и у нас были проблемы, но, несмотря на все это, у нас сложились хорошие рабочие отношения с Lockheed».
Хотя форма самолета и некоторых его систем необычна, конструкция планера традиционна. Самолет состоит из трех основных секций — фюзеляжа, крыльев и хвостового оперения — и 17 узлов, таких как воздухозаборник, гондола двигателя, фюзеляж, скулы крыла и поверхности управления полетом.
Алюминий составляет 61% планера, композитные материалы — 22%, большая часть которых используется для 11-метровой носовой части, известной как Сегмент-230. Около 12% планера состоит из титана, а 5% — из нержавеющей стали и Inconel-Haynes 188, высокотемпературного сплава кобальта, никеля, хрома и вольфрама, который используется для задней части фюзеляжа под соплом выхлопной трубы двигателя.
Уникальная конструкция и предназначение X-59 также обусловили пристальное внимание к моделированию, испытаниям и проверке конструкции. Конструкторы опасались, что взаимодействие систем управления полетом, структурной упругости и неустойчивой аэродинамики — аэросервоупругие характеристики самолета — может повысить его восприимчивость к флаттеру.
«Система управления имеет свои ограничения, и необходимо уметь управлять динамикой полета твердого тела в соответствии с требованиями Active Skills Entity – ASE, сказал Уолт Сильва, руководитель разработки конструкций X-59 и старший научный сотрудник НАСА в Лэнгли. — Они должны работать вместе на самых ранних этапах, чтобы обеспечить достижение желаемых целей».
Сильва, выступая на Авиационном форуме в Лас-Вегасе 25 июля, подчеркнул, как анализ запасов устойчивости в диапазоне полетных параметров с помощью ASE сыграл ключевую роль в разработке самолета. «Когда вы смотрите на этот самолет, сразу же возникают определенные опасения, — сказал Сильва. — У него длинный, тонкий фюзеляж, поэтому он будет более гибким. У него тонкие гибкие крылья. У него большая масса двигателя в задней части фюзеляжа, что, очевидно, увеличивает гибкость и динамику фюзеляжа».
Чтобы справиться с этими проблемами, Сильва сказал, что команды НАСА и Lockheed проводили независимые проверки с использованием набора экспериментальных инструментов и процессов. В дополнение к обширным испытаниям в аэродинамической трубе и анализу ASE, проверка включала линейное аэродинамическое моделирование, расчеты нагрузок, тепловой анализ, вычислительную гидродинамику, аэродинамический анализ и МКЭ - моделирование методом конечных элементов.
Точность МКЭ, компьютерного представления, используемого для анализа структурной целостности, моделирования полетных нагрузок и обеспечения безопасности, «имеет первостепенное значение», — говорит Сильва. «На каждом этапе разработки МКЭ мы проводим анализ флаттера и ASE, включая, например, на ранних этапах перемещения инерциальных измерительных блоков. В зависимости от их расположения на фюзеляже, это может повлиять или не повлиять на обратную связь с системой управления гибкости фюзеляжа».
В 2020-2024 годах был проведен ряд структурных испытаний, включая испытание стабилизатора на калибровку в 2022 году, проведенное отдельно от испытаний всего самолета. «Стабилизатор очень важен для ударных волн в задней части фюзеляжа, и мы должны убедиться, что очень хорошо понимаем конструкцию и аэродинамику, чтобы гарантировать, что мы можем предсказать результирующий звуковой «удар», — сказал Сильва.
Прогнозы летных характеристик самолета, разработанные для симулятора X-59, оказались очень точными по сравнению с реальным самолетом, говорит ведущий пилот Ларсон. Первый полет «был захватывающим, но без происшествий», отмечает он. «Он летает очень похоже на симулятор, и это хорошо, потому что если вы достаточно хорошо угадали свою аэродинамическую модель, то, надеюсь, разработчики системы управления полетом тоже хорошо угадали».
Однако одним из отличий от симулятора была большая тяга двигателя GE Aerospace F414 — особенность, которая быстро стала очевидной для Ларсона при взлете и для наблюдателей в Палмдейле, которые отметили высокую скорость набора высоты X-59. «Во всех симуляциях мы использовали двигатель средней мощности, а не совершенно новый, у которого немного большая тяга», — говорит Ларсон. «В симуляторе вы всегда поднимали нос примерно на 19-20 градусов, а мне нужно было поднять его до 23-24, так что получилось немного выше, чем я думал». «Мы немного ускорились. Мы просто набрали высоту гораздо быстрее».
При максимальной взлетной массе X-59 чуть меньше 12 тонн, Ларсон поднял самолет на высоту 3600 м и провел базовые проверки управляемости на скоростях 170-250 узлов, кружа над авиабазой Эдвардс. После взлета тестовые задания включали оценку системы автопилота.
«Следующим заданием был полный комплексный тестовый блок на скорости 200 узлов», — говорит Ларсон. «Затем мы снизились до 180 узлов и провели там комплексный тестовый блок. Затем я снизился до одной опорной скорости в 160 узлов (Vref) и провел там комплексный тестовый блок.
«Странность этого самолета в том, что во время первого полета мы снижали скорость, а не увеличивали ее, как обычно», — отмечает Ларсон. Это было вызвано главным образом опасениями, что воздействие ASE может быть более выраженным на низких скоростях.
Однако с проблемами ASE на низких скоростях Ларсон не столкнулся. «Затем мой самолет отправился на качественную оценку, пока я возвращался на круг», — продолжает он. «Я выполнил низкий заход на посадку и разгон для системы аэродинамических данных. А затем я вернулся на посадку».
Заход на посадку и посадка контролировались с помощью разработанной НАСА XVS - внешней системы технического зрения, которая компенсирует недостаток обзора вперед, вызванный длинным носом, за счет использования камеры с разрешением 4K, процессоров обработки изображений и дисплея кабины сверхвысокой четкости.
Установленная в обтекателе на верхней части носа непосредственно перед кабиной, система XVS также включает в себя выдвижную многоспектральную инфракрасную систему технического зрения Collins Aerospace EVS-3600, которая выдвигается при взлете и посадке.
Система хорошо работала при взлете в Палмдейле, несмотря на то, что самолет был направлен почти прямо на Солнце, говорит Ларсон. Он использовал ручную настройку контраста, чтобы компенсировать попадание солнечного света в камеру. При посадке и в целом во время полета система «проявила себя на отлично», добавляет он.
Чтобы минимизировать посадочные нагрузки, Ларсону было поручено приземляться как можно мягче. Используя автопилот в режиме удержания гамма-коррекции, а не в режиме удержания скорости, который поддерживал постоянное снижение по наклонной плоскости, X-59 приземлился со скоростью «1 фут/сек или меньше», говорит он. Приземление было настолько мягким, что система управления полетом самолета не переключилась из режима полета в наземный. «Мы знали, что находиться в воздухе в наземном режиме нежелательно, но находиться на земле в воздушном режиме не было большой проблемой, особенно с ВПП длиной 7 тыс. метров», добавляет он.
В рамках предстоящего расширения диапазона возможностей, получившего название Фаза 1, планируется, что X-59 будет летать со скоростью 1,5 Маха и на высотах до 20 тыс. метров. Это обеспечит достаточный запас прочности для периода акустических испытаний, или Фазы 2. В зависимости от прогресса в расширении диапазона возможностей, которое, как ожидается, охватит 50-80 полетов и продлится большую часть года, Фаза 2 может начаться уже в конце 2026 года.
Для Фазы 2 НАСА планирует установить 125 полуавтономных наземных систем записи вдоль 30-мильной линии под траекторией полета X-59 в сверхзвуковом коридоре недалеко от авиабазы Эдвардс. Испытания предназначены для проверки систем записи, которые включают в себя автоматический зависимый приемник наблюдения-вещания вместе с процессором сбора данных, который записывает аудио, а также волновые и спектральные данные. Фаза акустической проверки также предназначена для разработки процедур испытаний для Фазы 3 — испытаний на шумовое загрязнение окружающей среды.
«Идея состоит в том, чтобы за месяц совершить 30-40 полетов над населенным пунктом», — говорит Коэн. «Поэтому лучше потратить время сейчас, чтобы убедиться, что все работает как положено и все надежно, чем спешить и завершить первый этап, а затем еще много работать над подготовкой самолета ко второму и третьему этапам».
После второго этапа, который, по предварительным планам, продлится около девяти месяцев, НАСА начнет первоначальные испытания уровня шума над населенными пунктами из Центра летных исследований им. Армстронга. «Мы пролетим над близлежащим населенным пунктом, достаточно удаленным, чтобы жители не слышали взрывов регулярно, но достаточно близко, чтобы мы могли вернуться», — говорит Коэн. Проектная миссия X-59 предусматривает полет в район на расстоянии до 125 миль от базы, выполнение двух сверхзвуковых пролетов на скорости 1,4 Маха и высоте 23 тыс. метров и возвращение на базу.
Тем временем НАСА координирует с FAA окончательный список других потенциальных населенных пунктов. «Мы хотим получить данные, которые бы в совокупности отражали население США, — говорит Коэн. — Поэтому мы будем облетать разные места, чтобы охватить различные географические регионы, демографические данные и климатические условия. У нас есть несколько выбранных площадок, но ничего еще не решено окончательно. Идея по-прежнему заключается в соблюдении сроков ICAO CAEP/15, поэтому нам нужно начать полеты».
Источник: Aviation Week
Ставьте лайки, подписывайтесь на наш канал и оставляйте комментарии внизу. Теперь мы и в Телегараме t.me/aviaoboz
Читайте еще на канале