Бесшумный самолет
Американский специалист по аэродинамике Леонард Грин запатентовал конструкцию бесшумного сверхзвукового самолета. Эта новость произвела среди специалистов эффект разорвавшейся бомбы. Инженеры издавна борются с шумом. Это только в XV—XVII вв. большой шум и даже грохот, производимый машиной, ассоциировался с ее мощностью.; Ныне любой двигатель, машину, летательный аппарат специалисты стараются сделать как можно более малошумным, затрачивая на конструирование и производство всевозможных глушителей немало труда.
Новый же лайнер, предлагаемый Леонардом Грином, не создавая шума, подобного грохоту «Конкорда», будет способен за 90 мин пересечь всю территорию США со скоростью, втрое превышающей скорость распространения звука в воздухе. Такие самолеты, полагает Грин, быстро вытеснят обычные авиалайнеры с дальних трасс, поскольку намного сократят продолжительность полетов. Однако изобретатель пока и словом не обмолвился о том, каким же образом ему удалось справиться со своей задачей.
А как уменьшить шум реактивного двигателя?
Шум авиационных реактивных двигателей уменьшают прежде всего за счет их многоконтурности. Вместо одного компрессора — самого шумного агрегата — в турбореактивном двигателе ставят несколько. Причем режимы их работы подбирают так, чтобы шумы от механизмов в какой-то мере компенсировали, а не усиливали друг друга. Оказывается, может быть в технике и такое — шум подавляет шум.
Существуют и так называемые активные системы шумоподавления. Их суть можно объяснить следующим образом. На выходе работающего и, соответственно, шумящего агрегата ставят микрофон. Записанные им шумы подвергают специальной обработке. Весь спектр разлагается на синусоидальные составляющие, каждая из которых затем сдвигается с таким расчетом, чтобы при наложении на составляющие исходного шума «горб» каждой налагаемой кривой оказывался на месте «провала» исходной. Соглаоно законам физики при этом должны происходить интерференция акустических волн и их взаимное погашение. Так гласит теория. Однако на практике достаточно чуть-чуть ошибиться с наложением, и шумы, вместо того чтобы гасить друг друга, лишь усилят общую какофонию. До сих пор никому не удалось разработать столь точно и быстро действующие анализаторы, которые были бы способны производить точное наложение синусоидальных составляющих друг на друга. Так что даже частичное подавление шумов взаимным влиянием уже можно считать достижением.
В основном же авиационным конструкторам приходится пока обходиться традиционными средствами шумоглушения. Они ставят на диффузоре и сопле двигателя глушители, используют шумо- и вибропоглощающие прокладки и покрытия моторных гондол. Однако за это приходится расплачиваться суммарным уменьшением тяги. Так что если даже предположить, будто Леонарду Грину действительно удалось сконструировать глушитель, на 100 % снимающий шум, это всего лишь означало бы, что и тяга такого двигателя равна практически нулю! А кому он такой нужен?
В чем же тогда состоит секрет бесшумного самолета?
Для специалистов по аэродинамике бесшумный авиалайнер — не новость. Теоретики уже давно показали принципиальную возможность его существования. Для этого надо всего лишь сгладить скачок уплотнения, не дать ему оторваться от корпуса самолета. Физическая картина этого явления выглядит так. Всякое быстро летящее тело испускает звук. Свистят пули и снаряды, свистит камень, выпущенный из пращи... Причина тому — акустические волны или микроскопические уплотнения воздуха, которые производит быстро движущееся тело. В своем устремлении вперед оно как бы расталкивает молекулы воздуха, и те неохотно поддаются, расходясь в стороны, подобно «усам» от быстро идущей по воде лодки.
Всякое акустическое уплотнение распространяется в атмосфере со скоростью звука. И пока тело летит с дозвуковой скоростью, вызываемые им возмущения воздушной среды обгоняют его, постепенно рассеиваясь в атмосфере. Но вот скорость объекта повысилась, он догнал звук. В этот момент все мелкие уплотнения сливаются воедино, в монолитный фронт — они уж не успевают убежать от источника возмущения и рассеяться. Такой фронт (стена сдавленного воздуха) и получил название скачка уплотнения.
Всякая попытка пробить эту стену, перескочить звуковой барьер, как правило, сопровождается жутким грохотом. Ударная волна обрушивается на землю с такой силой, что при преодолении самолетом звукового барьера на низкой высоте с домов сносит крыши, а людей сшибает с ног. При дальнейшем увеличении скорости самолет обгоняет звук и может промчаться над головой подобно беззвучному привидению. Но это всего лишь значит, что гром обрушится на вас несколькими мгновениями позднее.
И все-таки ударную волну в принципе можно укротить. Для этого надо подобрать самолету такие аэродинамические формы, чтобы он протыкал звуковой барьер с такой же легкостью, с какой иголка проходит сквозь тонкую ткань. Причем портняжная аналогия тут более глубока, чем может показаться на первый взгляд. Обратите внимание, многие сверхзвуковые самолеты имеют игольчатые носы и острые кромки оттянутых назад крыльев. Так им Легче «протыкать» звуковой барьер. Но опытная ; швея знает: на шитье определенной ткани швейную машину нужно настраивать - иначе будет мука, а не работа. «Настроить» на определенный режим полета самолет сложнее, но все-таки возможно - При этом звуковой конус становится пологим, скачок уплотнения не будет таким резким, а значит, и громким. Однако акустика — вещь тонкая. Скажем, скрипач перед каждым выступлением вынужден заново настраивать свой инструмент, приспосабливая его, кроме всего прочего, и к характеристикам данного зала, к конкретным атмосферным условиям.
А как «настроить» самолет?
Изменяемая геометрия крыла, перестраиваемые воздухозаборники нерегулируемые сопла, лишь часть решения проблемы. Сочетание акустики с аэродинамикой, по мнению профессионалов, настолько капризно, что Леонард Грин мог добиться беззвучности, точнее малошумности, лишь при каком-то строго определенном режиме полета. И то, насколько удачно его решение, покажет конкретная конструкторская практика.
Такого пассажирского лайнера еще не знала история мировой авиации
Британские и американские специалисты – команда из 40 человек из Кембриджского университета и Массачусетского технологического института – после трех лет разработок представили проект нового пассажирского самолета SAX-40. Людей, далеких от таинств аэродинамики, лайнер прежде всего поражает своими формами. Официально эта концепция известна как Blended Wing Body («плавно сопряженное крыло»). Бесхвостая фигура новой машины напоминает очертаниями летучую мышь. При этом издаваемый в полете звук, сообщает Reuters, будет не громче, чем у стиральной машины.
Бесхвостый планер - идея пригодная не только для пассажирских авиалайнеров, но и для орбитальных самолетов«Рассекречен проект революционного пассажирского самолета, деловая характеристика которого мало что скажет непосвященному, – подчеркнул в беседе с корреспондентом «НГ» академик Российской академии космонавтики им. Н.Э.Циолковского, эксперт в области аэродинамики летательных аппаратов Валентин Белоконь. – 150-тонная при старте машина летит со скоростью около 900 км/час, перевозя 215 пассажиров. В этом ничего особенного нет. Правда, дальность приличная – около 9500 км».
Так в чем же, собственно, революционность нового проекта?
Прежде всего в том, что SAX-40 экономит 35% топлива по сравнению с лучшими из ныне существующих авиалайнеров. Уже сейчас этот факт заставляет говорить о новой машине как о спасителе гражданской авиации от вполне вероятного «зеленого» налога за те парниковые газы, которые выбрасывают в атмосферу самолеты.
«Несомненно, такая уникальная экономичность достигнута нетривиальным образом, – подчеркивает Валентин Белоконь. – Это первый пассажирский лайнер, созданный по принципу интегрирования крыла с фюзеляжем. В авиации такие вещи достаются очень неочевидными, очень серьезными усилиями. И я не сомневаюсь, что сократить срок проектирования SAX-40 помог также колоссальный прогресс в использовании суперкомпьютеров. Самолет не проектируется с помощью готовых формул, он во многом является вопросом искусства, помноженного на мощность компьютерного эксперимента, как в данном случае».
А вот это действительно уже нетривиальный результат: необычно высокая экономичность (на треть выше, чем у самого экономичного на сегодняшний день Boeing’а 787, который, правда, еще не летает) достигнута всего за три года разработок. Сверхзвуковой пассажирский Concorde проектировался около семи лет, стандартный на вид Airbus А-380 – 13 лет. «Здесь есть интрига, – уверен Валентин Белоконь. – Данная машина является симбиозом двух идеологий: серповидного крыла, предложенного еще в 1944 году германской фирмой ARADO; и наших истребителей класса Су-27 – Су-34, которые явились значительным шагом в интеграции крыла с фюзеляжем (разработка 1969–1981 годов). SAX-40 – умелая адаптация этих решений. Таким образом, становится гораздо яснее, как за три года сравнительно скромным коллективом всего из 40 человек спроектирован столь революционный самолет».
Бесхвостая фигура новой машины напоминает очертаниями летучую мышь. 1 – каркас самолета; 2 – двигатели; 3 - сопла; 4 – шасси; 5 – задняя кромка крыла; 6 – передняя кромка крыла
Столь изощренное интегрирование фюзеляжа самолета с крылом – непонятно, где кончается крыло и начинается собственно фюзеляж, – по мнению нашего эксперта, позволило достигнуть уникально высокого аэродинамического качества аэроплана (отношение подъемной силы к тяге). «У Concorde и нашего Ту-144 эта величина достигает 7,5; у Boeing’ов 747–787 – около 20. У SAX-40 – 25–27, – подчеркивает Белоконь. – До него во всем мире летал только один серийный самолет с аналогичным показателем аэродинамического качества – наш стратегический разведчик М-55 («Геофизика», ОКБ Мясищева): у него аэродинамическое качество было около 25».
Наш собеседник поясняет, что фактически бесхвостыми были уже и Concorde, и Ту-144 – у них был только киль, располагавшийся очень близко от крыльев; а вот стабилизаторов уже не было. В проекте самолета SAX-40 кили как бы раздвоены и перенесены на концы крыльев.
Подчеркнем еще раз: подобного пассажирского лайнера еще не знала история мировой авиации.
Размах крыла у SAX-40 – 67,5 м. Это кажется чрезмерным для достаточно небольшой машины, почти как у 400-тонного Boeing’а 747. Но зато это означает повышенную площадь крыла. Три инновационных двигателя пристыкованы к задней части крыла, причем двигатели с регулировкой направления реактивной струи.
Много других решений. Например, при посадке шасси выходит из створок, но сами они снабжены обтекателями, которые уменьшают и сопротивление, и шум. Сближаясь с землей со скоростью 350–400 км/час, самолет сильно задирает нос. Нормальный современный самолет имеет так называемые предкрылки, которые резко повышают подъемную силу. В этом самолете предкрылок нет, но особый профиль – отогнутый вниз клювом – позволяет снизить скорость до достаточно безопасного уровня и без предкрылок.
Понятно, что главной целью всех усилий ученых и конструкторов было вовсе не желание поразить воображение потенциальных пассажиров. «Такая форма самолета – блестящее достижение аэродинамики, – считает Валентин Белоконь. – Форма служит двояким целям: и крейсерскому очень экономичному полету, и хорошему режиму безопасной посадки».Сами создатели самолета подчеркивают, что даже если производители и одобрят новый дизайн, то на борт SAX-40 мы с вами поднимемся в лучшем случае году в 2025–2030-м: выпуск совершенно нового самолета – удовольствие очень дорогое и достаточно рискованное. Кроме того, этот процесс требует и строительства новых производственных мощностей.
«И все-таки 2025 год – это консервативная оценка, – уверен академик Российской академии космонавтики Валентин Белоконь. – Когда принципиальные вещи решены, конечно, все зависит от субсидий. Я предвижу, что срок может сократиться до 2015 года. Кроме того, не сомневаюсь, что разработчики SAX-40 еще не все карты выложили. Наверняка они спроектировали или активно проектируют сейчас класс самолетов – начиная с самого легкого, SAX-40 в 150 т, до 1000-тонного лайнера по крайней мере».
Информация