Обзор сверхзвукового пассажирского самолета Конкорд

Сверхзвуковой пассажирский самолет Конкорд был создан путем объединения французского и британского производителей авиалайнеров и использовался с 1976 по 2003 годы. Всего было произведено 20 экземпляров.

История создания

Сразу же после появления военных сверхзвуковых самолетов авиастроители во всем мире начали задумываться о создании пассажирского авиалайнера, крейсерская скорость которого была бы выше скорости звука. Франция и Англия обладали соответствующими программами. Во Франции была программа Super-Caravelle в сотрудничестве авиакомпаний Sud Aviation и Dassault, в Великобритании — программа Bristol, которая разрабатывалась Bristol Aeroplane Company.

Из-за высокой стоимости разработки британская компания BAC решила, что нужно искать партнеров. Bristol Aeroplane Company предложила французской авиакомпании Sud Aviation совместную разработку сверхзвукового пассажирского судна. Достичь договоренности удалось не сразу. Переговоры велись на правительственном уровне. В итоге договор был заключен в 1962 году.

Большинство работ было выполнено французской стороной, но британцы занимались разработкой двигателя, отдельных частей планера и электроники. Проект Конкорда был представлен в 1966 году, а первый прототип создан в 1969 году.

Помимо BAC и Sud Aviation, в разработке и создании авиалайнера участвовали следующие компании:

• Messier;
• Hispano-Suiza;
• Rolls-Royce;
• Dassault;
• SNECMA.

Испытания первого прототипа продолжались до 1971 года, после чего началась эксплуатация предсерийных самолетов. В ходе тестов удалось значительно превысить скорость звука.

История эксплуатации

История использования Конкорда началась в самом начале 1976 года, когда компании Arospatiale, Sud Aviation, BAC создали первый коммерческий авиалайнер. Заявки на приобретение авиалайнера начали поступать еще на этапе проектирования. Изначально планировалось создание 74 единиц авиалайнера, однако нефтяной кризис и удешевление стоимости билетов на дальнемагистральные полеты заставили отказаться от широкомасштабного перехода на сверхзвуковые самолеты.

Первый полет был совершен компанией British Airlines. Авиалайнер выдвинулся из Лондона в Бахрейн. Буквально в тот же день был открыт рейс Париж-Дакар, который выполнялся французской авиакомпанией Эйр Франс. Полет Конкордов осуществлялся по следующим направлениям:

1. Лондон — Нью-Йорк;
2. Париж — Нью-Йорк;
3. Лондон — Барбадос.

Практически весь период эксплуатации прошел без происшествий. На самолете летала королева Великобритании Елизавета 2, президент Франции, а также другие политики и первые лица государств.

В середине 2000 года произошла катастрофа. Конкорд потерпел крушение под Парижем. После детального расследования названа причина: наезд на металлическую деталь на взлетно-посадочной полосе, повреждение топливного бака и оголение проводки. Из-за крушения Конкорда во Франции экипаж и все пассажиры, находящиеся на борту, погибли. Самолет упал на здание отеля. Четыре человека, находившиеся в здании, погибли.

После 2000 года эксплуатация авиалайнера продолжилась. Заключительные 3 года использования самолета отмечены рядом инцидентов. В 2002 произошло отключение секции руля и утечка топлива. Из-за ряда причин в 2003 году принято решение о прекращении эксплуатации.

После того, как использование Конкорда прекратилось, в мире больше нет сверхзвуковых пассажирских лайнеров, которые могут быть использованы. Оставшиеся самолеты находятся в музеях и выставляются на различных выставках. Большинство из них находятся во Франции и Великобритании, но также можно встретить Конкорд в США и Германии.

Производство

Производством, как и разработкой, занимались Французские и Британские компании. Окончательная сборка самолета совершалась в Тулузе или в Бристоле. За создание центральной части фюзеляжа, крыла, радиооборудования и навигационной системы была ответственна компания Sud Aviation. Передняя и хвостовая часть фюзеляжа, система управления двигателем, кислородное оборудование и противопожарная система создавались компанией British Aircraft Corporation. Двигатели для самолета создавала компания Роллс-Ройс. Сопла двигателей — SNECMA.

Было создано 16 серийных и 4 предсерийных самолета, включая прототипы. Каждый завод построил по 10 авиалайнеров. Первый серийный Конкорд был выпущен в 1973 году, а последний — в 1980 году.

Некоторые компании заинтересовались созданием сверхзвукового бизнес-джета с высоким уровнем комфорта после появления пассажирского сверхзвукового авиалайнера, но до сих пор никто не смог реализовать эту задачу.

Конкорд использовался официальными лицами как административный самолет. Авиалайнер использовался Елизаветой 2, Валери Жискаром и Франсуа Миттераном.

Технические характеристики

Авиалайнер имеет передовые летно-технические характеристики по современным стандартам. Основные технические характеристики лайнера:

• масса пустого — 78700 кг;
• предельная взлетная масса — 187700 кг;
• пассажировместимость — от 92 до 100 человек (зависит от производителя);
• экипаж из 3 человек;
• крейсерская скорость Конкордов — 2150 километров в час;
• дальность полета — 6470 км;
• длина — 56,24 м;
• высота — 12,19 м;
• размах крыла — 25,57 м.

Благодаря наличию четырех двигателей, летные характеристики Конкорда превосходят характеристики любого другого пассажирского самолета. Единственным конкурентом может быть советский сверхзвуковой Ту-144. В случае необходимости, Конкорд мог разгоняться до 2330 км/ч, что в 2,2 раза превышает скорость звука. Это позволяло авиалайнеру преодолевать огромные расстояния за короткое время, делая высокую скорость полета его главным преимуществом.

Видео по теме:

Конструкция самолета

Авиалайнер имеет уникальную конструкцию, которая использует аэродинамическую схему без хвостовой части. Крыло расположено низко. Главной целью проекта было создание конструкции, способной летать на сверхзвуковых скоростях в течение длительного времени.

Для придания достаточной прочности фюзеляжу и другим элементам судна в основном используют алюминиевый сплав. Кроме того, используют сталь и титан, а некоторые элементы выполняют из никелевого сплава.

Планер

Инженеры установили особые требования к планеру летательного аппарата. Они выбрали жаропрочные алюминиевые сплавы для создания фюзеляжа. Внешняя оболочка фюзеляжа стала главным несущим элементом.

Планер разделяется на переднюю, среднюю и хвостовую секцию. В передней части располагается конусовидный обтекатель. Также там находится дополнительное остекление, управляемое гидравлической системой и используемое для защиты основного остекления при сверхзвуковом полете.

Крыло

Крыло располагается в нижней части фюзеляжа и имеет форму, придающую ощущение движения. Угол стреловидности крыла изменяется в зависимости от размаха. Он уменьшается от корня до края, соответственно угол у корня составляет 80%, а у краев – 60%. Крылья отличаются выразительной геометрической формой в конце.

Силовая установка

Основой силовой установки стали двигатели от Роллс-ройса. На самолет устанавливались турбореактивные форсажные двигатели Olympus 593. Установка состояла из четырех двигателей. Особенностью каждого из них считается присутствие форсажной камеры. Для работы силовой установки требовалось авиационное топливо А1.

У Конкорда есть двигатели, которые умеют регулировать обратную тягу. Это возможно благодаря системе реверсирования и соплам. Обратная тяга равна 40% от номинальной. Серийные двигатели имеют свои характеристики.

• тяга без форсажа — 142 кН;
• форсированная тяга — 161 кН;
• вес — 3175 килограмм.

Двигатели имеют различные режимы работы и могут быстро ускорять самолет до скорости круиза после достижения нужной высоты.

Шасси

У самолета Конкорд есть трехстоечное шасси, состоящее из трех стоек. Задняя стойка имеет две пары колес, а передняя — два колеса и гидравлическую систему для управления самолетом на полосе взлета и посадки. Если нужно, можно использовать резервные механизмы для сборки шасси.

Дисковая тормозная система с гидравлическим приводом и электронным управлением используется для торможения. Для предотвращения столкновения задней части самолета применяется дополнительная стойка шасси.

Основные системы

Основными компонентами самолета являются:

• топливная;
• гидравлическая;
• электрическая;
• механическая.

У Конкорда есть 17 баков для топлива, включая основные и балансировочные емкости. Кроме того, самолет оснащен 3 гидравлическими, 2 электрическими и 1 механической системой управления различными устройствами.

На борту самолета используется система кондиционирования, включающая 4 блока, для поддержания нужного климата.

Современная авионика дает возможность использовать самолет в сложных условиях, осуществлять автоматический заход и посадку.

Пассажирский салон

Салон самолета закрытый. 84% общей площади фюзеляжа занимает зона для пассажиров. Предусмотрены различные варианты расположения. Конкретный выбор зависит от авиакомпании, которая заказывает самолет. Британские авиалинии используют самолеты на 100 пассажиров, а французские — на 92 пассажира.

Большинство пассажиров на самолете не находили ничего сверхъестественного в салоне. Сиденья были достаточно удобными, но небольшими, такие же, как на дозвуковых авиалайнерах того времени. Время полета на Конкорде на средние расстояния значительно сокращалось, поэтому люди не успевали ощущать дискомфорт во время перелета.

Двигательная установка

В начальной и предварительной версиях был применен другой двигательный агрегат, который имел худшие характеристики и был менее надежным. Двигатели Конкорда находятся парами в подкрыльных гондолах.

Прочность конструкции

Для сверхзвуковых полетов нужна специальная конструкция, включающая тонкое крыло, длинный и тонкий корпус и другие элементы. Во время проектирования, инженеры учитывали прочность конструкции. Чтобы решить эту проблему, главные элементы самолета были изготовлены в виде монолитных отливок, а не из отдельных частей. Это позволило значительно повысить прочность самолета благодаря меньшему количеству соединений.

Шасси и тормоза

Для того чтобы осуществить взлет, самолет требовал разгона до высоких скоростей из-за особой конструкции, поэтому требования к шасси и тормозам были также особые. Взлет авиалайнера происходил со скоростью 400 км/ч, при этом стойки шасси должны были выдерживать значительные нагрузки, а тормоза обеспечивать возможность прерывания взлета при любой скорости с минимальным тормозным путем.

Авиалайнер оснастили укрепленными шасси и тормозами, управляемыми полностью электронной системой. Эти стойки и тормозная система были прорывом для своего времени.

Проблемы создания сверхзвукового пассажирского самолета

Основными требованиями авиакомпаний и пассажиров являются безопасность и экономичность авиалайнера. Разработчики сверхзвуковых авиалайнеров сталкиваются с рядом проблем:

• сложности в выборе аэродинамической схемы, которая бы позволяла получить высокое аэродинамическое качество, хорошие взлетно-посадочные характеристики и комфортабельный салон;
• проблемы в создании двигателя, который бы был экономичным и позволял разгоняться до крейсерской сверхзвуковой скорости;
• сложности в достижении высокой прочности всей конструкции.

Так или иначе, вышеперечисленные проблемы были решены разработчиками Конкорда. Самолет успешно эксплуатировался в течение десятилетий и даже считался флагманом пассажирской авиаци

Почему перестали выпускать самолет?

Причина прекращения использования самолета Конкорд заключалась в его экономической нецелесообразности. В связи с появлением доступных перелетов на дальние расстояния на дозвуковых пассажирских самолетах в 70-х годах, количество выпущенных Конкордов оказалось невеликим. Начиная с момента введения в эксплуатацию, сверхзвуковой авиалайнер приносил убытки, а интерес к его покупке был невысоким. Последний Конкорд был выпущен с завода в 1980 году.

После прекращения производства авиалайнер эксплуатировался еще 23 года. Вопросы о прекращении использования возникли после катастрофы в 2000 году. Экономическая невыгодность, старение самолетов и множество других причин заставили авиакомпании принять решение о прекращении эксплуатации. Последние полеты Конкорда состоялись в конце 2003 года.

Конкорд представляет собой культовый самолет, который без происшествий эксплуатировался на протяжении десятилетий. Высокая стоимость эксплуатации авиалайнера не позволяла авиакомпаниям получать прибыль. Несмотря на это, Конкорд войдет в историю как один из первых успешно использованных сверхзвуковых пассажирских авиалайнеров.

Сверхзвуковые фуражки

Вскоре к сверхзвуку пришла авиация. Скорость в авиации — главная величина. Первым горизонтальный пилотируемый сверхзвуковой полет выполнил американский летчик-испытатель Чак Йегер в 1947 году на ракетном самолете Bell Х-1. Быстро появились первые боевые сверхзвуковые самолеты — советский МиГ-19 и американский F-100 «Супер сейбр» (North American F-100 Super Sabre). После широкого освоения сверхзвука боевой авиацией пришел черед сверхзвуковых пассажирских самолетов. Советский Ту-144 с первым пассажирским рейсом 1 ноября 1977 года сделал 55 пассажирских рейсов и был снят с эксплуатации. Чуть раньше, в 1976 году, начал пассажирские перевозки англо-французский «Конкорд» (Concorde), летавший до 2005 года. После его полетов пассажирская авиация взяла в сверхзвуке паузу до сегодняшнего дня.

Особенности сверхзвукового полета

При разработке сверхзвуковой техники следует учитывать особенности сверхзвукового полета.

При полете со сверхзвуковой скоростью, воздух становится сжимаемым. Лобовые части конструкции, такие как носовой обтекатель, передние кромки крыла, киль и стабилизаторы, сжимают воздух, который находится перед ними. Встречные поверхности также подвергаются сжатию при столкновении с потоком воздуха. Поток с повышенным давлением оказывает дополнительную нагрузку на конструкцию, требующую укрепления на местах, наиболее подверженных воздействию.

Нагрев. При многократном сжатии рост температуры ощутимый. Передние кромки и выступающие в поток части самолета при М=3 нагреваются до 330°С. С ростом скорости температура растет стремительно. Важно обеспечить работу лобовых элементов при таком нагреве. Например, сделав их из титана или специальных сталей. Нагревается и вся обшивка, обтекаемая сжатым и потому нагретым потоком. Нагреваются снаружи стекла кабины и иллюминаторов, повышая требования к прочности.

Изменение центра аэродинамики. Для сверхзвукового самолета важно обеспечивать хорошую летную характеристику как на сверхзвуковом, так и на дозвуковом режиме, поскольку взлет и посадка происходят с дозвуковой скоростью. При переходе за скорость звука, картинка дозвукового обтекания самолета резко меняется, что влияет на устойчивость и управляемость на сверхзвуке. Эти факторы необходимо учитывать при управлении и отображении в системе управления полетом.

В полете со сверхзвуковой скоростью возрастает сопротивление и расход топлива, причем чем выше скорость, тем больше сопротивление. Компрессия слоев воздуха корпусом самолета является причиной этого явления. Это приводит к замедлению самолета за счет скорости, которая оплачивается работой наружного компрессора. Ударная волна, которую создает самолет, также является причиной волнового сопротивления. Для полета со сверхзвуковой скоростью требуется большой рост силы тяги, примерно в полтора-два раза больше, чем для обычного полета, что приводит к многократному расходу топлива при использовании форсажа.

Трудности не являются причиной задержки пассажирской сверхзвуковой авиации. Эти технические проблемы уже решены в боевой сверхзвуковой технике, которая успешно совершает сверхзвуковые полеты.

Бум сверхзвуковых пассажирских разработок

Гражданский сверхзвук снова актуален. Разработчики сосредотачиваются на небольших и больших сверхзвуковых бизнес-джетах и пассажирских. Последний пример не случаен.

Среди заметных проектов — компания Boom Technology из Денвера, штат Колорадо. Семь лет она создает пассажирский Overture с рейсовыми полетами в 2030-х. Он будет брать 55 пассажиров и летать на 8000 км с крейсерской скоростью 2300 км/ч (М=2,2). Вскоре ожидаются полеты прототипа, технологического демонстратора — XB-1 Baby Boom, сборка которого уже идет.

Отдельного упоминания заслуживает и бизнес-джет AS2. Компания Aerion Corporation разрабатывает его с 2004 года, но сроки летных испытаний переносятся то на 2018-й, то на 2023 год. Тем не менее AS2 уже собрал неплохой портфель предварительных заказов. С разработкой самолета помогали крупнейшие концерны — Boeing и Airbus, General Electric и Lockheed Martin.

Требования к шуму при сверхзвуковых полетах стали жестче из-за опыта с Ту-144 и «Конкордом». Создатели такой техники ищут решения, чтобы сверхзвуковой полет не создавал такого большого удара на земле. Это ключевая проблема, которую ищут в разных направлениях, но детально не раскрывают. Решение этой проблемы сложное, так как любое решение имеет свою обратную сторону.

Ключевые решения связаны с аэродинамикой конструкции. Оптимальным вариантом будет создание длинного и острого носа, который будет иметь меньшее волновое сопротивление при сверхзвуковом полете, в результате чего передаваемая ударная волна будет меньше. Также можно сделать передние кромки (крылья, кили, воздухозаборники) более тонкими и острыми, что также поможет уменьшить волновое сопротивление и ослабить создаваемую ударную волну. Такой вариант конструкции не является наилучшим для дозвукового полета, особенно при приближении к аэродромам взлета и посадки. Однако, дозвуковые летные качества также являются важными, поэтому необходимо найти компромисс между оптимальной аэродинамикой для сверхзвукового полета и эффективностью и безопасностью при дозвуковом полете.

Возможны различные варианты компоновочных решений для самолетов, например, одним из них является перемещение гондол двигателей с нижней части самолета на верхнюю. Таким образом, ударные волны, создаваемые воздухозаборниками и скосами корпусов при встрече со сверхзвуковым потоком, направляются вверх, не усиливая конус Маха в направлении земли. Однако, это может негативно отразиться на работе воздухозаборников сверху. В то же время, на нижней части самолета нижний воздухозаборник собирает уплотненный низом самолета воздух и пропускает большой объем воздуха в секунду, в то время как воздухозаборник на спине самолета или крыле не может получить эту сжатую добавку, что в свою очередь снижает поток воздуха в двигатель.

Возможны и неконструктивные варианты решения. Можно ослабить ударную волну на ее пути к земле, встретив на пути разные неоднородности атмосферы, которые являются устойчивыми и долговременными. К примеру, граница между тропосферой и стратосферой, тропопауза, расположенная на высоте 10-12 км, является физической границей, не как условная линия Кальмана, определяющая границу космоса на высоте 100 км. В области тропопаузы меняется знак температурного градиента, то есть происходит инверсия; другими словами, температура здесь перестает снижаться с высотой и начинает расти. Следовательно, самый холодный слой воздуха является слоем повышенной плотности.

От физических границ в среде волны любят отражаться если не полностью, то частично. Сквозь границу проходит лишь часть энергии волны. Максимум отражения будет с определенным углом падения волны. Регулируя скорость сверхзвукового полета, можно получить угол падения конуса Маха на тропопаузу, с которым отражение вверх будет наибольшим. Это ослабит прошедшую к земле волну. Измеряя состояние тропопаузы под самолетом, система управления будет вычислять и задавать текущую скорость самолета с наибольшим ослаблением ударной волны, доходящей до земли. Обратной стороной будет невысокое число Маха полета — около 1,4. Так хотели пойти разработчики упомянутой Aerion, задавая своему бизнес-джету AS2 крейсерскую скорость лишь 1500 км/ч, снижая скоростной выигрыш полетного времени. Хотели, но не пошли.

Неясные перспективы пассажирских сверхзвуковых

В конце мая этого года стало известно о закрытии проекта сверхзвукового бизнес-джета AS2, а с ним и самой компании Aerion. Причиной названа нехватка финансирования. Это стало большой неожиданностью, ведь Aerion получила заказы на 11,2 млрд долларов. Но инвесторы не захотели вкладывать в проект сегодня. Почему? Причина в минусах этого проекта или вызывает вопросы само будущее пассажирской сверхзвуковой авиации, ее долгосрочная перспектива?

Множество прототипов гражданских сверхзвуковиков еще не появилось, и разработка конструкций продолжится еще несколько лет. Начало регулярных полетов на таких самолетах можно ожидать только через 10-15 лет. Создание новых моделей, отвечающих новым требованиям, не является простой задачей, и неизвестно, кто станет победителем в этой гонке.

Также неясны перспективы массовых полетов сверхзвуковой пассажирской авиации. К моменту, когда они станут возможны, могут появиться конкуренты с принципиальным, кратным скоростным преимуществом. Дело не только в разрабатываемых гиперзвуковых пассажирских самолетах — пока это лишь эскизные концепты. Но создание Илоном Маском его корабля Starship идет с беспрецедентной быстротой; в ближайшие годы должны начаться его коммерческие полеты. Всего лишь небольшое недовыведение Starship на околоземную орбиту сделает его готовым суборбитальным пассажирским средством, везущим сотню пассажиров. А декларируемая Маском массовость их производства крупномасштабными сериями, сотнями и тысячами штук, позволит создать суборбитальный пассажирский флот и в короткие сроки охватить Землю масштабным суборбитальным пассажирским сообщением.

Сравнительно с сверхзвуком, экономия времени в несколько раз выше — 35-40 баллистических минут вместо трех часов сверхзвукового полета. Если экономика суборбитальной баллистики будет сравнима со сверхзвуком, выбор пассажиров будет ясен. Сверхзвуковая пассажирская авиация останется узкой нишей для любителей сверхзвукового полета. Пассажирский сверхзвук, возможно, не займет такое место в жизни и истории человечества, как винтовая авиация в середине ХХ века или реактивная авиация сегодня.

Будущее никому не известно. Сейчас сверхзвуковые разработки становятся все более привлекательными для пассажиров, однако неизвестно, какие из них станут регулярными рейсами. Возможно, один из читателей этой статьи через некоторое время полетит сверхзвуковым пассажиром по делам или на отдых, но создание нового поколения сверхзвуковой пассажирской авиации является трудной задачей. Время покажет, станет ли это поколение многочисленным.