Самолеты и вертолеты будущего

Желание летать появилось у людей в далеком прошлом, но осуществили эту мечту не так давно. В конце XVIII века поднялись в воздух первые аэростаты, в середине XIX-го — дирижабли, а в 1903 году состоялся первый полет самолета. С тех пор авиация непрерывно совершенствовалась: от деревянных планеров с поршневыми двигателями — к реактивным сверхзвуковым машинам, оснащенным мощнейшими системами автоматического управления.

На сегодняшний день среди истребителей лучшими летными характеристиками обладает отечественный «Су-35», оборудованный двигателями с управляемым вектором тяги и обладающий оптимальной аэродинамической компоновкой. Однако этот показатель — не главное, что требуется от самолета завтрашнего дня, и в новом поколении акцент смещен на высокоинтеллектуальную «начинку».

На этом простом примере видно, что эволюция летательных аппаратов во многом зависит от развития требований к ним. Раньше от авиации требовалось всего лишь как можно быстрее доставить груз из точки А в точку B и, по возможности, сделать это наименее затратно. На сегодняшний день возникло множество вариантов применения самолетов, которые имеют собственные специфические требования, иногда идущие вразрез с этим простым правилом. Попробуем разобраться, какие показатели будут решающими в скором времени.

Интеллектуальная начинка

Уже сейчас новейшие образцы авиационной техники обладают весьма солидными вычислительными мощностями. К примеру, современные магистральные самолеты осуществляют полет практически полностью в автоматическом режиме. Задача человека теперь — быть надзирателем и «страховкой» на случай отказа автоматики.

Однако это не предел. Ведущие разработчики боевых самолетов и вертолетов уже заявили, что их новые творения будут «опционально-пилотируемыми» — то есть такие машины могут управляться как человеком, так и компьютером. Помните фильм «Чужие», где оставшиеся на планете бойцы с помощью приборов ДУ вызывали десантный челнок? Подобная картина может стать обыденной для вооруженных конфликтов недалекого будущего.

Возможности летающих машин шагнут далеко за пределы обыкновенного дистанционного управления и таких простейших операций, как полет по заданному маршруту. Например, истребители пятого поколения будут постепенно оснащаться бортовыми компьютерами с элементами искусственного интеллекта. Такие машины смогут выполнять задачи, руководствуясь неявной логикой, что позволит автоматике находить выход из сложно прогнозируемых нештатных ситуаций.

Изменяются и средства взаимодействия с летающими аппаратами. Новейшим этапом развития пилотажно-навигационного комплекса является так называемая «прозрачная кабина». Чтобы понять, о чем идет речь, стоит вспомнить про становящиеся популярными устройства дополненной реальности (например, очки Google Glass). Тем не менее понятие «прозрачной кабины» значительно шире и включает не только дополненную реальность, но и техническое зрение через камеры, расположенные по всему периметру летательного аппарата.

В частности, компания Bell в своем новейшем вертолете Bell 525 планирует постепенно полностью отказаться от классической приборной доски в кабине, сведя ее лишь к группе резервных приборов. Вся необходимая информация будет подаваться пилоту через нашлемную индикацию и объемную звуковую систему. Подобное устройство практически сотрет разницу между пилотом и удаленным оператором вертолета.

Новые силовые установки

Одной из самых недешевых частей современного самолета является двигатель. Реактивные модели не только представляют собой сложные и дорогие устройства, но и сжигают за полет десятки тонн топлива.

Как и автомобильные компании, авиационные производители посматривают в сторону электрических двигателей. Но тут свои нюансы: если масса аккумуляторов для автомобиля не так критична, то в летательном аппарате этот показатель — один из решающих.

Так, удельный расход топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет примерно 0,5–1 кг/кВт·ч,у турбовальных он еще меньше — около 0,3 кг/кВт·ч. Для сравнения, у современных литий-ионных аккумуляторов этот показатель равен 4–5 кг/кВт·ч.

Получается, чтобы продержать в воздухе в течение часа двухместный вертолет типа Robinson R22 или четырехместный легкий самолет Cesna 172, оборудованные двигателем внутреннего сгорания мощностью 112 кВт, необходимо примерно 100 кг керосина или аккумулятор весом 450–500 кг — это при том, что взлетный вес самого R22 составляет всего 650 кг.

Однако уже сейчас можно встретить литий-воздушные аккумуляторы с удельным расходом в 0,5 кг/кВт·ч — правда, пока только в опытном производстве. А это кардинально меняет положение вещей. Так что можно предположить, что в недалеком будущем легкая авиация сумеет полностью перейти на электрическую тягу. И первые ласточки не за горами: Сергей Сикорский из одноименной американской фирмы, посетивший выставку HeliRussia 2013, заявил, что следующим этапом в развитии вертолетной техники видит переход на электрические двигатели. Компания Sikorsky планирует поднять в воздух свой электровертолет уже в 2017 году.

Не менее интересными выглядят и топливные элементы. На данный момент они также страдают от невысокой эффективности, однако их потенциал очень велик. Исходя из законов термодинамики, при сжигании топлива КПД двигателя не может превысить 50%. А для топливных элементов этого порога не существует, так как преобразование энергии химической реакции в электрическую происходит напрямую.

Еще одно потенциальное направление развития — создание малогабаритной и безопасной атомной силовой установки для крупных магистральных лайнеров. Такое решение может привести к полному вытеснению дозвуковых двигателей, построенных на сжигании углеводородов.

Электрический пассажирский лайнер

В наши дни, когда разговор заходит об электрическом самолете, чаще всего подразумевается легкое полуэкспериментальное судно. Однако инженеры из Bauhaus Luftfahrt, исследовательского подразделения EADS, в которую входит большинство европейских авиастроительных предприятий, считают, что уже к 2035 году в небо поднимется первый пассажирский магистральный лайнер на электрической тяге.

В недрах подразделения идет разработка самолета Ce-Liner, который сможет доставить 190 пассажиров на дальность в 900 морских миль (около 1660 км) без использования привычного углеводородного топлива. Исследователи осознают сложности, с которыми им предстоит столкнуться, поэтому при разработке лайнера будут применены такие инновационные элементы, как сверхпроводниковая электротрансмиссия и С-образное крыло. По словам главы исследовательского подразделения Кая Плоетнера, все технологии осуществимы в рамках предстоящих двух десятилетий. К примеру, сверхпроводники нынешнего, уже третьего поколения, требуют для работы температуру в 77 К — таких показателей значительно проще достигнуть, нежели близких к абсолютному нулю, как это требовалось раньше.

Весьма ожидаемо и решение проблемы со временем зарядки аккумуляторов. Элементы питания установят в стандартных контейнерах LD3, которые будут заменяться в аэропорту. Эта операция займет не более получаса.

Высокая сложность С-образного крыла, по мнению разработчиков, не будет большой проблемой, так как (в отличие от классических лайнеров) в крыле не будет размещаться топливо, что позволит улучшить его конструкцию.

Интересные проекты будущего

Летающий аэродром

Идея создать огромный самолет, который сможет нести на себе аппараты поменьше, родилась довольно давно. Еще в 1963 году советский конструктор Бартини предлагал построить экраноплан-авианосец массой 2500 т. Схема постройки была признана реализуемой, но достаточно затруднительной на техническом уровне того времени.

Сегодня же энтузиасты из проекта Innopedia предлагают создать летающий аэропорт Airborne Metro («Воздушное метро»). По их задумке, огромный аппарат должен быть оборудован ядерной силовой установкой и циркулировать непрерывно по большому кольцевому маршруту. Пассажиры будут доставляться на «Воздушное метро» с помощью обычных самолетов регионального класса.

Гиперзвуковой пассажирский самолет

Последние годы разработчики авиационной техники концентрировались в основном на экономичности авиаперевозок. Так, даже среди дозвуковой авиации скорости снизились до 800 км/ч, что удешевило стоимость полета, но еще больше увеличило время, требуемое на выполнение рейса.

В нашей стране время перелета на Дальний Восток увеличились примерно на час. Что уж говорить о трансокеанских маршрутах, длящихся больше половины суток. Как бы ни старались производители сделать удобными авиационные кресла, выдержать такой полет — настоящее испытание для пассажиров.

Закономерно, что мысли конструкторов снова возвращаются к сверхзвуковым скоростям. Однако в этот раз повторения успехов «Конкорда» мало. Новая цель — гиперзвук.

Европейское космическое агентство (ESA) уже развернуло программу LAPCAT, направленную на разработку гиперзвукового пассажирского лайнера A2. Целью проекта является создание суборбитального аппарата, способного перевезти 300 пассажиров на скорости в 5М (около 6000 км/ч) в любую точку нашей планеты.

Для осуществления столь амбициозной затеи предполагается использовать технологию криогенного топлива. Она позволит решить сразу несколько проблем: это и обеспечение требуемой тяги, и охлаждение аппарата, и снижение зависимости авиаперевозок от все дорожающих нефтепродуктов.

ESA расчитывает завершить программу к 2040 году, если этому, конечно, не воспрепятствует продолжающийся в Европе финансовый кризис.

Новые аэродинамические схемы

Если электронная «начинка» и даже двигатели развиваются вполне закономерно и предсказуемо, то с аэродинамической компоновкой летательных аппаратов все не так очевидно. На протяжении прошлого столетия ведущие страны-разработчики авиационной техники опробовали сотни схем, не жалея ни времени, ни средств. Например, у не так давно представленного публике прототипа скоростного вертолета Sikorsky X2 был предшественник S-69, поднятый в воздух в далеком 1973 году.

Аналогично дела обстоят и с самолетами — большинство мыслимых и немыслимых схем перепробовано на протяжении прошлого века. Однако это не означает, что все удачные находки уже реализованы, а тупиковые — отправлены на свалку истории. Очень часто конструкторы возвращаются к старым опытам, так как научный прогресс наконец догнал инженерную мысль и основные препятствия (будь то отсутствие подходящих материалов, недостаток вычислительных мощностей или что-то другое) были устранены.

Вот один из примеров: раньше использование неустойчивых аэродинамических схем самолетов было во многом ограничено сложностью пилотирования с механической проводкой управления. Для того чтобы управлять неустойчивой машиной, пилоту пришлось бы совершать десяток движений в секунду для парирования всевозможных возмущений. Ситуация кардинально изменилась с появлением электро-дистанционной системы управления с автоматической стабилизацией. Невозможные с точки зрения классической динамики полета машины стали сегодня обычным явлением.

Подобным же образом дело обстоит и с вертолетами. Чтобы сделать машину устойчивой, несущий винт снабжался горизонтальным и вертикальным шарнирами. В результате при порывах ветра накренялся конус винта, а не аппарат целиком, что грозило опрокидыванием машины. В нынешнее время автоматика и «продвинутые» композитные материалы позволили создать полностью жесткий винт Sikorsky X-2.

Но по-настоящему грандиозная работа еще впереди: предстоит создать полноценную гибридную летающую машину, способную соединить в себе все плюсы вертолета (режим зависания над землей) и самолета (режим горизонтального полета). Не особенно удачные попытки прошлого — например, конвертоплан V-22 Osprey — будут переработаны с учетом всего накопленного опыта и технического прогресса.

Тем временем пассажирские перевозки должны снова перешагнуть звуковой барьер. На сегодняшний день перелеты через океан, да и просто через всю Евразию могут занимать половину суток. Однако снятый в 2003 году с эксплуатации из-за авиакатастрофы и сокращения рынка перевозок «Конкорд» мог преодолеть 6000 км менее чем за три часа. У сегодняшних дальнемагистральных самолетов это занимает почти семь часов.

Конечно, путь развития тернист, а решить нужно не только задачу увеличения скорости, но и экономичности, ведь именно высокая стоимость эксплуатации стала основной проблемой и причиной упадка сверхзвуковой пассажирской авиации прошлого.

Текст: Сергей Яковлев
Фото: компании-производители; Sikorsky Aircraft Corporation; Bell Helicopter Textron Inc.; ОАО «Компания «Сухой»; Staff Sergeant Lloyd H. Cole; Innopedia; Bauhaus Luftfahrt