Скорость — это не только адреналин и гонки спортивных автомобилей. Скорость — это экономия самого важного человеческого ресурса, то есть времени. Поэтому инженеры всегда искали способы подарить человечеству драгоценные минуты, сократив их вынужденные траты. Например, в пути.

Для быстрого путешествия по земле есть скоростные и высокоскоростные (ВСМ) поезда. А для очень быстрого полета изобретены сверхзвуковые самолеты — уникальные летательные аппараты, способные превзойти скорость звука, что делает их символами технологического прогресса и инженерного мастерства. Россия как одна из ведущих авиационных держав внесла значительный вклад в развитие отрасли и сегодня тоже участвует в создании самолетов нового поколения на пороге второй сверхзвуковой революции.

Разбег

История сверхзвука началась в середине XX века, в эпоху холодной войны, когда СССР и США соревновались в технологической гонке. Пламенным мотором прогресса выступила, как обычно, военная сфера. Первый ход сделали американцы: в 1947 году экспериментальный «Белл» X-1 впервые преодолел звуковой барьер. Советский ответ не заставил себя долго ждать.

Одним из первых отечественных сверхзвуковых самолетов стал истребитель МиГ-19, который в 1952 году достиг скорости 1,35 Маха (около 1450 км/ч). Однако настоящим прорывом представлял собой МиГ-21, который до сих пор считается одним из самых массовых истребителей в истории. На его доработанной версии, получившей обозначение Е-66, 31 октября 1959 года летчик-испытатель Георгий Мосолов установил абсолютный рекорд скорости на дистанции 15/25 км — 1,95 Маха (2388 км/ч).

Скорость Маха — это единица измерения, которая показывает, во сколько раз объект движется быстрее звука в данной среде. Она названа в честь австрийского физика и философа Эрнста Маха, который в конце XIX века изучал движение тел.

Скорость звука зависит от среды. В воздухе при температуре 20 °C составляет около 1235 км/ч, но на высоте, где воздух разрежен, она меньше, поэтому самолетам легче достичь сверхзвуковых скоростей. К таковым относятся те, что способны летать с числом Маха 1,0–5.

Для достижения этих изумительных скоростей важна каждая деталь. Топливо должно обладать особо высокой энергоемкостью, чтобы обеспечивать необходимую тягу. Большинство сверхзвуковых аппаратов используют авиационный керосин типа Jet A или Jet A-1. Это топливо обладает значительной теплотворной способностью и стабильностью при высоких температурах.

В будущем для гиперзвука (то есть 5 и более Махов, активные разработки и даже эксплуатация сегодня) потребуются специальные виды топлива, такие как криогенные (например, жидкий водород) или синтетические. Они обладают еще большей энергоемкостью, но пока их использование ограничивается техническими и экономическими сложностями. Так, жидкий водород должен храниться при температуре около –253 °C, а это требует сложных и дорогих систем охлаждения и изоляции. А синтетическое топливо, тот же синтетический керосин, создается с использованием сложных химических процессов, таких как Фишера — Тропша. Они неописуемо энерго- и ресурсозатратны.

На взлет

Развитие сверхзвуковой гражданской авиации — это история гениальных инженеров, конструкторов и организаторов. Эти люди не только преодолевали технические барьеры, но и вдохновляли целые поколения. Самые известные плоды их деятельности — конечно, советский Ту-144 и британо-французский «Конкорд». Детище отца и сына Туполевых впервые поднялось в воздух в 1968 году, то есть на год раньше изделия западных европейцев. Андрей Николаевич лично курировал проект создания самолета, и помогала ему в этом команда талантливых инженеров, а Алексей Андреевич контролировал процесс испытаний, включая первые полеты и доводку конструкции.

Сверхзвуковые самолеты подвергаются экстремальным нагрузкам, включая высокие температуры и давление. Поэтому для их изготовления используются специальные материалы. В конструкции двигателей и корпуса применяют титановые сплавы — они обладают высокой прочностью и устойчивостью к нагреву. Для изготовления крыльев и фюзеляжа требуются легкие и прочные алюминиевые сплавы.

В наши дни в конструировании сверхзвуковых лайнеров также используются различные композитные материалы, особенно углепластик. Они сочетают легкость с высокой прочностью и устойчивостью к нагреву.

Двигатель

Над двигателем для Ту-144 работал Николай Дмитриевич Кузнецов. Он разработал НК-144 — один их первых турбореактивных двигателей, способный обеспечить сверхзвуковую крейсерскую скорость.

Принцип его работы прост в понимании, но сложен в реализации. Когда крылатая машина летит, воздух попадает в двигатель через специальное входное отверстие с пропорциональной скоростью. Внутри компрессор сжимает воздух, уменьшая объем и увеличивая давление. Сжатый воздух становится очень плотным и горячим. В камеру сгорания подается топливо, где смешивается со сжатым воздухом. Смесь поджигается через форсунки, происходит мощный взрыв. По физическим параметрам процесс похож на работу двигателей внутреннего сгорания автомобилей, но отличается гораздо большей интенсивностью и температурами. Горячие газы от взрывов топливной смеси с огромной силой вырываются наружу через сопло. Это и есть реактивная струя, создающая тягу для полета.

Современные проекты предполагают использование прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД). Они не имеют вращающихся частей и работают только за счет сжатия воздуха на входе при высокой скорости. То есть они совершенно неработоспособны на малых скоростях, но крайне полезны на больших. Сейчас ПВРД не применяются в гражданской авиации, в отличие от военных и космических проектов.

Аэродинамика

Генрих Васильевич Новожилов работал над аэродинамикой и конструкцией Ту-144, внося ключевые улучшения в дизайн. Позже он возглавил ОКБ имени Ильюшина, где продолжил работу над пассажирскими и транспортными лайнерами.

В форме важна каждая мелочь. Например, крылья сверхзвуковых самолетов имеют большую стреловидность (угол отклонения от продольной оси). Это уменьшает сопротивление на сверхзвуковых скоростях. Ту-144 имеет угол стреловидности около 57 градусов. А вот для «Конкорда» использовали дельтовидное крыло, которое обеспечивает стабильность на высоких скоростях и улучшает управляемость. Крылья должны быть тоньше, чем у дозвуковых самолетов, чтобы максимально снизить лобовое сопротивление, и это требует использования прочных материалов для сохранения жесткости конструкции.

Этой же цели служит профиль фюзеляжа, предельно длинный и узкий, с аналогичной носовой частью. Ту-144 мог опускать нос при взлете и посадке для улучшения обзора пилотам. По этому, а также по переднему горизонтальному оперению схемы «утка» даже дилетант может сразу отличить его от весьма похожего по силуэту «Конкорда».

На сверхзвуковых скоростях аэродинамические силы меняются, поэтому в аппаратах используются сложные системы стабилизации и управления, а также элевоны — комбинированные рулевые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке консолей крыла, которые выполняют функции рулей высоты и рулей крена.

Турбулентность

Пик популярности сверхзвука пришелся на 1960–1970-е годы. Но, к сожалению, инверсионные следы в небе от Ту-144 и «Конкорда» остались одинокими: слишком велик был масштаб проблем при эксплуатации этих символов светлого и быстрого будущего. По этой же причине их американский собрат «Боинг-2707» вообще не взлетел.

Во-первых, сверхзвук требует огромных затрат на топливо и техническое обслуживание. Билеты на коммерческие рейсы англо-француза стоили целое состояние, а советский аппарат безгранично дотировался государством, которое тоже не могло слишком долго поддерживать иллюзию доступности.

Рекомендуем почитать:

Во-вторых, переход к суперчемпионской скорости сопровождается очень громким хлопком. Когда самолет приближается к звуковому барьеру и преодолевает его, воздух перед ним сжимается. Это происходит потому, что молекулы воздуха не успевают передавать информацию об инородном теле. Когда ударная волна достигает земли или ушей наблюдателя, она воспринимается как резкий перепад давления и мощный звуковой удар — это ограничило использование суперсоников над населенными территориями.

В-третьих, из-за неуемного аппетита моторов выделялось значительное количество вредных выбросов.

Хотя «Конкорд» продержался на авиалиниях значительно дольше Ту-144, но и его время закончилось в начале 2000-х годов.

За гранью скорости

Так что же, закат легенды и крах мечты? Нет. Интерес к сверхзвуку сохраняется и даже вырос, в том числе благодаря удачным экспериментам в области военного гиперзвука. Разные страны и корпорации ищут способы вернуть его в массовую эксплуатацию и для этого разрабатывают более технологичные, надежные и экономически выгодные проекты.

28 января 2025 года экспериментальный XB-1 компании Boom Supersonic преодолел звуковой барьер, достигнув скорости 1,1 Маха (около 1350 км/ч). Это важный шаг на пути к созданию пассажирского сверхзвукового лайнера Overture (то есть увертюра), который планируется запустить в эксплуатацию к 2030 году. XB-1 служит демонстратором технологий, включая композитные материалы, системы активного охлаждения и двигатели нового поколения. В теории «Увертюра» сможет перевозить до 80 пассажиров на скорости 1,7 Маха, сокращая время перелета из Нью-Йорка в Лондон до 3,5 часов.

Одной из главных проблем сверхзвуковой авиации остается высокая стоимость эксплуатации и негативные последствия для окружающей среды. Чтобы справиться с этом, «Бум Суперсоник» планирует использовать устойчивое авиационное топливо и снизить углеродный след.

Громкие хлопки при преодолении звукового барьера — это по-прежнему большая проблема, ведь законы физики неумолимы. Но минимизировать количество децибелов призван экспериментальный X-59. Его разработчики в НАСА обещают легкий стук, а не удар грома. Если испытания подтвердят эффективность секретной технологии, это может привести к пересмотру регуляторных ограничений на сверхзвуковые полеты над сушей.

«Бум Суперсоник» уже получила заказы на 130 «Увертюр» от авиакомпаний, включая «Америкэн Эйрлайнс» и «Юнайтед Эйрлайнс». Однако стоимость одного лайнера оценивается в 200 млн долларов, а билеты будут стоить около 5 тысяч, что сопоставимо с тарифами бизнес-класса. Так что в ближайшей перспективе очень, очень быстро летать позволит себе только ограниченный круг пассажиров. Но ведь есть и средне-, и долгосрочные перспективы!

В России тоже ведутся работы над созданием демонстратора технологий для будущего сверхзвукового пассажирского самолета. Проект реализуется при поддержке Минпромторга и Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Предполагается, что крылатая машина разовьет скорость до 1,8 Маха (около 2200 км/ч) и преодолеет расстояние от Москвы до Владивостока за 2–3 часа. По словам научного руководителя ЦАГИ, вице-президента РАН Сергея Чернышева, к нынешнему моменту основные технологии уже проработаны на уровне цифрового моделирования и наземных испытаний, в том числе посредством продувки уменьшенных моделей в аэродинамических трубах.

Не менее амбициозный проект от китайской компании Space Transportation, также известной как Lingkong Tianxing Technology, — коммерческий транспортный Yunxing («Юньсинь»). По заверениям создателей, он будет способен развивать скорость до 4 Махов (около 4900 км/ч).

«Спейс Транспортейшен» основал в 2018 году предприниматель Юдонг Ван. Компания специализируется на разработке космических транспортных систем и гиперзвуковых технологий. В мае 2022 года она успешно провела испытания ракеты «Тяньсинь I» в рамках миссии «Яо-10».

В ноябре 2024 года компания провела испытания двигательных технологий прототипа «Юньсинь». Проверили ключевые параметры: способность самолета эффективно преодолевать сопротивление воздуха, устойчивость к экстремальным температурам, возникающим на сверхзвуковых скоростях. Цельнокомпозитная конструкция успешно выдержала все нагрузки.

Двигатель JinDou 400 длиной 3 метра и диаметром всего 30 сантиметров продемонстрировал тягу в 400 кг. Во время испытаний прототип разогнался до 5000 км/ч на высоте более 20 километров. Китайцы используют принцип прямоточного детонационного двигателя, что снимает необходимость в компрессорах и турбинах, делает конструкцию проще, легче и дешевле в производстве и эксплуатации.

Теперь «Спейс Транспортейшен» намерена подготовить полноразмерный сверхзвуковой самолет уже к 2027 году. И если он будет соответствовать всем заявленным характеристикам, то станут доступны полеты из Пекина в Нью-Йорк всего за два часа, то есть вдвое быстрее, чем могли невероятные Ту-144 и «Конкорд».

***

Сегодня скоростные поезда не вызывают большого удивления, они являются удобным и простым способом добраться, например, из Москвы в Санкт-Петербург или обратно за несколько часов. Несмотря на то что первый «Сапсан» вышел на линию в конце 2009 года, за прошедшие 15 лет технология стала привычным транспортным решением. А теперь на подходе еще и ВСМ с «Белым кречетом».

Кто знает, может, совсем скоро рутиной окажутся и двухчасовые полеты из Москвы на Дальний Восток. Тогда человечество начнет мечтать о еще бóльших скоростях, которые даже не вообразить. Можно быть уверенным в одном: то, что в массовом сознании пока проходит по разделу фантастики, является лишь очередной задачей для героев нашего времени — инженеров и конструкторов.

Статья была опубликована в журнале «Человек и мир. Диалог», № 2 (19), апрель – июнь 2025 г.

Прочитано: 102