Потенциал и перспективы проекта NASA / Lockheed Martin X-59 QueSST
Проектный облик самолета X-59
NASA хочет возродить сверхзвуковую пассажирскую авиацию. С этой целью в последние годы разрабатывалась исследовательская программа QueSST, целью которой было создание улучшенного облика сверхзвукового лайнера, лишенного недостатков предшественников. В рамках этой программы компания Lockheed Martin недавно построила экспериментальный самолет X-59. В ближайшие месяцы он выйдет на летные испытания и покажет реальный потенциал новых решений и технологий.
Исследовательский проект
Программа агентства NASA под названием QueSST (Quiet SuperSonic Technology – «Технология тихого сверхзвука») стартовала в начале прошлого десятилетия. Как понятно из названия, ее целью является формирование оптимального облика сверхзвукового самолета с минимальным уровнем шума. В первую очередь, планировали ослабить убрать звуковой удар при сверхзвуковом полете.
До середины десятилетия NASA вело необходимые исследования и изучало разные аэродинамические схемы и компоновки. В 2016 г. агентство пригласило в программу QueSST компанию Lockheed Martin. Ей предстояло использовать собранные научные данные и разработать сначала предварительный, а затем и полноценный проект опытного самолета для последующих испытаний.
Модель X-59 в аэродинамической трубе
Разработка проекта, позже получившего индекс X-59, завершилась в 2018-19 гг. Тогда же стартовало строительство экспериментальной машины на заводе «Локхид-Мартин» в г. Палмдейл (шт. Калифорния). Компания-изготовитель регулярно отчитывалась о проведении тех или иных мероприятий – постепенно самолет приобретал конечную форму и наполнялся агрегатами и механизмами.
В начале июня 2023 г. сборка изделия X-59 завершилась. Самолет опустили со стапелей на собственное шасси и отправили на летно-испытательную станцию завода. В ближайшее время все бортовые системы проверят и настроят, после чего начнутся полноценные наземные испытания. До конца текущего года NASA и Lockheed Martin планируют провести первый полет. Затем несколько лет потратят на летные испытания, в ходе которых самолет должен подтвердить расчетные характеристики.
Характерный облик
Экспериментальный X-59 QueSST представляет собой одноместный однодвигательный самолет особой конструкции. Планер характерного облика разработали с нуля на основе собранных научных данных. При этом некоторые агрегаты, для упрощения строительства, заимствовали у существующей техники. Так, элементы кабины взяли у учебно-тренировочного самолета T-38, а шасси у истребителя F-16.
Самолет имеет общую длину 29 м, размах крыла 9 м и стояночную высоту 4,25 м. Максимальная взлетная масса достигает 14,7 т. Он сможет брать на борт до 4,4 т топлива и 300 кг полезной нагрузки в виде научной аппаратуры.
X-59 получил фюзеляж большого удлинения с переменным поперечным сечением. Его главной особенностью является длинный носовой обтекатель с горизонтальной передней гранью. На обтекатель приходится почти треть общей длины самолета. В хвосте над фюзеляжем помещена гондола двигателя.
Плоскости скомпонованы по схеме продольного триплана. Имеется переднее горизонтальное оперение малого размаха, обеспечивающее продольную балансировку. За ним помещено треугольное крыло с ломаной передней кромкой. В хвосте находится оперение в виде цельноповоротного стабилизатора и стреловидного киля с небольшой плоскостью на законцовке.
Опытный самолет получает один турбореактивный двигатель General Electric F414-GE-100 – доработанный вариант серийного F414 с иной системой управления, трубопроводами и т.д. Форсажная тяга такого двигателя достигает 10 тыс. кгс, что позволит самолету на высоте 16 км развивать максимальную скорость 1,5 М при крейсерской 1,42 М.
Строительство опытного самолета
Кабина X-59 оснащена всем необходимым пилотажным оборудованием. Для оптимизации аэродинамики самолет не имеет выступающего фонаря. Отсутствие козырька, дающего обзор вперед и вниз, компенсировали установкой видеосистем eXternal Vision System (XVS) и Collins EVS3600 сверху и снизу обтекателя. Видеосигнал с нескольких камер объединяется в общую картинку и выдается на монитор перед летчиком.
Задачи и решения
Перед проектом X-59 QueSST стоит несколько основных задач, связанных с проверкой и отработкой новых технических решений. В первую очередь, предстоит проверить, способен ли самолет характерного облика летать на всех расчетных режимах и развивать заданные скорости. Кроме того, изучат аэродинамику и определят реальные параметры ударной волны. На всех этапах испытаний будет идти проверка оригинальной видеосистемы переднего обзора.
На предыдущих этапах программы QueSST агентство NASA и компания Lockheed Martin провели большой объем исследований и сформировали оптимальный аэродинамический облик нового самолета. В связи с этим можно не сомневаться в способности опытного X-59 летать и показывать расчетные характеристики. Видеосистемы обзора, заменяющие традиционную конструкцию фонаря, тоже не располагают к пессимизму. Вероятно, эти компоненты оправдают ожидания, хотя не следует исключать доработку по итогам испытаний.
При всем этом, главной задачей X-59 является демонстрация «тихого» сверхзвукового полета. Ослабление звукового удара хотят получить за счет особой конструкции планера. Так, плоская передняя часть носового обтекателя должна изменить форму образуемого скачка уплотнения и уменьшить громкость образуемого шума. Специфическая форма хвоста и оперения схожим образом влияет на скачок позади самолета.
За счет удлиненного обтекателя увеличивается общая длина самолета и, соответственно, расстояние между скачком уплотнения перед носом и позади хвоста. При достаточном расстоянии, звуковые волны от двух скачков не будут накладываться и усиливать друг друга. Наконец, обводы основной части фюзеляжа и плоскости выполнены с расчетом исключения дополнительных возмущений, ухудшающих аэродинамику.
По расчетам, оптимизированная аэродинамика позволит снизить шум при полете. Типичный истребитель при сверхзвуковом полете производит ударную волну громкостью (для наблюдателя на земле) 100-110 дБ. Для X-59 при высотном полете этот параметр сократится до 70-75 дБ; интенсивность звука при этом упадет на три порядка.
Готовый X-59 переводят из цеха на испытательную станцию
В целом предложенные решения выглядят здраво и позволяют получить желаемый результат. Кроме того, необычный облик самолета прошел отработку в аэродинамических трубах и подтвердил свой потенциал. По сути, теперь речь идет только о закреплении научного результата – и начале проработки технических вопросов.
Практические перспективы
X-59 предназначается только для испытаний и экспериментов. Однако в дальнейшем NASA планирует внедрять опыт текущей программы QueSST в перспективные проекты авиационной техники. Результатом этого должно стать появление полноценных сверхзвуковых лайнеров для гражданской авиации. Впрочем, пока нельзя назвать даже примерные сроки их разработки и гипотетического выхода на линии.
Наработки по QueSST действительно могут заинтересовать авиационную промышленность, но их использование будет связано с определенными трудностями. Адаптация готовых решений к перспективным проектам потребует определенных усилий и дополнительных исследований.
Так, главным источником затруднений должен стать фюзеляж характерной конструкции. Экспериментальный самолет может обойтись тонким обтекаемым фюзеляжем, но полноценный лайнер нуждается во внутренних отсеках значительного объема. Вероятно, для сохранения желаемых характеристик соотношение длины и сечения такого фюзеляжа должно находиться в определенном диапазоне – и рост диаметра потребует наращивать длину самолета с понятными последствиями технического характера.
Аналогичные проблемы могут возникнуть при масштабировании двигательной установки. Один двигатель на X-59 размещен в обтекаемой гондоле. Большее число двигателей может нарушить исходную концепцию аэродинамики и испортить характеристики.
Отдельно следует остановиться на характерном носовом обтекателе, который является принципиально необходимым компонентом новой аэродинамической схемы. Улучшая летные характеристики, этот агрегат увеличивает общую длину самолета и усложняет его эксплуатацию на аэродромах. Кроме того, обтекатель не удастся использовать для размещения большого количества агрегатов и блоков – во избежание нарушения балансировки.
Пока вызывают вопросы сферы применения наработок по QueSST. Неясно, самолеты каких классов можно будет строить по такой схеме. Возможно, накопленный опыт можно будет использовать только при создании самолетов ограниченных размеров – «бизнес-джетов» и т.п. Однако нельзя исключать масштабирование технологии и появление более крупных образцов с салоном для большого числа пассажиров. По всей видимости, подобные перспективы QueSST прояснятся только после проведения запланированных испытаний.
Интерьер кабины. Верхний монитор заменяет козырек фонаря
Можно предположить, что наработки по QueSST в целом не найдут применения в военной авиации. Для боевых самолетов ударная волна не является заметной проблемой. Она не демаскирует машину и не несет никаких иных рисков. Впрочем, полезными будут идеи оптимизации аэродинамики и оригинальные оптико-электронные системы.
Новая попытка
Эксплуатация гражданских сверхзвуковых лайнеров на регулярных линиях прекратилась два десятилетия назад. При всех своих преимуществах, советский Ту-144 и англо-французский Concorde не смогли конкурировать с дозвуковыми лайнерами – те оказались более экономичными, тихими и удобными. Тем не менее, научные и авиастроительные организации продолжают заниматься тематикой гражданского сверхзвука, реализуя исследовательские программы и предлагая разные проекты.
Текущая программа QueSST от NASA и Lockheed Martin по своей сути является очередной попыткой возродить гражданскую сверхзвуковую авиацию. При этом она отличается от ряда других аналогичных проектов. Американские специалисты поставили главной целью избавление от одного из главных недостатков сверхзвукового самолета в виде ударной волны.
В NASA разработали оригинальный способ решения этой проблемы, а затем при помощи Lockheed Martin вписали его в реальный проект. Новые идеи уже проверили в лабораторных условиях, а вскоре начнутся летные испытания экспериментального самолета. Сможет ли X-59 оправдать возложенные на него надежды и повлиять на развитие гражданской авиации, станет ясно в отдаленном будущем.
Информация