Возвращение сверхзвукового биплана
В 1935 году один невероятно талантливый инженер в аэрокосмической промышленности предвидел создание биплана, способного летать быстрее, чем скорость звука и без проблем с экономией топлива, a также шумового загрязнения, с которыми сталкиваются современные сверхзвуковые самолеты. С тех пор на протяжении 75 лет инженеры из японского филиала Массачусетского технологического института, а также других стран считают, что эти видения проблем могут стать основой будущего сверхзвукового полета.
В ретроспективе Конкорд был обречен с самого начала. Помимо того, что он потреблял слишком много топлива, легендарный сверхзвуковой лайнер создавал такие большие сверхзвуковые хлопки, которые было просто не комфортно переносить, что мешало таким самолетам летать прибыльными рейсами, например, такими как Нью-Йорк — Лос-Анджелес.
Более десяти лет после того как Конкорд был снят с полетов, исследователи изучают новые способы создания сверхзвукового самолета, возвращаясь к старой идее биплана. Новое исследование из Массачусетского технологического института показывает перспективы для решения основных проблем сверхзвукового транспорта — стоимости и шума, обратившись к конфигурации лайнера, давно отмененной авиационными конструкторами.
Опережая свое время
Еще в 1935 году немецкий авиационный инженер Адольф Буземан предложил радикальное решение проблемы, которое еще не существовало. В то время, самолетостроители предвидели, что бипланы скоро будут заменены самолетами с одиночным крылом. Без доступа к современной вычислительной техники, Буземан энергично взялся за работу над теоретическими проблемами сверхзвукового полета и показал, что бипланы могут летать с минимальным сопротивлением и превышать скорость звука без создания огромных ударных волн (и, как следствие, сверхзвуковых хлопков), которые порождали такие лайнеры, как Конкорд. В конструкции биплана Буземана ударные волны, генерирующие высокий шум, распространяются не от передней и задней частей лайнера, а между двумя частями сложенных крыльев, где они шумоподавляются.
На самом деле была одна большая проблема помимо того, что было невозможно построить такой самолет с технологиями 1935 года. Биплан Буземана способен работать только на установленной скорости в 1.7 Маха и то, если летательный аппарат сначала ускорится с гораздо большей скоростью в 2.18 Маха, прежде чем перейти обратно к скорости в 1.7 Маха, которая обеспечивает наименьшее сопротивление при полете. Разгоняться до скорости в 2.18 Маха было бы очень рискованно и, пожалуй, невозможно, учитывая чрезвычайно высокое сопротивление при полете.
Итак, биплан концепции Буземана оставался историческим курьезом в течение 70 лет. Затем, начиная с 2004 года, исследователи во главе с Казухиро Кусуноси в университете Тохоку в Японии использовали современное аэродинамическое моделирование конструкции биплана. К 2010-му году группа исследователей обнаружила, что, изменяя геометрию четырех комплектов крыльев в полете с помощью подвижных закрылков и предкрылков, они могли бы получить самолет, летающий с приемлемым сопротивлением на всех этапах полета от взлета до посадки.
Тем временем, в Массачусетском технологическом институте…
Когда Руи Ху была докторантом факультета аэронавтики и астронавтики в Стэнфордском университете, ее научный руководитель Энтони Джэймсон познакомил Руи с работами университета Тохоку. Руи увидела в этих работах не совсем идеальное решение. «Это увеличит потенциальную нестабильность всей системы при сверхзвуковом полете, если нужно управлять этими движущимися частями» — говорит Руи. Проблема ограниченных возможностей конструкции биплана Буземана оказалась в центре ее диссертации. Она продолжила свою работу по этому вопросу в качестве докторанта в Массачусетском технологическом институте, где затем получила дальнейшую поддержку от Кики Ванга в поисках лучшей сверхзвуковой модели биплана.
Результатом работы трех исследователей, изложенным в работе, которая, кстати, будет опубликована в Journal of Aircraft, является геометрия крыла биплана, позволяющая осуществлять плавный полет на сверхзвуковой скорости с минимальным сопротивлением и без необходимости сначала уходить за пределы оптимальной скорости полета. Команда получила окончательную форму крыла, сделав компьютерные модели около семиста различных геометрических характеристик крыла и десятка возможных сверхзвуковых скоростей.
«Мы действительно хотим, чтобы полеты, подобные Конкордам, стали возможными в будущем»- говорит Ванг. «Если проблема уменьшения сопротивления решится, это уменьшит стоимость топлива и, как следствие, снизит цену на билет для такого сверхзвукового лайнера. Если мы сможем уменьшить сверхзвуковой хлопок от такого самолета в несколько раз, то есть вероятность, что этому самолету будет разрешено летать со сверхзвуковой скоростью над землей, а не только над океаном».
Оптимизированная конструкция биплана Буземана могла бы преодолеть оба препятствия сверхзвукового пассажирского лайнера. В то время как японские исследователи смоделировали свои проекты в трех измерениях, группа Массачусетского технологического института по-прежнему работает с простой двумерной компьютерной моделью. «Если мы сможем сделать это в трех измерениях, это будет очень интересно»- говорит Руи. «Но как мы спроектируем настоящее крыло и самолет, мы еще не знаем».
