У Андрея Николаевича Туполева была мечта: построить сверхзвуковой пассажирский лайнер. Первый полёт этот самолёт совершил 31 декабря 1968 года — и это был первый в мире пассажирский сверхзвук.
Чтобы создать такой самолёт, пришлось решить очень много задач. Иллюминаторы вдавливало внутрь, а без них пассажиры очень боялись лететь. Попробовали камеры и экраны, не помогло, пришлось делать специальные панели. Металл стекал с крыльев из-за нагрева на высоких скоростях. После преодоления звуковой скорости менялась аэродинамика, и прямо в полёте надо было менять центр тяжести самолёта. Для взлёта и посадки были разработаны первые автопилоты. В самолёте с системой управления второго поколения были реализованы элементы, характерные для более позднего третьего поколения управления.
В итоге наш Ту-144 и «Конкорд» (первый полёт в 1969 году) стали единственными пассажирскими сверхзвуковыми лайнерами, а потом вышли из эксплуатации. На текущий момент пассажирского сверхзвука нет.
Давайте подробнее посмотрим на легендарный борт СССР-77107, стоящий во дворе Казанского авиационного института. У него более чем интересная история.
Про самолёт рассказывает Наталья Викторовна Ульянова — старший преподаватель кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов. Между её цитатами я поясняю некоторые вещи.
«Вот глядя на этот самолёт мы уже не можем сказать, что он стар по форме, годами, хотя ему уже (вот именно этому самолёту, он сошёл со стапелей в 1975 году) скоро будет 50 лет. Но ведь по форме он наряду с современными самолётами, он ничуть не уступает. Потому что в его форме очень много нового и новаторство такое Туполеву присуще было всегда. Его любимая поговорка «Некрасивые самолёты плохо летают». И он был верен этой своей идее и воплощал в каждом своём детище вот эту мысль, что нужно делать красивые самолёты.
Чем характерен самолёт? Во-первых, крыло. По нему не скажешь, что площадь этого крыла 503 квадратных метра… В этом самолёте нет горизонтального оперения, которое обычно в нормальной классической схеме присутствует. Здесь выдвижные крылышки на носовой части, они работают только на взлёте и на посадке.»
Упоминаемая классическая схема — это расположение горизонтального оперения после крыла. У Ту-144 выдвижные «усы» в носовой части фюзеляжа используются только на взлётно-посадочных режимах для балансировки самолёта. Это не «утка», а скорее бесхвостка с передним горизонтальным оперением. У бесхвостки управление по крену и тангажу осуществляется с помощью элевонов (гибрид элеронов и руля высоты), расположенных на задней кромке консолей крыла.
«При создании этого самолёта было очень много сложностей. Только представьте, сколько мы проверяем и эксперименты ставим на современном военном самолёте, здесь в десять раз больше было этих экспериментов, потому что трудности возникали, казалось бы, на ровном месте.
Допустим, ну что такое военный самолёт? Военным самолётом управляют военные люди, имеющие стопроцентное здоровье. […] Он оделся в специальный костюм, в кислородную маску ему подают кислород, и он выполняет свою боевую задачу вместе со своим самолётом.»
К пассажирскому лайнеру предъявляется чуть больше требований, чем к военному самолёту. Военному лётчику можно подавать кислород по трубке, пассажиру же нужно наполнить дыхательной смесью весь объём салона. Лётчик может сдержаться, сходить в подгузник или воспользоваться специальным ведром (которое сложно достать из самолёта потом), а пассажиру нужна комфортабельная сантехника. Лётчику можно дать костюм с подогревом и держать его в кресле весь полёт, а пассажиру важен комфорт, включая подходящую температуру воздуха и давление. Одни только требования по шумоизоляции пассажирского салона чего стоят! И так далее. Соответственно, всё это достаточно сильно расширяло ТЗ.
«…И вот эти все аспекты очень сложно было выполнить именно на самолёте, который летает на сверхзвуке. Потому что полёт при сверхзвуке рождает сразу много очень отрицательных моментов.
Во-первых, возникновение дополнительного сопротивления. Если у нас лобовое сопротивление — это просто сопротивление корпуса самолёта, то вот при достижении сверхзвука возникает ещё и волновое сопротивление. Которое меняет аэродинамику, самолёт начинает уходить в пикирование. То есть эти вещи надо было предусматривать. И в этом самолёте существует система перекачки топлива, которая начинала с крыльев перекачивать в хвостовую часть.»
В обычном полёте лобовое сопротивление складывается из профильного (сопротивление корпуса самолёта) и индуктивного (вихри на законцовках крыла). При достижении сверхзвука добавляется волновое сопротивление, смещающее центр давления. Поэтому в Ту-144 появилась система перекачки топлива, которая при переходе на сверхзвуковой режим перекачивала топливо из крыльевых баков в хвостовой фюзеляжный бак для компенсации момента на пикирование.
«Второй момент — это, конечно же, ударная волна. Когда самолёт преодолевает звуковой барьер, ударная волна распространяется вниз, как по конусу, и, доходя до земли, перерастает в звуковую. И на земле ощущаются такие хлопки, как от выстрела. […] Пассажирские рейсы были Москва — Алма-Ата один раз в неделю. И вот на сверхзвук он переходил как раз таки в степи Казахстана, где плотность населения гораздо меньше, чем в европейской части.»
В Википедии нашлась красивая картинка распространения ударной волны, вызванной сверхзвуковым самолётом. Жёлтая линия — след ударной волны на земле. Снаружи конуса ударной волны (а на земле — перед жёлтой линией) самолёт не слышен.
Схема распространения звукового удара в стратифицированной атмосфере. Источник: «Правда о сверхзвуковых пассажирских самолётах». Там же упоминается, что в качестве международного был принят термин «звуковой удар» — sonic boom.
«Во время испытаний вырывались окна, иллюминаторы, из-за того, что перепад давления был и они не выдерживали вот этого перепада и вырывались. И у Туполева была сначала мысль «Да вообще давайте сделаем без окон. Ну, что уж, раз вот такая проблема нерешимая». Но, оказывается, психологически человеку так трудно лететь, как будто бы летите в снаряде, в капсуле из-под снаряда. Видно, что они небольшие, но окна всё-таки нужны. […] Если изнутри посмотреть, в них мало что видно, но, я думаю, на сверхзвуке там и смотреть-то нечего.»
Во время сверхзвукового полёта самолёт сильно нагревается, поэтому в планере Ту-144 использовались термостойкие сплавы (в основном теплостойкий алюминиевый сплав АКЧ-1 и частично сплавы ВАД-23 и ОТЧ-1), а иллюминаторы были изготовлены из термостойкого фторсодержащего оргстекла.
С иллюминаторами связана ещё одна интересная вещь. Современные авиакомпании, в принципе, готовы предоставлять лежачие места для полётов (не как в бизнесе, когда кресло становится пляжным лежаком, а капсулы) — но там сложности в том числе с окнами. Если делать капсулы у бортов, нужно иначе расставлять иллюминаторы. Сейчас пробуют капсулы с экранами в центре самолёта (около станций бортстюардов на широких бортах), но лететь в них могут только те, кого прямо совсем не укачивает: живой вид снаружи очень важен.
«Самолёт тяжёлый, грузоподъёмность у него 180 тонн. Из них более 90 — это топливо. Дальность полёта у него более трёх тысяч километров, хотя проектировали его до семи, чтобы он летал, допустим, до Хабаровска. Но, ввиду несовершенства двигателя НК-144, который стоит на этом самолёте (и он, в общем-то, серийный самолёт, и других у нас не было), двигатели не выходили. То есть они выходили бы на эту дальность, но очень много ели. В час потребляет он около 39 тонн топлива, поэтому летали только до Алма-Аты.»
Речь про максимальную взлётную массу. Масса полезной нагрузки была не более 15 тонн (в самой грузоподъёмной модификации). Сложность в топливе.
«Количество пассажиров 120, даже были проекты по 140 человек, но не выходили на это количество пассажиров. Потому что в то время (почему я и говорю, что он обогнал своё время) как бы не было у нас богатых и состоятельных людей. В общем-то, был такой средний класс. И билет стоил 83 рубля, по тем временам это очень большая сумма, если на обычный рейс самолёта обычных авиалиний «Аэрофлот» стоил 46 рублей. То есть и в этом была проблема.»
Для сравнения, зарплата школьного учителя в 1970 году была 108 рублей, в 1980 году — 136 рублей. При этом с надбавками за стаж, нагрузку, классное руководство, тетради и прочее можно было получить ещё около 30-50 рублей.
«Вообще всё самое прогрессивное и современное внедряется именно в авиации, в материалах, в приборах. Здесь уникальная очень система авионики. Впервые поставлен автопилот, который может совершать и взлёт, и посадку без участия лётчика. То есть до этого не было таких автопилотов.»
БЦВМ «Орбита-10». Фото из Википедии.
Автоматическая бортовая система управления самолётом (АБСУ) Ту-144 обеспечивала автоматический полёт со стабилизацией угловых положений, высоты и скорости, а также управление от навигационно-пилотажного комплекса (НПК). Навигационно-пилотажный комплекс был сопряжён с международной навигационной системой, обеспечивавшей эксплуатацию самолёта на всех авиалиниях мира, в любых метеоусловиях. Комплекс НПК построен на базе бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) «Орбита-10».
«Первый полёт этот самолёт совершил 31 декабря 1968 года. До 1999 года некоторые экземпляры всё-таки использовались, но уже в виде лабораторий. Всего перевёз этот самолёт около трёх с половиной тысяч человек. Было два пассажирских самолёта. То есть построено всего было 16 экземпляров, но они в основном были как лаборатории. Вот этот самолёт, именно вот этот экземпляр, он рекордсмен. На нём ставились рекорды, он развил скорость 2430 км/ч. Вообще самолёт летает больше двух махов, но вот этот самолёт достиг 2,31 маха. Скорость в авиации меряется числом Маха, это отношение крейсерской скорости к скорости звука. И вот во сколько раз он превысил скорость звука, столько махов он и достиг. То есть он в два раза быстрее летел, чем звук.»
Верхушка гугловой выдачи
На сайте КАИ можно почитать историю борта СССР-77107 (заводской номер 05-1). Он построен в 1975 году на Воронежском заводе № 64, в том же году поднялся в небо. На нём выполнялись типовые полёты с выходом на предельную скорость, оценивалась устойчивость и управляемость при предельно допустимых центровках, проводилась контрольная оценка взлётно-посадочных характеристик, выполнялись полёты на дальность. В ходе испытаний Ту-144 с бортовым номером 77107 выполнил 180 полётов общим налётом 357 часов, из них на сверхзвуке — 135 часов.
Скорость звука меняется от высоты полёта (чем выше, тем медленнее распространяется звук из-за падения температуры). Число Маха — это истинная скорость в потоке вещества (то есть скорость, с которой воздух обтекает, например, самолёт), делённая на скорость звука в этом веществе в этих условиях. У земли это 1224 км/ч, на 11 километрах уже 1062 км/ч.
«Здесь ещё уникально опускание. В передней части фюзеляжа опускается нос для того, чтобы улучшить обзор, иначе не видно пилоту взлётной полосы, на взлёте и посадке нос опускается. Горизонтальные крылышки мы не называем стабилизатором, потому что они определённой конструкции, эти крылышки только на взлёте и посадке. А в хвостовой части самолёта у нас объединена система механизации и элероны в такую конструкцию, которая называется элевоны. Если элероны отклоняются дифференциально вверх-вниз для управления самолётом, то здесь они ещё могут и одновременно отклоняться на взлёте и посадке для увеличения угла атаки на взлёте и уменьшения [посадочной] скорости.»
Вот так опускающийся ОНФ (отклоняемый носок фюзеляжа) выглядит из кабины. Музей в Монино, борт СССР-77106. Источник картинки: Э. Цихош «Сверхзвуковые самолёты»
«Отрывается этот самолёт при скорости 360 км/ч, это не очень много, но взлётная полоса для него требуется большая. Поэтому использовать его на любом аэродроме невозможно, нужно иметь взлётную полосу не менее трёх километров. То есть это должен быть современный аэропорт. Скорость посадки тоже немалая — 295 км/ч. У него для снижения скорости ещё существует и тормозной парашют. На современных самолётах пассажирских этого нет, но это уникальный самолёт. Поэтому здесь очень много взято из военного самолёта, потому что скорости большие.»
ВПП Центрального музея ВВС. Посадка первого серийного ТУ-144 для передачи его музею на вечную стоянку. Источник: сайт музея monino.ru.
«Из-за того что самолёт летит на сверхзвуке, у него очень сильно нагревается кромка крыла и алюминий начинает течь, то есть при температуре 190 градусов он уже становится более мягким. Поэтому здесь сплав алюминия с титаном. Очень много титановых сплавов во всей конструкции. Если посмотреть в хвостовой части, то и днище, и хвостовая часть фюзеляжа, она вся сделана из титана, потому что титан по температуре ведёт себя очень хорошо. Но по стоимости, конечно, он очень дорогой.»
Одной из самых сложных при создании Ту-144 была проблема защиты хвостовой части фюзеляжа (ХЧФ) от выхлопных струй двигателей. Для этого был установлен теплозащитный экран, состоящий из титанового листа и теплоизоляции из базальтового волокна. Внутри хвостовой части фюзеляжа были установлены испарительные панели для охлаждения силовой конструкции. Необходимость в титановой конструкции отпала, когда проектная скорость крейсерского полёта Ту-144 былa снижена до скоростей, соответствующих числу М = 2,2. Первый серийный Ту-144 был выполнен уже практически целиком из алюминиевого сплава.
Источник: РЛЭ Ту-144
Для постоянного контроля за температурой ХЧФ с правого и левого бортов в зонах максимального нагрева были установлены приборы с выводом на пульт бортинженера.
Рабочее место бортинженера. Источник: Википедия.
«Внутри самолёта проложено 300 километров проводов. Ответственные агрегаты резервируются на случай отказа. Вообще конструкция очень надёжная, и те две катастрофы, которые сыграли негативную роль в его судьбе, произошли не потому, что конструкция плоха. Во втором случае было воспламенение двигателя, а в первом случае это человеческий фактор.»
Речь о катастрофе Ту-144Д № 77111 23.05.78 и катастрофе Ту-144 № 77102 в аэропорту Ле-Бурже 03.06.73.
«Казань является ещё и городом авиастроителей. Здесь имеется три крупных завода, это вертолётостроительный (Казанский вертолётный завод www.rhc.aero), авиационный (Казанский авиационный завод имени С. П. Горбунова) и моторостроительный (Казанское моторостроительное производственное объединение www.kmpo.ru). И ещё пять-шесть небольших заводов, которые занимаются беспилотной авиацией. Поэтому здесь, если проехать по городу, увидите такие экспонаты, которые производятся и до сих пор стоят на вооружении нашей армии.»
Добрый человек даже сфотографировал и собрал их на одной странице.
Источники
- РЛЭ Ту-144.
- Близнюк В., Васильев Л., Вуль В. и др. «Правда о сверхзвуковых пассажирских самолётах».
- Сайт КАИ tu-144.kai.ru.
- Сайт Центрального музея Военно-воздушных сил РФ monino.ru.
- www.tu144sst.com.
- Фото до ката Milfgard.
Если вам интересно узнать больше, очень рекомендую документальный фильм «Ty-144: Взлёт» (1969). Он посвящён Ту-144 и его первому полёту. Можно увидеть полёт Ту-144 со стороны на всех этапах (это очень красиво) и просто узнать ещё про этот самолёт.
Ну а мы побывали в Казани около борта СССР-77107, вот в этом фильме для туристов он на 45:46. Так что если будете в Казани — можно просто пройти мимо этого самолёта, а можно рассказать пару слов вашей компании, насколько он был интересен.