Разработан биплан, преодолевающий звуковой барьер

Сверхзвуковое путешествие становится реальным с более дешевыми, более тихими и более топливосберегающими бипланами

В течение 27 лет «Конкорд» предоставлял своим пассажирам редкую роскошь - экономию времени. За большие деньги блестящий сверхзвуковой самолет переправлял своих пассажиров из Нью-Йорка в Париж всего за три с половиной часа – идеально, чтобы вздремнуть или перекусить. За эти годы дорогие билеты, высокие затраты на топливо, ограниченное размещение пассажиров и шум двигателей снизили интерес к приобретению билетов. 26 ноября 2003 года «Конкорд», а вместе с ним и коммерческое сверхзвуковое путешествие, ушли в отставку.

С тех пор многие работали над проектами для следующего поколения сверхзвуковых самолетов. Недавно исследователь из Массачусетского технологического университета придумал концепт, который может решить многие проблемы, преследовавшие «Конкорд». Кики Ван, доцент аэронавтики и астронавтики, говорит, что решение простое: почему не сделать по два крыла с каждой стороны вместо одного?

Ван и его коллеги - Жуй Ху, постдокторант в отделе аэронавтики и астронавтики, и Энтони Джеймсон, преподаватель машиностроения в Стэндфордском университете - на компьютерной модели показали, что модифицированный биплан фактически производит значительно меньше лобового сопротивления, чем обычный самолет с одним крылом на сверхзвуковых скоростях. Группа опубликует свои результаты в издании Journal of Aircraft.

Уменьшение лобового сопротивления, согласно Вану, означает, что самолет потребует меньше топлива. Это также означает, что самолет производил бы меньше звукового шума.

«Звуковой гул – это реальные ударные волны, неизбежно создаваемые сверхзвуковыми самолетами, - говорит Ван. - Это походит на артиллерийский огонь. Звук настолько сильный и раздражающий, что сверхзвуковым самолетам не было разрешено летать над жилыми районами».

Двойные крылья, двойное веселье

Дизайн самолета с четырьмя крыльями Вана – крылья располагаются друг над другом – позволил бы уравновесить ударные волны. Ван позаимствовал оригинальную концепцию у немецкого инженера Адольфа Буземана. В 1950-х годах Буземан разработал дизайн биплана, который в значительной степени устраняет ударные волны на сверхзвуковых скоростях.

Обычно, когда стандартного типа самолет приближается к скорости звука, воздух начинает сжиматься в передней и задней частях самолета. Когда самолет достигает и превышает скорость звука, внезапное увеличение давления воздуха создает две огромные ударные волны, которые расходятся от обоих концов самолета, производя звуковой гул.

С помощью вычислений Буземан нашел, что, изменив дизайн биплана, можно решить проблему с ударными волнами. Со стороны это выглядит как сглаженный треугольник - верхнее и нижнее крыло направлены друг на друга, соединяясь в конце. Подобная конфигурация, согласно его вычислениям, уравновешивает ударные волны, производимые единичным крылом.

Однако недостаток конструкции обнаруживается при подъеме самолета: эти два крыла создают очень узкий канал, через который может проходить ограниченное количество воздуха. Когда аппарат переходит на сверхзвуковые скорости, канал, говорит Ван, может «задохнуться», создавая огромное сопротивление. В то время как конструкция может хорошо работать на сверхзвуковых скоростях, она не позволяет преодолеть сопротивление, чтобы достигнуть этих скоростей.

Схема и принцип работы биплана Буземана, у которого разработчики нового сверхзвукового биплана позаимствовали концепцию расположения крыльев

Когда добавили то, чего не хватало

Чтобы решить проблему сопротивления, Ван, Ху и Джеймсон создали компьютерную модель биплана Буземана, чтобы проследить его работу на различных скоростях. Для определенной фиксированной скорости команда нашла оптимальную форму крыла, чтобы минимизировать сопротивление. Затем исследователи соединили лучшие показатели для различных скоростей и 700 конфигураций крыла, чтобы разработать оптимальную форму для каждого крыла.

Они обнаружили, что если сгладить внутреннюю поверхность каждого крыла, это создаст более широкий канал, через который может проходить воздух. Исследователи также нашли, что, если расширить верхний край верхнего крыла и нижний край нижнего крыла, концептуальный самолет сможет полететь на сверхзвуковых скоростях с половиной лобового сопротивления обычных сверхзвуковых самолетов, таких как «Конкорд». Ван говорит, что это потенциально сокращает и количество топлива, требуемого для полета, более чем наполовину.

«Если вы когда-нибудь задумывались, при взлете самолет должен поднять не только пассажиров, но и топливо, и если уменьшить количество сжигаемого в полете топлива, можно уменьшить количество транспортируемого топлива, что уменьшает размер топливного бака, - говорит Ван. – Это разновидность цепной реакции».

Следующий шаг команды - разработка трехмерной модели, которая позволит изучить более тонкие аспекты будущего самолета. Ван говорит, в то время как исследователи МТИ ищут оптимальный целостный дизайн для сверхзвукового летательного аппарата, группа инженеров в Японии спроектировала биплан на основе проекта Буземана с движущимися частями: крылья изменяют свою форму в ходе полета, когда достигаются сверхзвуковые скорости.