Самолёт через n лет

Предупреждение: заметка не претендует на исчерпывающую полноту и истинность в последней инстанции. Тема неоднозначная и дискуссионная, аргументированное выражение своего мнения в комментариях приветствуется.

Авиация. Слово, которое внушает уважение и лёгкий трепет. Одна из самых перспективных отраслей наравне с космонавтикой и вычислительными технологиями. Место, где всегда найдется работа для светлых голов и золотых рук. Все это про нее, если бы только не то, что… Она достигла эволюционного потолка. Серьезно. Если не верите, скажите: вот над вами летит самолёт, он садится, от вас до него каких-то 600-700 метров вверх, рукой подать. Вы отличите Боинг от Эйрбаса? А их обоих от Суперджета? Не пытайтесь, даже инженеры-авиаторы и пилоты часто не могут отличить самолёты в воздухе. Это нормально, ведь физику в целом и аэродинамику в частности не обманешь: пропорции и основные элементы конструкции должны быть именно такими, иначе самолет не достигнет необходимой эффективности. На данный момент совершенствование авиации находится на том этапе, когда инженеры борются за каждый килограмм взлетной массы, каждый ньютон тяги и каждый метр полета. Но это лишь шлифовка тех инженерных решений, которые были разработаны 50-60 лет назад. Чего-то принципиально нового, уровня “темное колдунство”, на самолётах не так уж и много (кстати, с сегодняшними нейросетями та же хрень). Для истинного прорыва нужна научно-техническая революция.

Для этой революции в данный момент истории человечества есть два основных пути. Первый путь — новые аэродинамические схемы. Сейчас примерно все пассажирские самолеты построены по классической схеме: фюзеляж-сосиска, большое ярко выраженное крыло, классическое или (редко) Т-образное хвостовое оперение. Эта схема изучена вдоль и поперек и сейчас подошла к эволюционному пределу:
делать самолёт радикально шире/выше/вместительнее и не нарушить при этом хрупкий баланс цены и качества почти нереально. Одним из вариантов решения может стать переход к схемам “бесхвостка” или “летающее крыло”. Обе эти схемы позволят сразу же радикально увеличить площадь несущей поверхности самолета и, соответственно, подъемную силу. А вместе с этим в комплекте идет увеличенная грузоподъемность, увеличенная дальность полета и сниженный расход топлива. Но, как и для любой революции, у этого перехода есть несколько ОГРОМНЫХ проблем:

1. Эти схемы не так хорошо изучены, и перед внедрением потребуется несколько (десятков) лет исследований и подготовки новых специалистов, чтобы адаптировать их под гражданские перевозки, и МНОГО денег. Теоретически, с исследованиями могут помочь военные, но у них все секретно, так что это маловероятно.

2. Придется перестроить ВСЮ инфраструктуру. Заводы, аэропорты, аэродромы, ангары, все оборудование для обслуживания воздушных судов. ВСЕ. И это требует МНОГО времени и ОЧЕНЬ МНОГО денег.

3. Придется очень сильно переработать систему сертификации для таких воздушных судов с учетом всех их нюансов (например, деталей эвакуации из такой махины, особенностей балансировки и проблем управления при отказах). К счастью, и тут может помочь опыт военных, и если они согласятся его рассекретить, то этот этап будет не таким уж сложным по сравнению с предыдущими двумя. Но будет ОЧЕНЬ МНОГО бюрократии со всеми вытекающими.

4. Одновременно самая простая и самая сложная проблема: люди. ВСЕХ, кто летает на таком самолете и обслуживает его, надо переучивать. Салон перестанет быть коридором и будет широким, как хороший зал, и пассажирам придется отвыкнуть от вида в иллюминаторе, потому что полюбоваться им смогут далеко не все. Ну и не забудем традиционное недоверие к новинкам и детские болезни (которых в этом случае будет ОЧЕНЬ много). Поначалу (в авиации начало это первые лет десять-двадцать эксплуатации) такие суда будут окупаться хуже остальных.

Как видно, этот путь многообещающий, но сильно сложный. Есть другой, он сильно проще, но столь же многообещающий: иные виды топлива и двигателей. Этот путь потребует кратно меньше изменений в конструкции самолета, в документации, в обучении людей, а пассажиры останутся в привычных им салонах-коридорчиках с иллюминаторами. Тут есть несколько альтернатив:

1. Биотопливо. Самая изученная штука, и полеты на смеси авиационного керосина и биотоплива в пропорции 50/50 уже разрешены в коммерческой авиации. Если не углубляться в техпроцесс (об этом пусть химики рассказывают, мои познания в этой области ограничены принципами производства самогона), то для производства биотоплива берется какая-нибудь биомасса (обычно растительная), и путем химического колдунства получается жидкость, свойствами похожая на керосин. Иногда в роли этой жидкости может выступать этанол (техники на аэродроме одобряют). Углеродный след при таком подходе может сократиться на 20-98% в зависимости от вида биомассы. У этого топлива на данный момент есть лишь одна серьезная проблема: характеристики готового продукта сильно зависят от исходного сырья и даже от поля, на котором выросла биомасса.

2. Электричество. Банально, но оно есть: уже есть концепты электрических самолётов и с аккумами, и с гибридными движками, и на солнечных батареях. Сейчас это в основном экспериментальные модели, как пилотируемые, так и беспилотные. Из плюсов этой концепции: +100 к экологичности, -200 к шуму и вибрациям. Из минусов: энергоемкость батарей низкая (один килограмм керосина хранит в себе больше энергии, чем один килограмм батареи), выдаваемая мощность зависит от остатка заряда в батарее (недопустимо для пилотируемой авиации), а масса самолёта постоянна (а самолет на керосине в процессе полета становится легче, что позволяет менять режимы и экономить топливо). Перспективно, но большой лайнер на нем не полетит, и проблем хватает.

3. Водород. Топливо, которое вызывает самые ярые споры. С одной стороны, он абсолютно экологичен и имеет неплохие характеристики сгорания. Но с другой, за водородом идет дурная слава еще со времён “Гинденбурга”. Водород взрывоопасен, его молекулы очень маленькие и утекают через любую щель, недоступную другим веществам, имеет сложности с добычей, его нужно беречь от остальных газов (иначе он потеряет кондицию как топливо), о топливных баках в крыле придется забыть, а главное, за счет низкой плотности и очень низкой температуры кипения взять его на борт можно намного меньше, чем керосина. Теоретически с последней проблемой может помочь метан: его можно упихать в тот же объем почти вдвое больше, и оборудование для него на порядок дешевле. И то, и другое изучали в качестве топлива в КБ Туполева в 1980-х годах, и экспериментальный самолет Ту-155 летал одним своим двигателем и на водороде, и на метане. Но проблем было много, и решить их не успели.

А теперь более-менее объективная часть окончена, и как автор статьи, я считаю своим священным долгом начать дискуссию. Новые схемы в авиации – кайф, самое перспективное из всего, но объективно мы это увидим ох как не скоро. По топливу: электричество – это нерабочая хрень, годная только на лёгкие беспилотные планеры разведки/мониторинга, там и солнечные батареи встанут, и мощности будет достаточно. Для больших самолётов идеален был бы водород или метан, но у них слишком много проблем, которые только предстоит решить, так что для самолётов больше “Цессны” в данный момент пойдет только биотопливо. Ждём тех людей, которые смогут воплотить все это в жизнь

Картинки:
1. Концепт самолета по схеме “летающее крыло”
2. AV-8B Harrier второго корпуса морской пехоты США во время испытания смеси керосина и биотоплива 50/50
3. Швейцарский электросамолет “Solar Impulse 2”, в 2015-2016 годах пролетел кругосветку
4. Электробеспилотник “Helios”, поставил высотный рекорд для электросамолетов
5. Испытательный Ту-155, один из двигателей которого во время полетов работал на водороде, а потом и на метане