Почему самолёты не летают быстрее: физика и экономика скорости

Boeing 787 летит на эшелоне со скоростью около 0,85 Маха, Airbus A320 — на 0,78. Эти цифры почти не изменились с конца 1950-х годов, когда на линии вышли первые массовые реактивные лайнеры Boeing 707 и de Havilland Comet. За шестьдесят с лишним лет двигатели стали в разы экономичнее, крылья полегчали и обзавелись новыми профилями, а крейсерская скорость гражданской авиации осталась примерно там же, где была.

При этом никакого запрета лететь быстрее не существует. Тот же 787 способен идти на 0,89 Маха, и в руководстве по эксплуатации такой режим есть. Просто им почти никогда не пользуются.

Причин у этого две, и работают они одновременно. Примерно с 0,85 Маха на крыле возникает волновое сопротивление, и дальше каждый процент скорости требует непропорционально много тяги — топливо начинает уходить быстрее, чем растёт скорость. Но и до этого предела авиакомпании не разгоняются: лишний керосин обходится дороже, чем стоит выигранное время. В итоге лайнеры летают заметно ниже своего потолка, и держится это уже седьмое десятилетие.

Где заканчивается физика

На 0,85 Маха до скорости звука остаётся ещё пятнадцать процентов, и кажется, что запас большой. Но самолёт обтекается неравномерно. Воздуху над выпуклой верхней поверхностью крыла нужно пройти более длинный путь за то же время, поэтому он разгоняется сильнее набегающего потока. Уже при скорости самолёта в 0,8 Маха над крылом местами появляется участок, где поток идёт быстрее звука, хотя сам лайнер летит дозвуково.

Скорость, при которой такая зона возникает впервые, называется критическим числом Маха. Дальше начинается самое интересное: разогнавшийся до сверхзвука поток не может плавно затормозиться обратно. Он тормозит скачком — на узкой полосе давление и скорость меняются почти мгновенно, и на крыле образуется ударная волна, которую называют скачком уплотнения. Самолёт тащит эту волну за собой, и на её создание уходит энергия. Это и есть волновое сопротивление.

Неприятность в том, как быстро оно растёт. Прибавка скорости на несколько процентов может увеличить сопротивление в полтора-два раза, а ближе к скорости звука кривая уходит почти вертикально вверх. Для типичного узкофюзеляжного крыла граница проходит в районе 0,8–0,85 Маха, и чтобы протолкнуть самолёт заметно дальше, двигателям нужно в разы больше тяги.

Конструкторы отодвигают эту границу двумя приёмами. Стреловидное крыло встречает поток под углом, и обтекание идёт так, будто скорость ниже реальной. Суперкритический профиль с уплощённой верхней поверхностью сглаживает разгон потока и переносит скачок уплотнения ближе к задней кромке, где он вредит меньше. Благодаря этому Boeing 787 уверенно держит 0,85 Маха, но уже на 0,88 расход топлива вырастет быстрее, чем сократится время в пути.

Двигатели рассчитаны под этот коридор

Современный турбовентиляторный двигатель большую часть тяги создаёт не горячей струёй из камеры сгорания, а холодным воздухом, который вентилятор прогоняет мимо газогенератора. Соотношение этих потоков называют степенью двухконтурности, и чем она выше, тем экономичнее двигатель на крейсерском режиме.

За экономичность приходится платить размером. Высокая степень двухконтурности означает вентилятор диаметром под три метра, а вокруг него — большую гондолу, которая сама создаёт сопротивление. Такая схема выигрывает на 0,78–0,85 Маха и проигрывает на более высоких скоростях, так что нынешний скоростной коридор заложен прямо в конструкцию двигателей.

У Concorde и советского Ту-144 логика была обратной: низкая степень двухконтурности и почти чистая реактивная струя, которая эффективна на сверхзвуке и прожорлива на разгоне и заходе на посадку. Поставить такие моторы на сегодняшний лайнер означало бы вернуться к экономике, которая полвека назад Concorde и подвела.

Cost Index: экономика решает, где остановиться

До физического предела у авиакомпаний остаётся запас, и почти никто не использует его полностью. Причина в расчёте, встроенном прямо в систему управления полётом. Перед вылетом в компьютер вводят число под названием Cost Index — отношение стоимости лётного часа к стоимости топлива. Чем оно выше, тем быстрее компьютер ведёт самолёт, жертвуя керосином ради времени; чем ниже, тем экономичнее и медленнее проходит рейс.

Для дальнемагистрального Boeing 777 типичное значение держится в районе 30, и прибавка скорости на процент стоит примерно трети процента расхода. На коротком рейсе такая разница почти не видна, а на транстихоокеанском перелёте превращается в сотни лишних килограммов керосина. В шестидесятые топливо стоило дёшево, скорость считалась главным аргументом в рекламе, и авиакомпании охотно летали ближе к границе возможного. Потом цена барреля выросла, конкуренция ужесточилась, и Cost Index у большинства перевозчиков сместился в сторону экономии.

Concorde проверил это на практике

Concorde и советский Ту-144 вышли на сверхзвук в начале 1970-х. Из Парижа в Нью-Йорк Concorde долетал за три часа сорок пять минут против почти восьми у обычного Boeing 747. Салон вмещал около сотни пассажиров, расход топлива на одного пассажира в разы превышал показатели дозвуковых лайнеров, а билет стоил порядка десяти тысяч долларов и оставался доступен узкому кругу.

К экономике добавились ограничения другого рода. Ударная волна доходила до земли звуковым ударом, и большинство стран запретило полёты на сверхзвуке над сушей, оставив Concorde только трансатлантические маршруты. После катастрофы под Парижем в 2000 году баки защитили кевларовыми вкладышами и вернули самолёт на линии, но пассажиропоток уже не восстановился. В 2003 году Air France и British Airways синхронно прекратили полёты, и с тех пор регулярных сверхзвуковых рейсов в гражданской авиации нет.

Экономят не в воздухе

Пока пассажиры считают часы полёта, авиакомпании считают минуты на земле. Себестоимость рейса складывается не только из керосина, но и из времени у гейта, очереди на исполнительный старт и маршрута, который диспетчер спрямил или, наоборот, удлинил. Сократить оборот в аэропорту на десять минут выгоднее, чем отыграть те же десять минут в воздухе: стоянка лишнего топлива не сжигает, а повышенная скорость сжигает всегда.

Поэтому шестьдесят лет отрасль вкладывалась не в скорость, а в стоимость кресла-километра: в двигатели с высокой степенью двухконтурности, в композитные материалы, в маршруты, точнее использующие попутный ветер.

За эти же шестьдесят лет скорость перестала быть тем, что покупает пассажир. В рекламе пятидесятых её выносили на плакаты, сегодня в поиске билета её нет вовсе: человек сравнивает цену, время вылета и число пересадок. Авиакомпания продаёт не быстроту, а предсказуемое время прилёта, а его надёжнее добирать оборотом в аэропорту, чем лишними десятыми числа Маха. Именно поэтому 850–900 километров в час держатся с конца пятидесятых и продержатся дальше.