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 и летали на похожих числах Маха. За шестьдесят с лишним лет двигатели стали в разы экономичнее и мощнее, крылья полегчали и обзавелись новыми профилями, а крейсерская скорость гражданской авиации фактически застыла на месте.

Ответ распадается на два независимых ограничения. Одно физическое: при приближении к скорости звука воздух вокруг крыла начинает вести себя иначе, и после определённой отметки каждый лишний узел скорости обходится непропорционально дорого по топливу. Другое экономическое: даже там, где запас физики ещё есть, авиакомпании сознательно им не пользуются, потому что керосин стоит дороже сэкономленных минут пассажира.

Где заканчивается физика

Самолёт, летящий на 0,85 Маха, ещё не приближается к звуковому барьеру в обычном смысле: до скорости звука остаётся пятнадцать процентов запаса. Но поток воздуха над выпуклой верхней поверхностью крыла разгоняется сильнее набегающего потока, потому что ему приходится огибать более длинный путь за то же время. Уже при скорости самого самолёта в 0,8 Маха локальный поток над крылом местами превышает скорость звука, хотя лайнер в целом всё ещё летит дозвуково.

Скорость, при которой это начинает происходить, называется критическим числом Маха — порог, после которого на крыле впервые появляется сверхзвуковая зона потока. Дальше начинается механизм, из-за которого разница вообще имеет значение: сверхзвуковой участок обрывается скачком уплотнения, резкой ударной волной, на которой давление и скорость меняются почти мгновенно. На этом скачке рождается волновое сопротивление, и растёт оно значительно круче самой скорости, а при приближении числа Маха к единице уходит почти в вертикаль.

Для типичного узкофюзеляжного крыла эта отметка приходится примерно на 0,8–0,85 Маха. Чтобы протолкнуть самолёт дальше в эту зону, двигателям нужно не на проценты, а в разы больше тяги, и топливо начинает расходоваться настолько быстро, что выигрыш во времени перестаёт стоить своей цены. Конструкторы отодвигают эту границу двумя способами: стреловидностью крыла, которая снижает эффективную скорость обтекания за счёт геометрии, и суперкритическим профилем — формой крыла с уплощённой верхней поверхностью, которая сглаживает разгон потока и переносит скачок уплотнения дальше по хорде. На Boeing 787 суперкритический профиль вместе с современной стреловидностью позволяет держать 0,85 Маха без резкого роста сопротивления, но полностью убрать волновой барьер эти решения не могут: они лишь отодвигают стену, а не сносят её.

Двигатели держат этот коридор осознанно

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, но тем хуже он ведёт себя на скоростях, близких к волновому кризису: широкий вентилятор создаёт заметное сопротивление именно там, где обтекающий его воздух уже приближается к местной сверхзвуковой зоне. У современных лайнеров степень двухконтурности достигает десяти и выше, и это осознанный выбор в пользу экономичности на скорости 0,78–0,85 Маха, встроенный в саму архитектуру мотора.

У Concorde и советского Ту-144 логика была обратной: низкая степень двухконтурности, почти чистая реактивная струя, которая работает эффективно на сверхзвуке и прожорлива на дозвуковых скоростях разгона и захода на посадку. Построить сегодняшний широкофюзеляжный лайнер с такими двигателями означало бы вернуть ту же экономику, которая уже подвела Concorde полвека назад: моторы, заточенные под скорость, не умеют одновременно оставаться экономичными на привычных высотах и маршрутах.

Cost Index: экономика решает, где остановиться

Даже до физического предела скорости у авиакомпаний есть запас, и почти никто им не пользуется в полной мере. Причина — расчёт, встроенный прямо в систему управления полётом. Перед вылетом в компьютер вводится число под названием Cost Index — отношение стоимости лётного часа к стоимости единицы топлива. Чем выше это число, тем быстрее бортовой компьютер рекомендует лететь, жертвуя керосином ради времени, а чем ниже — тем экономичнее и медленнее проходит рейс.

Для дальнемагистрального Boeing 777 разумным считается Cost Index в районе 30: рост скорости на один процент увеличивает расход топлива примерно на треть процента. На коротком рейсе разница едва заметна, но на транстихоокеанском перелёте лишние проценты скорости превращаются в сотни лишних килограммов керосина. В шестидесятые, когда топливо стоило копейки по сравнению с сегодняшними ценами, а скорость считалась символом прогресса, авиакомпании охотно летали ближе к границе возможного. С тех пор цена барреля выросла в разы, конкуренция ужесточилась, и Cost Index у большинства перевозчиков сдвинулся в сторону экономии.

Конкорд проверил это на практике

Если физика позволяла лететь быстрее, а экономика этого не хотела, вопрос решили проверить буквально. Concorde и советский Ту-144 вышли на сверхзвук в начале 1970-х и долетали из Парижа в Нью-Йорк за три часа сорок пять минут против почти восьми часов у обычного Boeing 747. Салон Concorde вмещал около сотни пассажиров, расход топлива на одного пассажира в разы превышал показатели дозвуковых лайнеров того же периода, и билет стоил порядка десяти тысяч долларов, оставаясь доступным только бизнесменам и знаменитостям.

К экономике добавились и физические ограничения другого рода: ударная волна от сверхзвукового полёта достигала земли в виде звукового удара, и большинство стран запретило Concorde лететь над сушей на сверхзвуковой скорости, оставив ему только трансатлантические маршруты. После катастрофы под Парижем в 2000 году самолёт укрепили кевларом и сократили число мест до девяноста двух, что окончательно подорвало и без того хрупкую экономику рейса. К 2003 году на фоне растущих цен на топливо Air France и British Airways синхронно остановили полёты. Сверхзвук оказался решаемой инженерной задачей и одновременно нерешаемой экономической: даже избранная аудитория, готовая платить за скорость, не могла компенсировать разницу в расходе топлива.

Экономят не в воздухе

Пока пассажиры считают часы полёта, для авиакомпаний куда важнее минуты на земле. Себестоимость рейса складывается не только из керосина в воздухе, но из времени, которое борт простаивает у гейта, из очереди на взлётной полосе, из маршрута, срезанного или, наоборот, удлинённого диспетчером. Сократить оборот самолёта в аэропорту на десять минут часто выгоднее, чем разогнать его в воздухе на те же десять минут, потому что стоянка не создаёт добавочного расхода топлива, а лишняя скорость создаёт всегда.

Поэтому индустрия шестьдесят лет вкладывалась в то, что действительно снижает стоимость кресла-километра: в двигатели с более высокой степенью двухконтурности, в композитные материалы, облегчающие планер, в маршруты, точнее использующие попутный ветер. Волновой кризис ограничивает скорость сверху, Cost Index — снизу, и между этими двумя стенками гражданская авиация живёт в коридоре 850–900 километров в час с конца пятидесятых годов. Это не отставание инженерной мысли — это точка, в которой физика и бухгалтерия сошлись в одном и том же числе.