Дребезжание корпуса: возможно ли сделать самолеты тихими и экологичными
В феврале 2025 года в США состоялся первый с 2003 года сверхзвуковой тренировочный полет гражданского самолета. Лайнер способен развивать скорость 2100 км/ч, тогда как средний показатель пассажирского самолета — около 800 км/ч. Однако сразу после удачного теста оживилась дискуссия об экологичности столь мощных и шумных машин, а заодно о том, когда же и дозвуковые модели перестанут загрязнять природу.
Сейчас на долю авиации приходится 2,5% глобальных выбросов парниковых газов — то есть самолеты оказывают значительное влияние на климат. Чтобы исправить ситуацию, требования всемирных регуляторов, например Международной организации гражданской авиации (ИКАО), становятся строже в экологической сфере.
Так, в октябре 2022 года государства — члены ИКАО, в том числе Россия, — приняли долгосрочную цель: снизить выбросы СО2 от авиации до нуля к 2050 году. Кроме того, к 2027 году до 90% международных авиарейсов должны выполняться с использованием экологичного авиатоплива, а авиакомпании будут выплачивать компенсации за эмиссию углеводородов.
С точки зрения специалистов ЦИАМ, которые участвуют в разработке международных нормативных документов по экологизации авиатранспорта, сейчас требования по сокращению выбросов намного опережают реальное развитие технологий в самолетостроении. Однако это один из важных векторов работы в отрасли.
Когда двигатели самолетов перестанут выбрасывать CO2
Во многом проблемы экологичности гражданской авиации связаны с маршевыми двигателями (основной двигатель летательного аппарата. — Forbes): они являются главными источниками эмиссии вредных веществ.
Ученые пытаются сделать более экологичными силовые установки агрегатов — турбины. В частности, разрабатываются гибридные системы, в которых обычный механизм снабжают электродвигателем или создаются полностью электрические силовые установки. Работа таких агрегатов сопровождается меньшим выбросом загрязняющих веществ, чем функционирование традиционных газовых турбин. Пока в рамках научно-исследовательских работ доступны только демонстрационные технологии, главная задача которых — показать возможность создания подобных изделий. То есть надо понимать, что это не опытный или серийный образец, который реально будет летать.
Еще один способ снизить загрязнение — перейти на более экологичное топливо. В настоящее время специалисты бьются над внедрением двух альтернатив традиционному авиационному топливу: Sustainable Aviation Fuel (SAF) и Low Carbon Aviation Fuel (LCAF). SAF производится из экологически чистого сырья, в том числе пищевых отходов, которое по своему химическому составу очень похоже на традиционное ископаемое авиационное топливо. Главная проблема его применения — цена: в среднем она пока в 2-10 раз выше. По оценкам экспертов, авиаперелет на SAF пока обходится на 20% дороже полета на обычном керосине.
Следующая сложность — ограниченное предложение SAF в мире из-за недостатка источников сырья. По оценкам Международной ассоциации эксплуатантов воздушного транспорта IATA, для достижения углеродной нейтральности международных авиаперевозок к 2050 году потребуется производство свыше 450 млрд литров SAF в год. В настоящее время реальный объем SAF крайне мал, а перспективы расширения его производства плохо прогнозируются.
Следует также учитывать, что стандартное авиационное топливо в разных странах отличается. По стандартам США, которые приняты в мире в качестве международных, допустимые пропорции смешивания обычного топлива с SAF рассчитаны лишь для американского авиационного топлива Jet A-1. Однако в Австралии, Бразилии, Великобритании, Испании, Канаде, Китае, России, Франции, Швеции и Японии действуют национальные стандарты топлива. Необходимо прийти к единому международному стандарту.
Российский путь
В России масштабное производство такого топлива пока в достаточно далекой перспективе. Для нашей страны можно говорить о возможности применения нефтяного авиационного топлива с более низким углеродным следом, то есть LCAF. Оно вырабатывается на основе ископаемых углеводородов, таких как нефть и каменный уголь.
Снижение выбросов СО2 у LCAF достигается за счет уменьшения эмиссии парниковых газов на этапах жизненного цикла обычного топлива: от добычи, транспортировки нефти, производства до сжигания керосина в полете. Грубо говоря, создатель LCAF делает производство традиционного керосина максимально экологичным. Этот вид топлива выгоден для стран, обладающих ресурсами легкодоступной нефти: проще сделать чистое производство, чем переходить на другой энергоноситель. LCAF не требует создания специальной инфраструктуры, что опять же экономит ресурсы.
Применение LCAF в России помогло бы совершить переход гражданской авиации на более чистые источники энергии плавным и устойчивым путем. Его использование в гражданской авиации может быть организовано за 7-10 лет в объемах, достаточных для удовлетворения растущих потребностей авиаперевозчиков.
Применение водорода в самолетостроении
Отдельное направление исследований — применение водорода в качестве топлива. И здесь рассматриваются два варианта. Первый — водород как источник питания для топливных элементов — устройств, которые преобразуют химическую энергию водорода в электричество без горения. В такой силовой установке единственным продуктом работы становится водяной пар. Но есть недостаток — большая масса системы.
Поэтому для магистральных самолетов возможен второй вариант — перевод газотурбинных двигателей на водород. Но в этом случае все-таки происходит сгорание, что, к сожалению, приводит к выбросам такого загрязняющего вещества, как оксид азота.
Однако ключевая проблема применения водорода — не создание серийного двигателя, а инфраструктура: придется заново строить терминалы, системы заправки и хранения. Таким образом, пока говорить о том, что авиация в ближайшей перспективе полностью откажется от газотурбинных двигателей и станет целиком зеленой, не приходится: слишком много технических нюансов нужно решить.
Могут ли самолеты стать тише
Точка особого контроля ИКАО — экологическая обстановка в районе аэропортов, зоны воздействия шума при взлете и посадке самолетов. Надо сказать, что успехи авиаконструкторов уже значительны: современные лайнеры на 75% тише, чем самолеты 1960-х годов.
Однако к 2035-2037 годам, скорее всего, стандарты потребуют еще большего снижения шума, но специалисты в отрасли отмечают, что возможности уменьшения акустического воздействия практически исчерпаны. За последние 10 лет список технологий сокращения шума вентиляторов мало изменился. Основные усилия направлены на внедрение звукопоглощающих конструкций в различных частях двигателя.
У современных крупногабаритных самолетов при заходе на посадку дребезжание корпуса, в основном шасси, является главным источником шума. Для того чтобы снижать это акустическое воздействие, требуются изменения в компоновке самолетов, то есть возникает еще более сложная задача для конструкторов. Сейчас специалисты разрабатывают технологические решения по уменьшению шума на выходном устройстве самолета, вентиляторе, в камерах сгорания топлива.
Как повлияют на выбросы и экологию суперскоростные сверхзвуковые полеты
Когда в 1968 году состоялся первый полет отечественного сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144, от ударной волны при взлете машины в окнах близлежащих домов тряслись стекла. С тех пор лайнеры стали тише, но перед разработчиками по-прежнему стоит задача снизить интенсивность звукового удара. Звуковой удар, или ударная волна, — это громкий хлопок или двойной взрыв, который возникает, когда самолет преодолевает скорость звука, то есть на высоте 11 км летит быстрее чем 1235 км/ч.
В современных условиях при разработке силовой установки для подобного лайнера ищут рациональные технические решения, которые крайне важны для обеспечения летно-технических и экологических требований, а также коммерческого успеха сверхзвуковых джетов. Причем конструкторам предстоит поторопиться: ИКАО намерена в ближайшее время предъявить требования по шуму и выбросам CO₂ к таким самолетам, аналогичные предписаниям для дозвуковых лайнеров. Через 5-10 лет сверхзвук и дозвук должны быть одинаково экологичны.
В результате видна тенденция к уменьшению размеров и крейсерской скорости полета новых проектов сверхзвуковых самолетов по сравнению с Ту-144 и Concorde. Конструкторы также сосредоточены на разработке различных компоновок двигателей, силовых установок с планером, сложных форм воздухозаборника и реактивного сопла. Потребность в подобных машинах невелика: по экспертным оценкам, около 100–150 машин в мире.
В целом сверхзвуковые самолеты — это наукоемкая ниша, коммерческие перспективы которой пока не столь очевидны, ведь проекты находятся на этапе научно-исследовательских работ. Их результаты станут заделом для создания более совершенных высокоскоростных летательных аппаратов с улучшенными экологическими показателями.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора