Реактивная эпоха: как Ту-104 изменил пассажирские перевозки

15 сентября 1956 г. реактивный Ту-104 совершил первый регулярный рейс из Москвы в Иркутск с промежуточной посадкой в Омске общей протяженностью более 4500 км, а уже через месяц выполнил первый международный полет в Прагу. Благодаря этому лайнеру СССР на протяжении двух лет оставался единственной страной, где на пассажирских линиях применялись реактивные самолеты.

Окно возможностей

Ту-104 не был первым в мире реактивным пассажирским самолетом. 2 мая 1952 г. британский Comet фирмы De Havilland выполнил дебютный рейс из лондонского Хитроу в южноафриканский Йоханнесбург с 36 пассажирами на борту. Реактивная «Комета» могла лететь на высоте до 12 000 м, а ее крейсерская скорость составляла около 720 км/ч. Дальность путешествия при полной загрузке составляла порядка 2 400 км, что требовало промежуточных посадок на дальних маршрутах.

Еще в конце 1945 г. специальный комитет при кабинете министров Великобритании, разработавший стратегию развития коммерческой авиации в послевоенное время, заключил контракт на разработку и производство данного реактивного самолета, а уже в июле 1949 г. первый прототип поднялся в воздух. Летные испытания заняли почти три года. В январе 1951 г. самолет получил сертификат типа – первый в мире для реактивного пассажирского лайнера. Однако после ряда катастроф, случившихся прямо в воздухе, в 1954 г. он был отозван, и «Кометы» временно прекратили полеты.

Несмотря на огромный опыт, полученный британской школой самолетостроения в воздушных боях Второй мировой, а также мощное двигателестроение, главную роль здесь сыграли ошибки в оценках прочности и надежности конструкции. При расследовании катастроф были выявлены факты концентрации напряжения в угловых зонах прямоугольных иллюминаторов пассажирского салона, а также микротрещины на отверстиях заклепок, полученных штамповкой вместо традиционного высверливания.

После этих аварий в обязательную практику самолетостроения вошли ресурсные испытания натурных образцов многократной циклической нагрузкой вплоть до разрушения. Также были введены методики периодических инспекций, включая рентгенографию и ультразвуковую дефектоскопию с интервалами, рассчитанными на основе скорости роста трещин. Этот подход остается основой современных программ испытаний и технического обслуживания авиалайнеров.

Компоновочные решения «Кометы» визуально были очень красивы. Самолет имел низкорасположенное крыло большого удлинения с четырьмя турбореактивными двигателями, размещенными попарно в корневой части его консолей у фюзеляжа. Гондолы двигателей были интегрированы с конструкцией крыла, а сами моторы проходили сквозь него почти по хорде с небольшим смещением. Фюзеляж поразительно напоминал очертания современных авиалайнеров, при этом хвостовое оперение казалось совсем небольшим. Конструкторы уделили огромное значение зализам и переходам, добиваясь аэродинамического и эстетического совершенства. Тем не менее близко посаженные друг к другу и фюзеляжу двигатели оказались смертельно опасны.

De Havilland продолжила работу над авиалайнером. Глубоко переработанная версия самолета с усиленным фюзеляжем, овальными иллюминаторами, а также более мощными двигателями – Comet 4 – вышла на линии в октябре 1958 г., всего на три недели опередив американский Boeing 707. Но пока западные гиганты решали конструктивные проблемы, в образовавшееся четырехлетнее «окно возможностей» решил войти советский авиапром со своим Ту-104. 

Военным путем

Постановление Совета министров СССР о проектировании и запуске в серийное производство реактивного пассажирского самолета вышло 11 июня 1954 г., хотя работы фактически начались гораздо раньше. 27 апреля 1952 г. в воздух был поднят первый советский турбореактивный бомбардировщик Ту-16 со стреловидным крылом и «интегральной» компоновкой двух двигателей (по одному с каждой стороны) в корневых частях консолей рядом с фюзеляжем. Боевая машина была призвана решить вопрос доставки ядерного оружия на средних радиусах действия.

Параллельно конструкторы Туполева разработали документацию на самолет с громоздким обозначением Ту-2АМ-3-200, который был почти полным пассажирским аналогом Ту-16, но, в отличии от него, являлся низкопланом – крыло располагалось ниже фюзеляжа, что не мешало пассажирскому и коммерческому пространству внутри. Он же и стал Ту-104, который поднялся в воздух всего через год после постановления – 17 июня 1955 г.

С 18 по 27 апреля 1956 г. проходил официальный визит первого секретаря ЦК КПСС Никиты Хрущева и председателя Совета министров Николая Булганина в Великобританию. Новейший гражданский лайнер использовался для доставки в Лондон правительственной переписки, дипломатической почты и сотрудников. Эффект от демонстрации нового самолета превысил все ожидания, хотя восторг британцев традиционно смешался со скепсисом. Чтобы развеять сомнения, на острова пригнали еще два имеющихся борта Ту-104.

Непростой характер

Самолет отличало стреловидное низкорасположенное крыло с двумя турбореактивными двигателями АМ-3 рядом с фюзеляжем и двумя гондолами для шасси чуть дальше по размаху. Если смотреть спереди, видно, что каждая консоль не строго горизонтальна, а слегка опущена вниз от корневых частей к законцовкам – это называют отрицательным поперечным V крыла. Исходно самолет вмещал 50 человек но в последующих модификациях число пассажиров выросло до 70 и 100.

Крейсерская скорость находилась в пределах 750–800 км/ч на высотах 10 000 – 12 000 м. Дальность полета зависела от коммерческой нагрузки, но в среднем составляла порядка 2500 км. Пассажирские салоны отличал повышенный уровень комфорта, особенно в первых модификациях с малым числом пассажиров.

Из-за высокой скорости самолету требовались удлиненные взлетно-посадочные полосы, а сам лайнер вынужден был использовать для торможения парашюты. Кроме того, ранние реактивные самолеты, включая Ту-104, не имели современных систем защиты от падения скорости. Их двигатели набирали обороты слишком медленно, и если пилоты допускали быстрое снижение и падение скорости, то экстренно добавить газу и выровнять тяжелый самолет было просто невозможно. Из-за большой массы внутренних роторов требовалось 10-12 секунд, чтобы выдать тягу. На поршневых двигателях мотор реагировал за 1-3 секунды.

В результате пилоты Ту-104 выполняли ступенчатое снижение, сильно выпадая из глиссады. Рекомендованная скорость приземления не более 250 км/ч фактически никогда не соблюдалась, а иногда самолеты сажали и вовсе на скоростях до 300 км/ч. На пустом самолете проявлялся эффект экранирования, когда на малом газу он продолжал лететь над посадочной полосой, не снижаясь или подпрыгивая на стойках шасси, то есть «козлил» при касании.

Проблемы посадки и взлета были решены только в последующих поколениях авиалайнеров при комплексной механизации крыла, давшей возможность увеличивать подъемную силу за счет изменений кривизны общего профиля предкрылками и закрылками, а также уменьшать ее, используя щитки для местного срыва потока и рост лобового сопротивления. Не последнюю роль сыграла разработка авиадвигателей с реверсом тяги. 

При эксплуатации Ту-104 пилоты также столкнулись с проблемой устойчивости. Иногда самолет начинало весьма характерно раскачивать: он поочередно кренился с крыла на крыло и одновременно рыскал по курсу из стороны в сторону, совершая «голландский шаг». На современных лайнерах эта проблема решается внедрением автоматических систем демпфирования рыскания и увеличением площади килей как стабилизаторов путевой устойчивости (они огромны). На Ту-104 приходилось уповать на мастерство пилотов, которые гасили колебания, действуя в противофазе. При этом летчики управляли тяжелым многотонным лайнером исключительно за счет собственной мускульной силы, передаваемой на рули через систему тросов, тяг и качалок. 

Наконец, из-за отсутствия бустерной системы и особенностей аэродинамики Ту-104 был склонен к так называемому подхвату – самопроизвольному резкому задиранию носа. На больших углах атаки шарнирные моменты на рулях возрастали настолько, что пилотам буквально не хватало физических сил продавить штурвал «от себя» и вернуть самолет в горизонтальное положение. Несколько катастроф Ту-104 были связаны именно с «подхватом». Происходил срыв потока на консолях крыла, что приводило к быстрому крену, переворачивающему самолет. Лайнер сваливался в штопор, выйти из которого практически невозможно.

На Ту-104 отсутствовали бортовые самописцы, поэтому проблему «подхвата» обнаружили только при прослушивании записи радиообмена, который до самой последней секунды вел командир терпящего крушение лайнера: «Машину подбросило… не могу справиться с управлением… не хватает угла стабилизатора…». 

Чтобы победить «подхват», приняли экстренный комплекс радикальных мер. Углы отклонения руля высоты Ту-104 увеличили, существенно изменили его конструкцию и переработали стабилизатор. Эксплуатационную центровку сдвинули вперед. Это усложнило управление на посадке, но снизило склонность к самопроизвольному поднятию носовой части. Максимальную высоту полета принудительно снизили с опасных 11 000 – 12 000 м до 9 000 – 10 000 м, а также ввели ограничения на погодные условия.

Моральная старость

Упоминание реактивного Ту-104 встречается в стихотворении Андрея Вознесенского «Репортаж с открытия ГЭС» (1956). Самолет стал для поэта символом новой технической эпохи и стремительного прогресса «оттепели». «Мы – противники тусклого. Мы приучены к шири – самовара ли русского или Ту-104», – восторженно восклицал он. 

Однако серийное производство самолета завершили уже в 1960 г. – всего через пять лет с момента начала. В СССР и остальных странах началась разработка реактивных лайнеров второго поколения с более экономичными двигателями, поэтому Ту-104 уже успел морально устареть. Всего было выпущено более 200 машин. Списание самолетов по выработке ресурса началось в 1972 г. при налете некоторых бортов вдвое больше назначенного. Вывод Ту-104 из парка «Аэрофлота» стартовал в 1977 г. В последний раз самолет этого типа поднялся в воздух 1 ноября 1986 г. 

За время эксплуатации реактивные лайнеры Ту-104 перевезли порядка 100 млн пассажиров. При этом в результате катастроф и серьезных аварий было потеряно более 35 бортов, погибли более 1100 человек.

Топливная философия

Мировая и отечественная гражданская авиация движется в сторону топливной эффективности авиалайнеров. Если выразить удельный расход как среднюю массу сжигаемого керосина на 1 км полета в пересчете на одного пассажира, то для первых реактивных Ту-104 и «Кометы» она составляет больше 100 г на пассажирокилометр за счет использования прожорливых одноконтурных турбореактивных двигателей (ТРД) и расточительности в использовании коммерчески пригодного пространства фюзеляжа.

Повысив вместимость, инженеры снизили удельный расход ТУ-14Б и «Кометы-4» до 70-75 г на пассажирокилометр. Вступивший в игру в 1958 г. Boeing 707-120 со своими одноконтурными ТРД и 174 пассажирами показал расход 55 г, а уже через год Boeing 707-320 с другими одноконтурными ТРД и 189 пассажирами достиг расхода в 50 г на пассажирокилометр.

Совершенствование двигателей на пилонах базовой модели дало поразительный результат. Ничто не помешало навешивать на Boeing уже двухконтурные двигатели (ТРДД) большего габарита, поэтому в 1960 г. модель 707-420 с тем же количеством пассажиров получил удельный расход 45 г. А на лайнере Boeing 707-320В/320С в 1961 г. – всего 40 г керосина.

В 1968 и 1969 гг. на рынок вышли безусловные технические инноваторы – сверхзвуковые пассажирские авиалайнеры Ту-144 и «Конкорд» с треугольным крылом и условно «интегральной» схемой расположения форсированных реактивных двигателей. Однако они показали почти двукратное превышение уровня расхода топлива на пассажирокилометр по сравнению с летавшими тогда реактивными лайнерами. Топливная неэффективность – главная причина остановки дальнейшего развития этого только наметившегося тренда на использование сверхзвукового крейсерского полета в гражданских пассажироперевозках. 

С середины 60-х и до начала 70-х в игру вступили отечественные авиалайнеры с расположением ТРДД в хвостовой части и характерным Т-образным хвостовым оперением. Ту-134, Як-40 и даже Ил-62, несмотря на разную пассажировместимось, держали планку топливной эффективности в пределах 40-45 г керосина на пассажирокилометр, явно запаздывая в гонке за западным самолетостроителям. Только в 1980 г. на Ил-86 была использована схема четырехмоторного широкофюзеляжного авиалайнера с ТРДД не очень высокой двухконтурности на пилонах, разнесенных по крылу, которая стала классической, показывая топливную эффективность в 35 г на пассажирокилометр.

К тому времени классическая пилонная схема размещения авиадвигателей повышенной и сверхвысокой двухконтурности полностью завоевала мир больших авиалайнеров. В 1980-х широкофюзеляжные самолеты Boeing и Airbus показывали чуть более 20 г на пассажирокилометр. В 1990-е иностранные самолеты снизили энергозатраты до 16-18 г, а с начала XXI в. этот показатель упал ниже 15 г – и продолжает снижаться. Пассажирские самолеты (кроме, пожалуй, малой авиации) компоновочно очень схожи, различаясь лишь размерами, количеством огромных двигателей-бочонков на пилонах под крылом да формой винглетов на его законцовках.

А что с безопасностью? Если в 1960-е пассажиропоток рос со 100 млн до 300 млн человек в год, в начале XXI в. он достиг 2 млрд, то сейчас уверенно движется к превышению отметки в 10 млрд. Логично предположить, что смертность пассажиров при авариях тоже должна расти, однако она падает даже в абсолютных показателях, не говоря уже об относительных. Если в 1960-е на 10 млн пассажиров гибло в среднем 75 человек, то сейчас – менее одного.