Диетический авиалайнер

Полтора года понадобилось четырем высококлассным командам исследователей, чтобы обрисовать облик авиалайнера 7-го поколения. Свое видение самолета 2030-х годов представили Boeing, Northrop Grumman, General Electric и Массачусетский технологический институт (MIT).

Самые современные самолеты наших дней, такие как Airbus A380 или Boeing 777, принято относить к четвертому поколению. Требования, сформулированные NASA для самолетов поколения N+3, на первый взгляд кажутся невыполнимыми. Уровень шума должен быть снижен на 71 дБ. Это означает, что услышать двигатели лайнера на земле можно будет только в пределах аэропорта. Выброс оксида азота должен уменьшиться на 75%, потребление топлива (а вместе с тем и стоимость авиаперевозок) – на 70%. Кроме того, NASA предлагает пересмотреть маршруты и инфраструктуру перелетов, чтобы как можно меньше пассажиров путешествовали через пересадочные пункты, тем самым увеличивая расстояние перелета, иногда до двух раз.

Текст: Сергей Апресов

Каждый проект начинался с исследования спроса, основанного на сложившихся экономических тенденциях наших дней. В результате три компании из четырех сосредоточили свои усилия на разработке среднемагистрального лайнера пассажировместимостью не более 180 человек, аналоге современного Boeing 737. Лишь специалисты General Electric сделали ставку на 20-местный самолет-такси.
В свете столь жестких требований тем более удивителен следующий факт: концептуальные самолеты, которые исследователи признали наиболее перспективными, имеют классическую компоновку и внешне мало отличаются от нынешних лайнеров. Однако это лишь обманчивое первое впечатление. На борту самолета N+3 вы встретите электрические и гибридные двигатели, металл с памятью формы, самовосстанавливающееся покрытие фюзеляжа, керамические композиты и карбоновые нанотрубки, складные крылья и окна виртуальной реальности.

Аэродинамическое сопротивление - главный враг экономичности и экологической чистоты в авиации. Тем не менее вот уже более полувека планер пассажирского лайнера практически не меняется. Вот и сейчас даже самые радикальные футуристы Boeing и MIT представили по два концепта самолета N+3, один из которых имеет классическую компоновку. Другой же представляет собой вариацию на тему "летающего крыла" - HWB (Hybrid Wing Body).

Boeing SUGAR Volt представляет собой самолет классической компоновки с цилиндрическим фюзеляжем. Преимущество классического фюзеляжа - небольшая площадь лобового сечения и, как следствие, минимальное аэродинамическое сопротивление. Особенность планера Volt - крыло большого удлинения. Его размах составляет 61 м против 29 м у референсного Boeing 737-400, в то же время крыло Volt заметно уже. Не секрет, что крыло большего удлинения дает значительное увеличение аэродинамического качества: при той же площади воздух проходит меньший путь в соприкосновении с крылом, в результате чего заветное отношение подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению растет.

Конструктивные недостатки специалисты Boeing устранили, подперев высокое крыло дополнительными опорами, которые соединяют середины консолей с нижней частью фюзеляжа. В расчете учтено и то, что крыло будет сделано из карбона, а не из алюминия, а значит, будет значительно легче.
Инфраструктурные проблемы решили, сделав крыло складным. Установленные по центру консолей шарниры позволяют Volt не занимать много места в ангарах и на рулежных дорожках. Лайнер расправляет крылья на полосе, непосредственно перед взлетом

ОБТЕКАЕМЫЙ БЕГЕМОТ

Второе важнейшее заклинание специалистов по аэродинамике - ламинарное обтекание. В идеале воздух должен плавно и безотрывно огибать поверхности крыла и фюзеляжа лайнера. Это и есть ламинарный поток. В действительности же воздушные потоки отрываются от поверхности, образуя завихрения, на создание которых расходуется энергия. Поверхностная турбулентность - важная составная часть аэродинамического сопротивления.

Именно борьбе за ламинарное обтекание мы обязаны появлением таких бегемотоподобных монстров, как Boeing SUGAR Ray и MIT Н. Компоновка HWB, или "летающее крыло", позволяет реализовать принцип отсоса пограничного слоя. Двигатели, расположенные в задней части широкого фюзеляжа, всасывают воздух и создают на поверхности корпуса разрежение. Оно притягивает воздушный поток, не дает ему срываться. В результате при колоссальной площади лобового сечения HWB сопоставим по аэродинамическому сопротивлению с самолетами классической компоновки.

Важнейшее преимущество схемы HWB - низкий уровень шума. Фюзеляж в буквальном смысле преграждает звуку двигателей путь к земле. Еще один мощный плюс - экономия времени при посадке и высадке пассажиров: в широком салоне может быть до пяти проходов между сидениями вместо одного в классическом лайнере.

Выбор схемы HWB с отсосом пограничного слоя оказывает негативное влияние на эффективность работы двигателей. Интенсивность всасывания силовых установок ограничена нуждами ламинарного обтекания: если скорость потока слишком высока, то вместо разрежения он создаст собственную турбулентность. Значит, мощность двигателей изначально ограничена.
Кроме того, для равномерного отсоса пограничного слоя необходима широкая зона всасывания. Чтобы создать ее, приходится распределять несколько двигателей по всей ширине корпуса, увеличивая массу и усложняя силовую установку.

Вызов динозаврам
Рецепт максимизации прибыли авиакомпаний наших дней заключается в стремлении посадить в самолет как можно больше пассажиров. Чем больше людей разделят между собой стоимость полета, тем дешевле им достанутся билеты. И не важно, что по пути они сделают несколько пересадок и пролетят гораздо большее расстояние, чем изначально требовалось. Специалисты General Electric убеждены, что, если небольшие самолеты будут не спеша возить людей из пункта "А" в пункт "Б" по прямой, это даст такую экономию времени и топлива, что каждый пассажир сможет с легкостью позволить себе комфортабельное аэротакси. Концепция СЕ - это крохотный 20-местный лайнер и сложнейший софт, координирующий индивидуальные и оптимальные маршруты.

Интересный компромисс между классической компоновкой и HWB представляет концепт MIT D. Его изюминка - фюзеляж типа "двойной пузырь" (double bubble), который в высоту соответствует Boeing 737, а в ширину вдвое превосходит его. Широкий корпус участвует в создании подъемной силы, а заднее расположение двигателей, как на HWB, обеспечивает отсос пограничного слоя и защиту от шума. При этом самолет имеет складное крыло большого удлинения, как у Boeing SUGAR Volt.

ФАРФОРОВЫЙ МОТОР

Развитие авиационных двигателей в ближайшие годы будет связано прежде всего с применением новых высокотехнологичных материалов. Большие надежды авиастроители возлагают на текущие исследования композитов с керамической матрицей (CMC). Этот материал, вдвое более легкий, чем титан, способен противостоять температурам свыше 1200°С.

Компрессор, изготовленный из CMC, позволит увеличить степень сжатия до 60. Сегодня степень сжатия (чуть более ВО) ограничена термостойкостью металла, из которого изготавливаются лопатки компрессора, - ведь при сжатии воздух нагревается. Увеличение степени сжатия означает, что при прежней мощности двигатель можно будет сделать более компактным, легким и эффективным. Из CMC предполагается делать и многорежимные камеры сгорания. Фактически в двигателе будет две камеры с собственным комплектом форсунок - отдельно для режима максимальной мощности (взлет) и экономичного полета.
Все исследовательские команды рекомендовали использовать на пассажирских лайнерах сопла с изменяемой геометрией, как на военных самолетах. MIT даже снабдил свой концепт Н двигателями с изменяемым вектором тяги. Northrop Grumman предлагает использовать в конструкции сопел металл с памятью формы. Лепестки, окружающие сопло, открываются или закрываются, ориентируясь на температуру реактивной струи. Известно, что шум двигателя пропорционален квадрату диаметра сопла.

Важнейшая тенденция в двигателестроении последних лет - увеличение степени двухконтурности (подробнее об этом читайте в мартовском номере "ПМ"). Чтобы прогонять больше воздуха в обход компрессора и камеры сгорания, конструкторы будут увеличивать диаметр вентилятора. Вентилятор с лопатками из карбона легче, чем металлический. Особая саблевидная форма лопаток позволит снизить шум, связанный с приближением законцовок лопастей к звуковому барьеру. В результате степень двухконтурности двигателей 7-го поколения обещает превысить 13 при нынешней 5,5.
 

ВОДОРОДНЫЙ ГИБРИД

Особый подход к повышению степени двухконтурности исповедует MIT. Исследователи Массачусетского технологического сконцентрировались не на увеличении диаметра вентилятора, а на уменьшении размеров контура высокого давления. И высокая степень сжатия им в этом отлично помогла. Инженеры Boeing в проекте SUGAR Volt не постеснялись использовать вентилятор диаметром 2,26 м. Степень двухконтурности при этом составила 18. Дополнительную мощность для вращения чудовищного ротора дает электромотор. Самолет, оснащенный гибридным двигателем hFan, заправляется керосином и батарейными блоками. Таким образом исследователи решили уложиться в заданные NASA нормы по топливной экономичности и вредным выбросам.
Разработчики подчеркнули, что расход электроэнергии при расчете экономичности они в расчет не принимали. Гибридный двигатель - не столько серьезный концепт, сколько способ продемонстрировать NASA, что заданные им рамки для самолета 7-го поколения слишком жесткие. О невыполнимости заданных норм Boeing прямо заявляет в своем отчете по проекту.

Исследователи MIT  тоже прибегли к гибридной концепции с благородной целью разрешить компромисс между эффективностью работы двигателя и отсосом пограничного слоя. В одной из конфигураций MIT Н три турбореактивных двигателя вращают генераторы, которые приводят 20 электрических вентиляторов вдоль задней кромки гибридного крыла/фюзеляжа. Они формируют мягкое разрежение в области пограничного слоя и в то же время дают достаточную тягу за счет количества.

Нестареющая классика
Выбирая планер для лайнера будущего, компания Northrop Grumman рассмотрела наибольшее количество самых экзотических вариантов. Среди них есть "летающее крыло" HWB, "утка" с передними стабилизаторами, планер с замкнутым крылом (почти кольцеплан) и даже прямоугольное летающее крыло, напоминающее воздушного змея. Каждая конфигурация была представлена в двух вариантах: с двигателями в мотогондолах и с силовыми установками, интегрированными в фюзеляж. Удивительно, что в итоге выбор специалистов Northrop Grumman пал на классическую конфигурацию. Изображение концепта нетрудно спутать с обычным Airbus А320. Впечатление обманчиво: лайнер буквально нашпигован технологиями будущего. К примеру, фюзеляж сделан из легких композитов с программируемой направленной жесткостью.

Boeing и General Electric изучили перспективу авиационных двигателей на топливных элементах. Энергоемкость водорода и принципиальное отсутствие выбросов N0 позволило бы им с легкостью вписаться в заданные NASA рамки. Однако необходимость разместить на борту сами топливные элементы, вырабатывающие электричество из водорода, и мощные электродвигатели для вращения вентиляторов делает конструкцию слишком тяжелой и габаритной. Мало того, мощности одних электромоторов недостаточно для взлета пассажирского лайнера, поэтому их можно использовать только в гибридной конфигурации, вместе с классическим турбореактивным двигателем. Получившаяся конструкция слишком велика для установки на среднемагистральный лайнер и может рассматриваться только применительно к очень большим самолетам.

Основной вывод всех групп состоит в том, что видение NASA относительно самолета будущего чрезмерно оптимистично. Предложенные проекты настолько близки к фантастике, что реализовать их чрезвычайно сложно. Традиционные же лайнеры вряд ли смогут стать на 70% тише и экономичнее.

Нам оказалась наиболее близка концепция воздушного такси GE. По своим потребительским качествам она напоминает наземный вид транспорта, существующий сегодня. На скоростном поезде "Сапсан" можно добраться от центра Москвы до центра Санкт-Петербурга за четыре часа. Самолет между двумя столицами летит 1,5 часа. Если прибавить к ним еще как минимум по часу на дорогу между аэропортом и центром города, пару часов на регистрацию и прохождение утомительной процедуры досмотра, минут 15 на ожидание багажа (по самой оптимистичной оценке)... то "Сапсан" с легкостью обгонит самолет. Уже сегодня сеть скоростных железных дорог густо оплела всю Европу. Все больше людей предпочитают спуститься с беспокойных небес на грешную землю.

Источник: zelife.ru со ссылкой на "Популярная механика", № 8(94) 2010 г.