Дієтичний лайнер: авіалайнер 2030
Півтора року знадобилося чотирьом висококласним командам дослідників, щоб змалювати вигляд авіалайнера 7-го покоління. Своє бачення літака 2030 х років представили Boeing, Northrop Grumman, General Electric і Массачусетський технологічний інститут (MIT).
Найсучасніші літаки наших днів, такі як Airbus A380 або Boeing 777, прийнято відносити до четвертого покоління. Вимоги, сформульовані NASA для літаків покоління N + 3, на перший погляд здаються нездійсненними. Рівень шуму повинен бути знижений на 71 дБ. Це означає, що почути двигуни лайнера на землі можна буде тільки в межах аеропорту. Викид оксиду азоту повинен зменшитися на 75%, споживання палива (а разом з тим і вартість авіаперевезень) - на 70%. Крім того, NASA пропонує переглянути маршрути та інфраструктуру перельотів, щоб якомога менше пасажирів подорожували через пересадочні пункти, тим самим збільшуючи відстань перельоту, іноді до двох разів.
Кожен проект починався з вивчення попиту, заснованого на сформованих економічних тенденціях наших днів. В результаті три компанії з чотирьох зосередили свої зусилля на розробці середньомагістрального лайнера пасажиромісткістю не більше 180 чоловік, аналогу сучасного Boeing 737. Лише фахівці General Electric зробили ставку на 20-місний літак-таксі.
Рецепт максимізації прибутку авіакомпаній наших днів полягає в прагненні посадити в літак якомога більше пасажирів. Чим більше людей розділять між собою вартість польоту, тим дешевше їм дістануться квитки. І не важливо, що по дорозі вони зроблять кілька пересадок і пролетять набагато більшу відстань, ніж спочатку було потрібно. Фахівці General Electric переконані, що, якщо невеликі літаки будуть не поспішаючи возити людей з пункту «А» в пункт «Б» по прямій, це дасть таку економію часу і палива, що кожен пасажир зможе з легкістю дозволити собі комфортабельне аеротаксі. Концепція GE - це крихітний 20-місцевий лайнер і складний софт, який координує індивідуальні та оптимальні маршрути.
У світлі таких жорстких вимог тим більше дивний наступний факт: концептуальні літаки, які дослідники визнали найбільш перспективними, мають класичне компонування і зовні мало відрізняються від нинішніх лайнерів. Однак це лише оманливе перше враження. На борту літака N + 3 ви зустрінете електричні та гібридні двигуни, метал з пам'яттю форми, самовідновлюється покриття фюзеляжу, керамічні композити та карбонові нанотрубки, складні крила і вікна віртуальної реальності.
Аеродинамічний опір - головний ворог економічності і екологічної чистоти в авіації. Проте ось уже понад півстоліття планер пасажирського лайнера практично не змінюється. Ось і зараз навіть найрадикальніші футуристи Boeing і MIT представили по два концепти літака N + 3, один з яких має класичне компонування. Інший же є варіацією на тему «літаючого крила» - HWB (Hybrid Wing Body).
Boeing SUGAR Volt являє собою літак класичної компоновки з циліндричним фюзеляжем. Перевага класичного фюзеляжу - невелика площа лобового розтину і, як наслідок, мінімальний аеродинамічний опір. Особливість планера Volt - крило великого подовження. Його розмах становить 61 м проти 29 м у референсного Boeing 737-400, в той же час крило Volt помітно же. Не секрет, що крило більшого подовження дає значне збільшення аеродинамічного якості: при тій же площі повітря проходить менший шлях в зіткненні з крилом, в результаті чого заповітне відношення підйомної сили до аеродинамічному опору зростає.
Компонування і матеріали General Electric B20
Конструктивні недоліки фахівці Boeing усунули, підперши високе крило додатковими опорами, які з'єднують середини консолей з нижньою частиною фюзеляжу. У розрахунку враховано і те, що крило буде зроблено з карбону, а не з алюмінію, а значить, буде значно легше.
Інфраструктурні проблеми вирішили, зробивши крило складним. Встановлені по центру консолей шарніри дозволяють Volt не позичати багато місця в ангарах і на руліжних доріжках. Лайнер розправляє крила на смузі, безпосередньо перед зльотом.
20-місний літак-таксі від компанії General Electric простий тільки на перший погляд. Розробники приділили максимум уваги полегшення конструкції за допомогою новітніх високотехнологічних матеріалів. Завдяки енергопоглинаючий піні поверхню фюзеляжу здатна повністю відновлювати форму після сильних ударів, наприклад при проходженні хмари граду. Ідеальна гладкість поверхні необхідна для ламінарного обтікання фюзеляжу і крил.
обтічний бегемот
Друге найважливіше заклинання фахівців з аеродинаміки - ламинарное обтікання. В ідеалі повітря повинен плавно і безвідривно огинати поверхні крила і фюзеляжу лайнера. Це і є ламінарний потік. Насправді ж повітряні потоки відриваються від поверхні, утворюючи завихрення, на створення яких витрачається енергія. Поверхнева турбулентність - важлива складова частина аеродинамічного опору.
Саме боротьбі за ламинарное обтікання ми зобов'язані появою таких бегемотоподобних монстрів, як Boeing SUGAR Ray і MIT H. Компонування HWB, або «літаюче крило», дозволяє реалізувати принцип відсмоктування прикордонного шару. Двигуни, розташовані в задній частині широкого фюзеляжу, всмоктують повітря і створюють на поверхні корпусу розрідження. Воно притягує повітряний потік, не дає йому зриватися. В результаті при колосальній площі лобового перетину HWB можна порівняти з аеродинамічному опору з літаками класичної компоновки.
Sugar Volt На місце силової установки лайнера Volt претендували повністю електричний двигун на батареях, водневий двигун на паливних елементах і гібридний двигун на батареях і традиційному паливі.
Найважливіша перевага схеми HWB - низький рівень шуму. Фюзеляж в буквальному сенсі перегороджує звуку двигунів шлях до землі. Ще один потужний плюс - економія часу при посадці і висадці пасажирів: в широкому салоні може бути до п'яти проходів між сидіннями замість одного в класичному лайнері.
Вибір схеми HWB з відсмоктуванням прикордонного шару робить негативний вплив на ефективність роботи двигунів. Інтенсивність всмоктування силових установок обмежена потребами ламинарного обтікання: якщо швидкість потоку занадто висока, то замість розрідження він створить власну турбулентність. Значить, потужність двигунів спочатку обмежена.
Крім того, для рівномірного відсмоктування прикордонного шару необхідна широка зона всмоктування. Щоб створити її, доводиться розподіляти кілька двигунів по всій ширині корпусу, збільшуючи масу і ускладнюючи силову установку.
Цікавий компроміс між класичним компонуванням і HWB представляє концепт MIT D. Його родзинка - фюзеляж типу «подвійний міхур» (double bubble), який у висоту відповідає Boeing 737, а в ширину вдвічі перевершує його. Широкий корпус бере участь в створенні підйомної сили, а заднє розташування двигунів, як на HWB, забезпечує відсмоктування прикордонного шару і захист від шуму. При цьому літак має складне крило великого подовження, як у Boeing SUGAR Volt.
порцеляновий мотор
Розвиток авіаційних двигунів в найближчі роки буде пов'язано насамперед із застосуванням нових високотехнологічних матеріалів. Великі надії авіабудівники покладають на поточні дослідження композитів з керамічною матрицею (CMC). Цей матеріал, вдвічі легший, ніж титан, здатний протистояти температурам понад 1200 ° C.
Всі концептуальні літаки компанії Boeing містять в назві слово SUGAR. Ця абревіатура розшифровується як Subsonic Ultra Green Aircraft Research - дослідження дозвукового екологічно чистого лайнера. Всього фахівці компанії представили чотири концепту, від консервативного Refined SUGAR до футуристичного SUGAR Ray. Головна перевага широкофюзеляжних літаків HWB - низький рівень шуму. Могутній корпус лайнера перегороджує звуку двигунів шлях на землю. Проблема HWB в тому, що їхні переваги найкращим чином розкриваються на літаках великого розміру, в той час як дослідження попиту прогнозують їх незатребуваність в майбутньому.
Компресор, виготовлений з CMC, дозволить збільшити ступінь стиснення до 60. Сьогодні ступінь стиснення (трохи більше 30) обмежена термостійкістю металу, з якого виготовляються лопатки компресора, - адже при стисненні повітря нагрівається. Збільшення ступеня стиснення означає, що при колишній потужності двигун можна буде зробити більш компактним, легким і ефективним. З CMC передбачається робити і багаторежимні камери згоряння. Фактично в двигуні буде дві камери з власним комплектом форсунок - окремо для режиму максимальної потужності (зліт) і економічного польоту.
Всі дослідницькі команди рекомендували використовувати на пасажирських лайнерах сопла із змінною геометрією, як на військових літаках. MIT навіть дав свій концепт H двигунами із змінним вектором тяги. Northrop Grumman пропонує використовувати в конструкції сопел метал з пам'яттю форми. Пелюстки, що оточують сопло, відкриваються або закриваються, орієнтуючись на температуру реактивного струменя. Відомо, що шум двигуна пропорційний квадрату діаметра сопла.
Вибираючи планер для свого лайнера майбутнього, компанія Northrop Grumman розглянула найбільшу кількість самих екзотичних варіантів. Серед них є не тільки «літаюче крило» HWB, і «качка» з передніми стабілізаторами, і планер з замкнутим крилом (майже кольцеплан), і навіть прямокутне літаюче крило, що нагадує повітряного змія. Кожна конфігурація була представлена в двох конфігураціях: з двигунами в мотогондолах і з силовими установками, інтегрованими в фюзеляж. Дивно це тому, що в підсумку вибір фахівців Northrop Grumman упав на класичну конфігурацію. Зображення концепту неважко сплутати із звичайним Airbus A320. Враження оманливе: лайнер буквально нашпигований технологіями майбутнього. Наприклад, фюзеляж зроблений з легких композиційних матеріалів з програмованої спрямованої жорсткістю.
Найважливіша тенденція в двигунобудування останніх років - збільшення ступеня двоконтурності (докладніше про це читайте в березневому номері «ПМ»). Щоб проганяти більше повітря в обхід компресора і камери згоряння, конструктори будуть збільшувати діаметр вентилятора. Вентилятор з лопатками з карбону легше, ніж металевий. Особлива шаблеподібний форма лопаток дозволить знизити шум, пов'язаний з наближенням законцовок лопатей до звукового бар'єра. В результаті ступінь двоконтурного двигунів 7-го покоління обіцяє перевищити 13 за нинішньої 5,5.
водневий гібрид
Особливий підхід до підвищення ступеня двоконтурності сповідує MIT. Дослідники Массачусетського технологічного сконцентрувалися нема на збільшенні діаметра вентилятора, а на зменшенні розмірів контуру високого тиску. І висока ступінь стиснення їм в цьому відмінно допомогла.
Інженери Boeing в проекті SUGAR Volt не посоромилися використовувати вентилятор діаметром 2,26 м. Ступінь двоконтурності при цьому склала 18. Додаткову потужність для обертання жахливого ротора дає електромотор. Літак, оснащений гібридним двигуном hFan, заправляється гасом і батарейним блоками. Таким чином дослідники вирішили вкластися в задані NASA норми по паливній економічності і шкідливих викидів.
Фюзеляж типу «подвійний міхур» вносить свій внесок у створення підйомної сили. При цьому його лобове опір порівняно з показником класичного лайнера. Розташування двигунів над фюзеляжем захищає жителів пріаеропортовой зони від шуму. Відсмоктування прикордонного шару забезпечує ламінарний обтікання корпусу. Складне крило великого подовження підвищує аеродинамічний якість. Це найкоротший шлях до поліпшення екологічних характеристик і економічності літака. Високий ступінь двоконтурного досягається за рахунок збільшеної ступеня стиснення і компактності контуру високого тиску.
Розробники підкреслили, що витрата електроенергії при розрахунку економічності вони до уваги не брали. Гібридний двигун - не стільки серйозний концепт, скільки спосіб продемонструвати NASA, що задані їм рамки для літака 7-го покоління занадто жорсткі. Про нездійсненності заданих норм Boeing прямо заявляє в своєму звіті за проектом.
Дослідники MIT теж вдалися до гібридної концепції зі шляхетною метою дозволити компроміс між ефективністю роботи двигуна і відсмоктуванням прикордонного шару. В одній з конфігурацій MIT H три турбореактивні двигуни обертають генератори, які призводять 20 електричних вентиляторів вздовж задньої кромки гібридного крила / фюзеляжу. Вони формують м'яке розрідження в області прикордонного шару і в той же час дають достатню тягу за рахунок кількості.
Boeing і General Electric вивчили перспективу авіаційних двигунів на паливних елементах. Енергоємність водню і принципова відсутність викидів NO дозволило б їм з легкістю вписатися в задані NASA рамки. Однак необхідність розмістити на борту самі паливні елементи, що виробляють електрику з водню, і потужні електродвигуни для обертання вентиляторів робить конструкцію дуже важкою і габаритної. Мало того, потужності одних електромоторів недостатньо для зльоту пасажирського лайнера, тому їх можна використовувати тільки в гібридної конфігурації, разом з класичним турбореактивним двигуном. Конструкція, занадто велика для установки на середньомагістральний лайнер і може розглядатися тільки стосовно до дуже великих літаків.
Массачусетський технологічний інститут підійшов до передбачення вигляду лайнера майбутнього найбільш сміливо. Команда представила відразу два концепти, і обидва з них - широкофюзеляжні. Літак MIT D увібрав в себе всі можливі інновації, деякі з яких інші дослідники вважали б несумісними.
Таксі для народу
По правді кажучи, перераховані вище інновації - широкі фюзеляжі, гібридні двигуни, екзотичні матеріали - всього лише деталі, малозначні у порівнянні з головним властивістю літака майбутнього. Висновок, який одночасно зробили всі чотири команди дослідників, дивує і навіть засмучує: в майбутньому літаки літатимуть повільніше приблизно на 20%. Це необхідна умова і для підвищення ступеня двоконтурності (щоб законцовки лопаток збільшених вентиляторів не перевищували швидкість звуку), і для ламінарного обтікання (чим ближче швидкість звуку, тим складніше управляти повітряними потоками), і для економії палива, і для зниження рівня шуму.
Чи означає це, що нам доведеться проводити більше часу в дорозі? Зовсім не обов'язково. Багато часу займає не власне політ, а реєстрація, огляд, рулежка і т. П. А головне, з аеропорту вибуття ми рідко прямуємо в аеропорт призначення. Найчастіше доводиться летіти в крупний транспортний вузол для пересадки на стикувальний рейс.
General Electric вважає, що вся сьогоднішня пасажирська авіація нікуди не годиться. А вирішити її проблеми можна за допомогою потужного й ефективного програмного забезпечення. У центрі проекту GE- 20-місний літак-таксі. Передбачається, що такі машини будуть літати між маленькими регіональними аеродромами. Пасажири будуть залишати в інтернеті заявки, звідки і куди вони хочуть потрапити. Потужний обчислювальний центр буде складати розклад для тисяч економічних мікролайнеров. Наприклад, якщо ви летите з Калуги до Челябінська, то, на думку GE, у вас завжди знайдеться 19 попутників. А цього достатньо, щоб визначити зручне для всіх час і надіслати літак. При цьому, за розрахунками GE, вартість квитка не повинна перевищити нинішні розцінки на авіаперельоти. Долею великих повітряних суден залишаться лише перельоти між великими містами і, звичайно ж, польоти через океан.
На грішну землю
Основний висновок всіх груп полягає в тому, що бачення NASA щодо літака майбутнього надмірно оптимістично. Запропоновані проекти настільки близькі до фантастики, що реалізувати їх надзвичайно складно. Традиційні ж лайнери навряд чи зможуть стати на 70% тихіше і економічніше.
Нам виявилася найбільш близька концепція повітряного таксі GE. За своїми споживчими якостями вона нагадує наземний вид транспорту, який сьогодні існує. На швидкісному поїзді «Сапсан» можна дістатися від центру Москви до центру Санкт-Петербурга за чотири години. Літак між двома столицями летить 1,5 години. Якщо додати до них ще як мінімум по годині на дорогу між аеропортом і центром міста, пару годин на реєстрацію і проходження стомлюючої процедури огляду, хвилин 15 на очікування багажу (по самій оптимістичній оцінці) ... то «Сапсан» з легкістю обжене літак. Уже сьогодні мережа швидкісних залізниць густо обплела всю Європу. Все більше людей вважають за краще спуститися з неспокійних небес на грішну землю.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №8, серпень 2010 ).
Чи означає це, що нам доведеться проводити більше часу в дорозі?