Диетический лайнер: авиалайнер 2030

Диетический лайнер: авиалайнер 2030

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.

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.

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 GE — это крохотный 20-местный лайнер и сложнейший софт, координирующий индивидуальные и оптимальные маршруты.

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).

Компоновка и материалы General Electric B20

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 же. 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.

20-местный самолет-такси от компании General Electric прост только на первый взгляд. Разработчики уделили максимум внимания облегчению конструкции с помощью новейших высокотехнологичных материалов. Благодаря энергопоглощающей пене поверхность фюзеляжа способна полностью восстанавливать форму после сильных ударов, например при прохождении облака града. Идеальная гладкость поверхности необходима для ламинарного обтекания фюзеляжа и крыльев.

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 H. 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.

Sugar Volt. На место силовой установки лайнера Volt претендовали полностью электрический двигатель на батареях, водородный двигатель на топливных элементах и гибридный двигатель на батареях и традиционном топливе.

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 °C.

Все концептуальные самолеты компании Boeing содержат в названии слово SUGAR. Эта аббревиатура расшифровывается как Subsonic Ultra Green Aircraft Research — исследование дозвукового экологически чистого лайнера. Всего специалисты компании представили четыре концепта, от консервативного Refined SUGAR до футуристичного SUGAR Ray. Главное преимущество широкофюзеляжных самолетов HWB — низкий уровень шума. Могучий корпус лайнера преграждает звуку двигателей путь на землю. Проблема HWB в том, что их достоинства наилучшим образом раскрываются на самолетах большого размера, в то время как исследования спроса прогнозируют их невостребованность в будущем.

Компрессор, изготовленный из CMC, позволит увеличить степень сжатия до 60. Сегодня степень сжатия (чуть более 30) 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 H 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.

Выбирая планер для своего лайнера будущего, компания Northrop Grumman рассмотрела наибольшее количество самых экзотических вариантов. Среди них есть не только «летающее крыло» HWB, и «утка» с передними стабилизаторами, и планер с замкнутым крылом (почти кольцеплан), и даже прямоугольное летающее крыло, напоминающее воздушного змея. Каждая конфигурация была представлена в двух конфигурациях: с двигателями в мотогондолах и с силовыми установками, интегрированными в фюзеляж. Удивительно это потому, что в итоге выбор специалистов Northrop Grumman пал на классическую конфигурацию. Изображение концепта нетрудно спутать с обычным Airbus A320. Впечатление обманчиво: лайнер буквально нашпигован технологиями будущего. К примеру, фюзеляж сделан из легких композитов с программируемой направленной жесткостью.

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.

Фюзеляж типа «двойной пузырь» вносит свой вклад в создание подъемной силы. При этом его лобовое сопротивление сравнимо с показателем классического лайнера. Расположение двигателей над фюзеляжем ограждает жителей приаэропортовой зоны от шума. Отсос пограничного слоя обеспечивает ламинарное обтекание корпуса. Складное крыло большого удлинения повышает аэродинамическое качество. Это кратчайший путь к улучшению экологических характеристик и экономичности самолета. Высокая степень двухконтурности достигается за счет увеличенной степени сжатия и компактности контура высокого давления.

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 H 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.

Boeing и General Electric изучили перспективу авиационных двигателей на топливных элементах. Энергоемкость водорода и принципиальное отсутствие выбросов NO 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.

Массачусетский технологический институт подошел к предсказанию облика лайнера будущего наиболее смело. Команда представила сразу два концепта, и оба из них — широкофюзеляжные. Самолет MIT D вобрал в себя все возможные инновации, некоторые из которых другие исследователи посчитали бы несовместимыми.

Такси для народа

По правде говоря, перечисленные выше инновации — широкие фюзеляжи, гибридные двигатели, экзотические материалы — всего лишь детали, малозначительные по сравнению с главным свойством самолета будущего. Вывод, который одновременно сделали все четыре команды исследователей, удивляет и даже расстраивает: в будущем самолеты станут летать медленнее примерно на 20%. Это необходимое условие и для повышения степени двухконтурности (чтобы законцовки лопаток увеличенных вентиляторов не превышали скорость звука), и для ламинарного обтекания (чем ближе скорость звука, тем сложнее управлять воздушными потоками), и для экономии топлива, и для снижения уровня шума.

Значит ли это, что нам придется проводить больше времени в пути? Вовсе не обязательно. Много времени занимает не собственно полет, а регистрация, досмотр, рулежка и т. п. А главное, из аэропорта выбытия мы редко направляемся в аэропорт назначения. Чаще приходится лететь в крупный транспортный узел для пересадки на стыковочный рейс.

General Electric считает, что вся сегодняшняя пассажирская авиация никуда не годится. А решить ее проблемы можно с помощью мощного и эффективного программного обеспечения. В центре проекта GE- 20-местный самолет-такси. Предполагается, что такие машины будут летать между маленькими региональными аэродромами. Пассажиры будут оставлять в интернете заявки, откуда и куда они хотят попасть. Мощный вычислительный центр будет составлять расписание для тысяч экономичных микролайнеров. К примеру, если вы летите из Калуги в Челябинск, то, по мнению GE, у вас всегда найдется 19 попутчиков. А этого достаточно, чтобы определить удобное для всех время и прислать самолет. При этом, по расчетам GE, стоимость билета не должна превысить нынешние расценки на авиаперелеты. Уделом крупных воздушных судов останутся лишь перелеты между большими городами и, конечно же, полеты через океан.

На грешную землю

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.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2010).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.