Перспективные виды конструкций пассажирских самолётов 

Цель работы: Провести исследование и выбрать наиболее удачную конструкцию пассажирского самолёта с целью аэродинамического и весового совершенствования гражданских самолётов для повышения ресурса их конструкции, экономичности и безопасности полёта.                                          

 Автор Васильев Максим Александрович

Введение: Жизнь диктует свои условия, и настало время переосмыслить концепцию современного самолётостроения, и вывести эту отрасль на новый уровень. На сегодняшний день отечественный авиапром может предложить достаточно широкий спектр самолетов на внутренний и внешний рынок. Современные самолеты гражданской авиации можно классифицировать следующим образом: региональные, турбовинтовые самолеты и реактивные (турбореактивные) самолеты. Но это прошлый век и настало время посмотреть в будущее гражданский авиации.

                                                     сверхзвуковые пассажирские самолёты                 

     И так ещё со второй половины прошлого века человечество стало мечтать о сверхзвуковых пассажирских перелётах. Европа, Америка и Россия мечтали стать первыми в этой области авиации.

     В 1955 г. в Великобритании и в 1956 г. во Франции начались исследовательские работы по созданию сверхзвукового пассажирского самолёта. Разработка принципиально нового лайнера заняла довольно короткий период: совместная работа англо-французской команды проектировщиков длилась с 1962 по 1966 год.  В середине 1966года началась сборка прототипа «Конкорда».

      Россия в свою очередь создала Ту-144- советский сверхзвуковой пассажирский самолёт, разработанный КБ Туполева в 1960-е годы. Данный самолёт не имел таких элементов конструкции крыла, как закрылки и предкрылки. Снижение посадочной скорости до приемлемых значений в 350—400 километров в час осуществлялось уникальным для гражданских самолетов способом: при помощи отклоняемого носка фюзеляжа и выпускаемого переднего крыла. В полёте на сверхзвуковой скорости рекомендовалось не пользоваться элеронами — управление осуществлялось изменением тяги двигателей. Самолет не имел реверса тяги двигателей, но имел мощные вентиляторы тормозов в шасси, первоначальное гашение скорости при посадке, по усмотрению командира экипажа, осуществлялось выпуском тормозного парашюта.

Основные данные серийного СПС Ту-144Д (по результатам испытаний)

длина самолета без ПВД - 64,45 м;

размах крыла - 28,8 м;

высота самолета - 12,5 м;

площадь крыла с наплывом - 506,35 м2;

максимальная взлетная масса - 207000 кг;

масса пустого снаряженного самолета для варианта на 150 пассажиров - 99200 кг;

крейсерская сверхзвуковая скорость полета - 2120 км/ч;

практическая дальность полета, с коммерческой нагрузкой:

7 тонн (70 пасс.) - 6200 км;

11-13 тонн (110-130 пасс.) - 5500-5700 км;

15 тонн (150 пасс.) - 5330 км.

Этот самолёт является первым и одним из двух в мире сверхзвуковых авиалайнеров, которые использовались авиакомпаниями для коммерческих перевозок.

        Но в реальности у самолётов данного типа оказалось много проблем. Цены на билеты были настолько высоки, что самолёты летали полупустыми и авиакомпании терпели большие убытки, кроме того после катастрофа «Конкорда» в 2001году  самолёт сняли с эксплуатации не смотря на безаварийные полёты начиная с 1976 года. И всё-таки ученые продолжают усовершенствовать данный вид авиации.

    Экономическое обоснование сверхзвукового пассажирского транспорта кроется в повышенной производительности сверхзвуковых самолетов и способности перевезти вдвое большее количество пассажиров на дальних маршрутах. Высокие эксплуатационные затраты, проблемы экологического характера, связанные с шумом и эмиссией вредных веществ, а также ограничения сверхзвуковых полетов над сушей из-за звукового удара являются определенными технологическими препятствиями, которые необходимо учитывать при разработке сверхзвуковых пассажирских самолетов (СПС).

    Как же решаются эти проблемы.

В течение 2000 г. за рубежом проводились различные НИОКР, направленные на исследования облика перспективных пассажирских самолетов, которые могут появиться                  в 2010-2020-х годах. Основные работы в этой области были сосредоточены в США и Европе.

     Например, NASA в течение последних 5 лет привлекало промышленность для нового рассмотрения коммерческого сверхзвукового транспорта в рамках фундаментальной программы аэронавтики NASA для периодов 2020 - 2025 гг. (N+2 поколение) и 2030 - 2035 гг. (N+3 поколение). Были разработаны наилучшие концепции сверхзвуковых самолетов N+3 поколения для периода 2035г. Продемонстрирована потенциальная возможность удовлетворения и даже превышения практически всех целевых показателей N+3.

     Что бы учесть потребности рынка, к 2000 году в результате широкого международного обсуждения американская промышленность пришла к выводу, что небольшой, менее скоростной и более дешевый самолет. Ряд компаний исследовали различные гипотетические концепции будущих самолетов, в том числе СПС меньшей размерности. Были продолжены разработки методов снижения звукового удара и более эффективной совместимости планера с силовой установкой (СУ) в целях удовлетворения более строгих норм по шуму на местности. Кроме того, проведено концептуальное и эскизное проектирование сверхзвуковых деловых самолетов (СДС). В частности, Boeing представил технико-экономическое обоснование СДС как возможной технологической и законодательной "ступеньки" на пути создания магистральных СПС- 2.

    В 2005 г. NASA привлекло промышленность для новой оценки будущих коммерческих сверхзвуковых самолетов с точки зрения будущих целевых экологических показателей и необходимости развития потребных ключевых технологий. Команды промышленности и университетов, возглавляемые Boeing и Lockheed Martin (LM), исследовали сверхзвуковые самолеты поколения N+2 и N+3 (по терминологии NASA, это второе и третье поколения технологий, следующих после технологий современного парка коммерческих самолетов). Периоды времени, которые были определены NASA для этих поколений, соответствуют 2020-2025 гг. и 2030-2035 гг. соответственно.

    Фирмы Boeing и LM привлекли к исследованиям такие организации, как  Rolls-Royce, Liberty Works, Georgia Institute of Technology, университеты Purdue, Penn State и др. По замыслу исследователей, скоростной самолет 2030-2035 гг. должен иметь низкий звуковой удар, высокую топливную эффективность, допуск к полетам со сверхзвуковой скоростью над сушей, быть экологически приемлемым.

    По мнению NASA, в ближайшей перспективе технологический прогресс приведет к созданию приемлемых СДС (Supersonic Business Jet - SSBJ) с необходимым уровнем снижения звукового удара. В следующем десятилетии технологический прогресс обеспечит разработку сверхзвукового магистрального самолета с относительно высокой топливной эффективностью и пассажировместимостью примерно 100 чел., или магистрального самолета со значительно сниженным звуковым ударом, несколько меньшей размерностью и худшей топливной эффективностью. Дальняя перспектива (2030-2035 гг.) СПС N+3 поколения связывается с обеспечением пассажировместимости 100 чел. и более, дальности более 7400 км, понижением звукового удара и уровня шума на взлете, а также повышением топливной эффективности при условии применения ключевых самолетных и двигательных технологий.

    Экономическую целесообразность сверхзвукового самолета осложняет то, что оптимальный СПС требует оснащения мощными двигателями (прежде всего газогенератором большой размерности) и большой прочности конструкции; имеет повышенное волновое сопротивление и удельный расход топлива в сравнении с дозвуковыми аналогами того же временного периода.

     Российские ученые также продолжили работу в области СПС. В  1993 году АНТК им. А.Н.Туполева совместно с ЦАГИ, ЦИАМ, СНТЛ им. Н Кузнецова был разработан проект СПС-2 Ту244, который был ориентирован на достижение максимально возможной транспортной производительности, с тем, чтобы обеспечить успешную экономическую конкурентоспособность СПС-2 с дозвуковыми пассажирскими самолетами большой размерности, типм ДПС «Боинг – 747» . Были рассмотрены различные варианты самолета, предназначенные для эксплуатации на трансатлантических маршрутах с характерными дальностями полета L 7500 км или на тихоокеанских маршрутах с характерными дальностями L -2 с большим взлетным весом 9200 км. В результате всесторонних рассмотрений было предложено реализовать идею универсального СПС с большим взлётным весом Go=380 т, рассчитанного на выполнение трансатлантических полетов с максимальной пассажировместимостью n 450 человек и тихоокеанских полетов с уменьшением количества пассажиров до n=320 человек и соответствующим эквивалентным по весу увеличением запаса топлива.  

      Такой универсальный самолет будет несколько уступать на тихоокеанских трассах специально спроектированному для этих режимов СПС-2, но зато будет существенно превосходить его по экономике на трансатлантических маршрутах при L 8000 км и в полетах на сверхдальние расстояния до L 16000 км с одной промежуточной посадкой. Проект СПС-2 Ту-244-400 Универсальный СПС-2 Ту-244-400 должен иметь существенно большую размерность по сравнению с СПС-1 Ту – 144. Отличительной особенностью компоновки СПС-2 является применение крыла с относительно малыми углами стреловидности консолей, что позволяет увеличить удлинение крыла до значений 1-2,5 ( по сравнению с 1=1.ю67  СПС-1 Ту-144) и тем самым повысить несущие свойства и аэродинамическое качество самолета при а=const на режимах взлета и пасадки, а также на дозвуковом крейсерском режиме.

    Крыло сложной формы в плане имеет развитый наплыв с отномительным размахом ZH=0.5, и оптимизированные формы средней поверхности и распределения толщины, что обеспечивает достижение высоких потребных уровней максимального аэродинамического качества Kmax 9,5 на сверхзвуковом крейсерском режиме М=2,05, существенно превосходящих уровни Kmax 8 при М=2,2 у СПС-1 Ту-144. Максимальный взлетный вес G0=380 т, освоенный пассажирской авиацией, выбран с целью обеспечения максимальной пассажировместимости и дальности полета. Число М сверхзвукового крейсерского полета ограничено значениями М- 2 для устранения чрезмерных тепловых нагрузок на конструкцию, для увеличения ресурса самолета и уменьшения вредных воздействий на озоновый слой. Выбор сравнительно небольшой удельной нагрузки на крыло продиктован в значительной степени проблемой снижения шума на местности. В соответствии с рассмотренной российской концепцией будущий универсальный СПС-2 может иметь следующие основные параметры:

- Взлетная максимальная масса, G0, т380

- Площадь крыла, S , м2 1200

- Дальность полета, L, км 7500  8000  9200  15000

- Количество пассажиров, n 450  400  350  450

Таким образом, с одной промежуточной посадкой, а так же благодаря более высокой скорости полета и большой пассажировместимости, СПС-2  Ту-244-400 будет обладать более высокой транспортной эффективностью, по сравнению с дозвуковыми пассажирскими самолетами. Он будет значительно превосходить по всем технико-экономическим показателям сверхзвуковые пассажирские самолеты первого поколения, а также все известные отечественные и зарубежные проекты СПС-2.

                                            «Летающее крыло»

     Для того чтобы удовлетворить все сегменты рынка, ведь не все хотят летать со скоростью звука, разрабатывается ещё один вариант усовершенствования пассажирских авиалайнеров, это   тяжелые пассажирские и транспортные самолеты по схеме "летающее крыло".

    Преимуществом «летающих крыльев» является отсутствие фюзеляжа и больших плоскостей управления, что снижает удельную массу планера и даёт возможность существенно увеличить массу полезной нагрузки и/или запас топлива. Для военного применения очень важно, что формы такого самолёта очень легко оптимизировать для снижения ЭПР и радиолокационной заметности самолёта.

     Недостатки схемы являются продолжением её достоинств — небольшое удаление плоскостей управления от центра масс обусловливает их низкую эффективность, что делает самолёт очень неустойчивым — рыскливым — в полёте. Невозможность решить эту проблему до внедрения электродистанционных систем управления, автоматически поддерживающих прямолинейный полёт, привела к тому, что самолёты такой схемы до сих пор не получили массового распространения.

        NASA и фирма «Боинг» в начале 2002 г. в летно-испытательном центре            им. Драйдена приступили к летным испытаниям модели LSV, в рамках исследований перспективного самолета, выполненного по концепции BWB (Blended Wing Body). Концепция BWB предусматривает создание тяжелых пассажирских и транспортных самолетов по схеме "летающее крыло". Первые исследования самолетов типа BWB начала фирма                «Макдоннелл-Дуглас» в 1991 г. В то время она рассматривала проект 800-местного самолета с размахом крыла 88,1 м, длиной - 48,8 м и высотой - 12,2 м. В дальнейшем фирма провела испытания летающей радиоуправляемой модели.

        В настоящее время работы по концепции BWB продолжает фирма «Боинг» совместно со специалистами NASA. Исследования ведутся по проекту самолета, рассчитанного на перевозку 450 пассажиров. Самолет имеет размах крыла 75,3 м, длину - 48 м и высоту - 13,7 м. Его силовая установка состоит из трех ТРДД. Расчетная дальность полета составляет 12900 км при крейсерской скорости, соответствующей числу M=0,85.

          Модель способна выполнять полеты на высоте 6100 м, хотя все полеты будут выполняться на высотах не более 3000 м. Скорость не будет превышать 280 км/ч, хотя модель рассчитана на максимальную скорость 370 км/ч. Но инженеры и не планировали достижения больших скоростей у этого самолёта другие задачи.

          Взлет и посадка модели будут осуществляться на обычную ВПП; для аварийной посадки предусматривается использование парашюта. Модель также оснащена небольшим парашютом, который предназначен для вывода ее из штопора.

          Ещё одна модель самолёта по схеме «летающее крыло» это пассажирский самолет SAX-40.

          Британские и американские специалисты – команда из 40 человек из Кембриджского университета и Массачусетского технологического института – после трех лет разработок представили проект нового пассажирского самолета SAX-40.

          Этот самолет прежде всего поражает своими формами. Официально эта концепция известна как Blended Wing Body («плавно сопряженное крыло»). Бесхвостая фигура новой машины напоминает очертаниями летучую мышь. При этом издаваемый в полете звук, сообщает Reuters, будет не громче, чем у стиральной машины. 150-тонная при старте машина летит со скоростью около 900 км/час, перевозя 215 пассажиров. Правда, дальность приличная – около 9500 км.

Так в чем же, собственно, революционность нового проекта?

Прежде всего в том, что SAX-40 экономит 35% топлива по сравнению с лучшими из ныне существующих авиалайнеров. Уже сейчас этот факт заставляет говорить о новой машине как о спасителе гражданской авиации от вполне вероятного «зеленого» налога за те парниковые газы, которые выбрасывают в атмосферу самолеты.

     Это первый пассажирский лайнер, созданный по принципу интегрирования крыла с фюзеляжем. В авиации такие вещи достаются очень неочевидными, очень серьезными усилиями. Необычно высокая экономичность (на треть выше, чем у самого экономичного на сегодняшний день Boeing’а 787, который, правда, еще не летает) достигнута всего за три года разработок. Сверхзвуковой пассажирский Concorde проектировался около семи лет, стандартный на вид Airbus А-380 – 13 лет.  Данная машина является симбиозом двух идеологий: серповидного крыла, предложенного еще в 1944 году германской фирмой ARADO; и российских истребителей класса Су-27 – Су-34, которые явились значительным шагом в интеграции крыла с фюзеляжем (разработка 1969–1981 годов).

         Интегрирование фюзеляжа самолета с крылом, позволило достигнуть уникально высокого аэродинамического качества аэроплана (отношение подъемной силы к тяге). У Concorde и нашего Ту-144 эта величина достигает 7,5; у Boeing’ов 747–787 – около 20. У SAX-40 – 25–27.  До него во всем мире летал только один серийный самолет с аналогичным показателем аэродинамического качества – стратегический разведчик М-55 («Геофизика», ОКБ Мясищева): у него аэродинамическое качество было около 25».

        Фактически бесхвостыми были уже и Concorde, и Ту-144 – у них был только киль, располагавшийся очень близко от крыльев; а вот стабилизаторов уже не было. В проекте самолета SAX-40 кили как бы раздвоены и перенесены на концы крыльев.

         Размах крыла у SAX-40 – 67,5 м. Это кажется чрезмерным для достаточно небольшой машины, почти как у 400-тонного Boeing’а 747. Но зато это означает повышенную площадь крыла. Три инновационных двигателя пристыкованы к задней части крыла, причем двигатели с регулировкой направления реактивной струи.

          Много и других решений. Например, при посадке шасси выходит из створок, но сами они снабжены обтекателями, которые уменьшают и сопротивление, и шум. Сближаясь с землей со скоростью 350–400 км/час, самолет сильно задирает нос. Нормальный современный самолет имеет так называемые предкрылки, которые резко повышают подъемную силу. В этом самолете предкрылок нет, но особый профиль – отогнутый вниз клювом – позволяет снизить скорость до достаточно безопасного уровня и без предкрылок.

       Понятно, что главной целью всех усилий ученых и конструкторов было вовсе не желание поразить воображение потенциальных пассажиров, просто такая форма самолета – блестящее достижение аэродинамики.  Форма служит двояким целям: и крейсерскому очень экономичному полету, и хорошему режиму безопасной посадки».

        Сами создатели самолета подчеркивают, что даже если производители и одобрят новый дизайн, то на борт SAX-40 мы  поднимемся в лучшем случае году в 2025–2030-м: выпуск совершенно нового самолета – удовольствие очень дорогое и достаточно рискованное. Кроме того, этот процесс требует и строительства новых производственных мощностей.

         Российские ученые также приступили к разработке принципиально нового лайнера для гражданской авиации. В Центральном аэрогидродинамическом институте имени Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) разрабатывается принципиально новый летательный аппарат для использования в гражданской авиации.

           Самолет будет построен по схеме «летающее крыло», что позволит увеличить экономическую эффективность новинки на 50–60% по сравнению с нынешними лайнерами.

                                            Классическая схема

            И всёже в настоящее время ведущими в этой области самолётостроения являются зарубежные инжененры. Именно они разработали такие модели как Boeing 747-8 — двухпалубный широкофюзеляжный пассажирский самолёт, разработанный компанией Boeing. Этот анонсированный в 2005 году авиалайнер является новым поколением знаменитой серии Boeing 747  с удлинённым фюзеляжем, перепроектированным крылом и улучшенной экономической эффективностью.

      747-8 является самым большим коммерческим самолётом, построенным в США, а также самым длинным пассажирским самолётом в мире, превысившим длину Airbus A340-600 почти на метр.

       Первый его полёт состоялся 8 февраля 2010 года. Первым эксплуатантом грузового 747-8 стал Cargolux Airlines первым коммерческим обладателем пассажирской версии 25 апреля 2012 стала Lufthansa (первый частный самолёт был поставлен в феврале).

         На февраль 2014 года было заказано 120 самолётов (42 пассажирских, 69 грузовых и 9 VIP версий) 747-8.

      Boeing 747, использует более совершенные технологии и аэродинамику. Два варианта самолёта начали разрабатываться в 2005 году и к 2006 году оба они отличались от 747-400 удлинённым на 5,6 м фюзеляжем. 747-8 станет самым длинным пассажирским лайнером в мире, превзойдя предыдущего рекордсмена Airbus A340-600  на 90,5 см. При максимальной взлётной массе в 442 тонны, 747-8 является самым тяжёлым самолётом (среди как гражданских, так и военных) созданным за всю историю Соединённых Штатов.

        По сравнению с 747-400, основные технические изменения заключаются в крыле, которое полностью переконструировано. Угол стреловидности и силовой набор крыла будут сохранены для снижения затрат, но крыло станет тоньше и шире, с полностью перерасчитанной аэродинамикой. Распределение давления и изгибающие моменты будут другие, планируется, что новое крыло пассажирского варианта будет вмещать 243120 л топлива, а транспортного варианта — 230630 л. Внешние секции закрылков нового крыла будут однощелевые, а внутренние — двухщелевые.

        На новом варианте 747 используются гребневые законцовки крыла аналогичные используемым на Boeing 777-200LR, 777-300ER и 787, они отличаются от законцовок (винглетов) 747-400. Конструкция этих законцовок позволяет уменьшить концевые вихри, уменьшая спутный след и сопротивление, и тем самым снизить расход топлива. Другой попыткой снизить вес стало также использование электродистанционной системы управления для большинства органов поперечного управления.

        Увеличенный запас топлива в перепроектированном крыле, по сравнению с 747-400, позволяет избежать радикальных изменений в конструкции стабилизатора, чтобы разместить там дополнительные топливные баки — дополнительная экономия. Киль 747-8 останется прежним, высотой 19,35 м. Для снижения веса в конструкции планера 747-8 будут частично использованы углепластики. Тем не менее, структурные изменения относительно 747-400 будут по большей части эволюционные, а не революционные.

        Двигатель General Electric GEnx, один из двух предлагаемых вариантов силовой установки Boeing 787, будет единственным типом двигателя для 747-8. Тем не менее для 747-го двигатель будет адаптирован, чтобы обеспечить отбор воздуха для бортовых систем самолёта и отличаться уменьшенным диаметром, чтобы поместиться под крылом 747. Лётные испытания двигателя GEnx 2b установленного на самолёт Boeing 747-100 вместо левого внутреннего двигателя начались в марте 2009.

        С конца 2013 года на всех самолётах устанавливается пакет по улучшению производительности, состоящий из трёх компонентов: оптимизированных двигателей, нового бортового компьютера и улучшенной топливной системы. По заявлениям Boeing, данное усовершенствование позволит на 1,8% увеличить топливную эффективность самолёта^[. Первый самолёт с такой модернизацией был поставлен 18 декабря 2013 года авиакомпании Cathay Pacific Cargo.

   Сравнительная таблица по видам ЛА

Вывод

 Можно сделать вывод, что сама жизнь диктует нам необходимость в изменениях к подходу конструирования пассажирских и грузовых самолетов. Проблемы, связанные с экологией, а также безопасность полётов выходят на первый план, поэтому лайнеры по типу «летающее крыло» на мой взгляд, наиболее перспективны, но и растущий темп жизни требует от нас больших скоростей, поэтому и о сверхзвуковой пассажирской авиации забывать не следует. Самое главное не останавливаться на достигнутом, не сворачивать разработки, а продолжать создавать новые модели лайнеров, чтобы авиаперевозки стали самым безопасным, удобным, экологичным видом транспорта.