[НАЗАД]

ГРАЖДАНСКИЕ САМОЛЕТЫ: ВОЗРАСТАНИЕ РАЗМЕРОВ

Валентин Киселев

На воздушном транспорте наибольшую экономическую эффективность имеет самолет,обладающий при постоянной дальности полета и прочих равных условиях максимальной весовой отдачей по коммерческой нагрузке (пассажиры, багаж, груз) Gком/Gо - отношением ее веса к взлетному весу самолета. Увеличение или уменьшение коммерческой нагрузкипри вариации размеров самолетов определяется в основном изменением относительного веса конструкции, влияющего таким образом на экономическую эффективность самолета.

Борьба за снижение веса конструкции - крыла, фюзеляжа, оперения, шасси - началась с момента зарождения авиации. В то же время стали исследоваться закономерности изменения размеров и веса агрегатов самолета. Получил известность закон “квадрата-куба”, отражающий эти закономерности. В соответствии с ним вес конструкции и всего самолета, зависящий от его объема, растет пропорционально кубу увеличения линейных размеров при сохранении геометрического подобия в то время, как подъемная сила, зависящая от площади крыла, растет пропорционально квадрату размеров. Увеличение веса самолета, опережающее рост подъемной силы, неизбежно должно ограничивать предельное возрастание его размеров. Для сохранения летных и взлетно-посадочных характеристик при увеличении размеров самолетов нужно обеспечить постоянство удельной нагрузки на крыло Gо/S (отношение взлетного веса к площади крыла). Но это возможно только при условии, что вес самолета растет пропорционально не кубу, а квадрату линейных размеров. Для веса конструкции - главной составляющей веса самолета - это практически невозможно при принятых условиях: сохранении геометрического подобия, одинаковых уровне техники, материалах. Поэтому относительный вес конструкции Gкон/Gо будет неизбежно расти с увеличением размеров самолета, а доля веса коммерческой нагрузки - снижаться. При этом, как видно из отношения Gо/S, величина удельной нагрузки на крыло будет повышаться пропорционально увеличению размеров. Статистика подтверждает эту тенденцию. Например, Ту-134 имеет Gо/S = 370 кг/м2 , Ту-154 - 470 кг/м2 , Ил-62 - 580 кг/м2, Боинг 747 - 740 кг/м2 . Это, конечно, увеличивает посадочную и взлетную скорости и потребную длину ВПП, но иначе нельзя было бы создать большие самолеты, так как с увеличением удельной нагрузки вес конструкции крыла снижается из-за уменьшения его площади (при постоянном Gо).Поэтому иногда для сравнительно небольших магистральных самолетов при их базировании на длинных ВПП резко повышают удельную нагрузку, снабжая крыло мощной механизацией. Например, современный Ту-334 имеет весьма значительную для своих размеров удельную нагрузку Gо/S =550 кг/м2 . С ростом размеров уменьшаются избытки прочности конструкции, обусловленные различными технологическими факторами и ее местной прочностью, повышается устойчивость сжатых элементов. Конструкция используется полнее, эффективнее. Но это обстоятельство приводит к более интенсивному росту веса конструкции при возрастании размеров, так как напряжения уже предельны и их нельзя повышать за счет снижения избытков прочности. 

На рис. 1 показано изменение весовой отдачи по коммерческой нагрузке при увеличении размеров магистральных пассажирских самолетов средней дальности обычной аэродинамической схемы с хвостовым оперением. Вначале можно рассчитать вес некоторого условного самолета, который не нес бы никакой полезной нагрузки (Gком = 0). Потом, взяв небольшую коммерческую нагрузку, получим новый, увеличенный вес самолета с относительной коммерческой нагрузкой Gком/Gо > 0. Если продолжить такой расчет, постоянно увеличивая пассажировместимость, то можно увидеть, что весовая отдача (Gком/Gо) быстро возрастает, но достигнув максимума, она уменьшается, так как с увеличением размеров самолета будет повышаться относительный вес конструкции. Указанный максимум соответствует таким размерам самолета, до которых их увеличение сопровождается возрастанием действующих напряжений и снижением избытков прочности, а дальнейшее повышение напряжений уже невозможно и увеличение размеров и нагруженности приводит к интенсивному росту массы конструкции. При числе мест свыше 600 выгодным становится двухпалубный фюзеляж, имеющий по сравнению с однопалубным меньшую длину, большую плотность загрузки, меньший вес конструкции: при числе мест свыше 1600 - трехпалубный. Переход к многопалубным компоновкам - один из способоврационального “нарушения” геометрического подобия при возрастании размеров. Как известно, с увеличением дальности полета усиливается влияние на критерий оценки (например, себестоимость тонно-километра) аэродинамического совершенства самолета по сравнению с влиянием весовых характеристик, и наоборот - на малых дальностях роль весового совершенства возрастает. Поэтому оптимальное значение миделя фюзеляжа при увеличении расчетной дальности уменьшается. Наглядным примером к этому правилу может служить и изменение выгодности одно- и двухпалубных фюзеляжей при вариации пассажировместимости и дальности полета. Однопалубные фюзеляжи обеспечивают большее аэродинамическое качество, но они тяжелее двухпалубных, и это утяжеление возрастает с увеличением размеров. Поэтому однопалубные фюзеляжи предпочтительны для самолетов с меньшей пассажировместимостью и большей дальностью полета, в то время как увеличение пассажировместимости и снижение дальности полета делают более выгодной двухпалубную компоновку. Проведенные расчеты позволили определить наивыгоднейшие конструктивно-компоновочные решения в широком диапазоне значений пассажировместимости и дальности полета. Полученные результаты дают возможность выявить границу выгодности между одно- и двух- палубными фюзеляжами в зависимости от числа пассажирских мест и расчетной дальности полета. 

На рис. 2, кроме границы, разделяющей зоны рациональности одно- и двухпалубных фюзеляжей, нанесены точки, соответствующие значениям пассажировместимости и дальности современных многоместных самолетов. Выбор для них однопалубных фюзеляжей, как следует из рис. 2, оправдан. Точки, лежащие на границе, соответствуют случаям равной выгодности одно- и двухпалубных фюзеляжей. В зонах, прилегающих к границе, показатели выгодности обеих компоновок весьма близки. Поэтому только значительное удаление от границы в зону выгодности конкретной компоновки делает ее преимущество значительным.

В 2004 г. должен начать полеты первый полностью двухпалубный пассажирский самолет А 380 консорциума “Эрбас Индастри”, вмещающий при трехклассной компоновке (для различных модификаций) от 555 до 650 пассажиров. Приветствуя пионерское конструктивно-компоновочное решение, следует отметить, что его преимущества перед альтернативными однопалубными компоновками не выглядят решающими, так как лежат в районе границы равной выгодности обеих компоновок, особенно учитывая межконтинентальную дальность самолета, составляющую 14000 км. Интересно отметить, что ИКАО пересмотрело в сторону увеличения максимальные размеры аэродромов для обеспечения базирования новых самолетов с максимальным размахом крыла до 80 м, длиной фюзеляжа до 90 м, диаметром фюзеляжа до 8 м, колеей шасси до 16 м, числом стоек главных ног шасси до 4 и количеством колес на каждой стойке до 6. (Окончание следует)

Digest

Despite all types of crises: economic, political, power engineering, the present terroristic crisis, the growth of passenger air transportationin the world is permanently continuing. Accordingly, the sizes of aircraft are increased; otherwise it is impossible to get the airports relievedof aircraft turns in the ground and in the air. However, an expected increase of sizes and passenger capacity of aircraft up to 1000 seats andmore did not yet take place at the turn of centuries. Apart from aforesaid crises restraining development, it is explained by definite technicalproblems of building up giant aircraft and, first of all, by the problems of ensuring aircraft weight positive qualities.