Гражданские самолеты: возрастание размеров /Aviapanorama/

ГРАЖДАНСКИЕ САМОЛЕТЫ: ВОЗРАСТАНИЕ РАЗМЕРОВ

(Окончание. Начало в № 3, 2002 г.)

Валентин Киселев, профессор МАИ, лауреат Государственной премии СССР

Другим важным направлением в "борьбе" с ограничениями, которые накладывает закон "квадрата-куба", является использование того факта, что этот закон не учитывает возможности изменения основной нагрузки, действующей на конструкцию крыла при эволюции его размеров. В действительности результирующий изгибающий момент, воспринимаемый силовым набором крыла, обусловлен нагрузкой, которая меньше подъемной силы крыла. Она меньше на величину массовых сил веса конструкции крыла и всей нагрузки, расположенной в крыле (топливо, грузы, оборудование) или установленной на нем (двигатели, шасси, подвески и т.д.). Такая разгрузка крыла массовыми силами позволяет существенно снизить вес его конструкции. Поэтому с возрастанием размеров самолетов становится возможным и целесообразным все большую часть составляющих их веса располагать в крыле. Эта идея выражена в аэродинамической схеме "летающее крыло", которая была весьма популярна в первой половине прошлого века. Но тогда эта схема не могла обеспечить выигрыш в эффективности по сравнению с обычной. Для размещения пассажиров и грузов требовались большие объемы и площади такого крыла. При характерных для того времени малых весах и размерах самолетов значительная площадь крыла, выбираемая не из условий полета, приводила к малой удельной нагрузке на крыло (Go/S). Низки были и значения полетных коэффициентов подъемной силы Су (полетный Су равен удельной нагрузке на крыло, отнесенной к скоростному напору), из-за чего потенциально высокое аэродинамическое качество (К), присущее "летающему крылу", в крейсерском полете не достигалось (К= Су/Cх , где Cх - коэффициент аэродинамического сопротивления). Крыло получалось переразмеренным. Возрастание скоростей полета только усугубляло этот недостаток: с увеличением скоростного напора значения Су и К еще сильнее снижались. Более выгодным было использовать крыло меньшей площади, обеспечивающее достижение в крейсерском полете максимального аэродинамического качества, а нагрузку размещать в удлиненном в направлении полета фюзеляже, имеющем малую площадь миделевого сечения. Применение обычной схемы самолета позволило снизить суммарное аэродинамическое сопротивление.

Расчеты показывают, что схема "летающее крыло" выгодна для тысячеместных (и более) пассажирских самолетов, когда их веса (и удельные нагрузки на крыло) настолько возрастают, что размеры крыла, выбираемые из условия достижения в крейсерском полете максимального качества, становятся достаточными для размещения в нем и пассажиров с багажом, и топлива, и оборудования.

К настоящему времени уже созданы проектировочные методы расчета и получены весовые формулы для агрегатов самолета, позволяющие определить изменение веса конструкции и других составляющих веса воздушного судна при значительном возрастании его размеров (вне зависимости от сохранения геометрического подобия). На рис. 1 приведено сравнение по относительным весам коммерческой нагрузки различных аэродинамических схем магистральных пассажирских самолетов средней дальности. При пассажировместимости, превышающей 1000 человек, самолет обычной схемы с двухпалубным фюзеляжем (типа А-380) начинает уступать по величине Gком/Gо самолету типа "летающее крыло" со слабовыраженным (в виде гондолы) фюзеляжем и с частичным размещением пассажиров в корневой части крыла и в гондоле (наличие фюзеляжа, даже слабовыраженного, может явиться основанием для отнесения таких самолетов к схеме "бесхвостка"). Частичное размещение пассажиров в фюзеляже-гондоле позволяет не переразмеривать крыло и обеспечивать достижение в крейсерском полете большего аэродинамического качества. При дальнейшем увеличении размеров самолетов и числа мест примерно до 2000 и более, а также возрастании удельной нагрузки на крыло становится выгодным применение чистой схемы "летающее крыло" с размещением всех пассажиров только в крыле.

Таким образом, использование новых типов компоновки и аэродинамических схем, включая многопалубные фюзеляжи, схемы "бесхвостка" и "летающее крыло", позволяет отодвинуть наибольшие значения весовой отдачи по коммерческой нагрузке на возросшие величины размеров самолетов. Повышению экономической эффективности тысячеместных воздушных судов также будет способствовать внедрение более совершенных конструкций, материалов, оборудования, двигателей, того нового, что обусловлено научно-техническим прогрессом и также не учитывается законом "квадрата-куба". В последнее время за рубежом и в России проводились различные НИОКР, направленные на исследование облика перспективных многоместных самолетов, которые могут появиться в 2010 - 2020 гг. NASA и фирма Боинг объявили о намерении в 2002 г. приступить к летным испытаниям модели перспективных тяжелых пассажирских и транспортных самолетов, выполненных по схеме "летающее крыло" и соответствующих концепции BWB (Blended Wing Body). Фирма Макдоннелл-Дуглас еше в 1991 г. начала исследования самолетов типа BWB, рассмотрев проект 800-местного самолета с размахом крыла 88,1 м, длиной 48,8 м и высотой 12,2 м. Все исследованные компоновки следует отнести к смешанным схемам "летающее крыло" с более или менее выраженным фюзеляжем в виде гондолы, или фюзеляжем, соответствующим схеме "бесхвостка". Рассмотренные разными фирмами компоновки имели пассажировместимость 750 - 800 человек (три класса), размах крыла 85-100 м (некоторые имели отгибаемые вверх концы крыла для уменьшения размаха на стоянке и при рулежке). Как правило, все исследователи наряду с компоновкой BWB рассматривали для сравнения компоновки обычной схемы с хвостовым оперением и размещением пассажиров в фюзеляже (как правило, двухпалубном). Сравнение обоих вариантов показало, что схема BWB обеспечивает определенное снижение веса конструкции и обладает потенциально более высоким максимальным аэродинамическим качеством. Но достижение более высокого качества в крейсерском полете представляется проблематичным, потому что в рассматриваемых размерах удельная нагрузка на крыло в компоновке BWB остается примерно в 1,5 раза меньшей, чем у аналогов обычной схемы, и если у последних максимальное аэродинамическое качество на крейсерском режиме достигается, то у компоновки BWB - нет (полет совершается на Су, меньших оптимальных). При этом продолжает негативно сказываться вынужденная переразмеренность крыла компоновки BWB. (При этом учитывается, что схема "летающее крыло" из-за особенностей ее балансировки всегда будет иметь меньшую удельную нагрузку по сравнению с обычной схемой, но не в 1,5 же раза). Следовательно, решающих преимуществ при рассматриваемых размерах схема BWB пока не обеспечивает - необходимо дальнейшее возрастание пассажировместимости и размеров для того, чтобы опережающий рост объемов и весов обеспечил более рациональное и более удобное размещение пассажиров в крыле с увеличением до оптимальных значений удельной нагрузки и Су. Жаль, что фирмы не исследовали компоновки с пассажировместимостью 1200-1500 и более человек, но, как видно, это еще впереди.

Еще большее разнообразие схемно-компоновочных решений характерно для разрабатываемых в течение последних десятилетий проектов сверхтяжелых грузовых самолетов, предназначенных для решения проблем возрастания грузоперевозок особенно в условиях энергетического и прочих кризисов. При этом важное значение имеет разработка классификации схем и компоновок гигантских самолетов, которые способствуют систематизации рассматриваемых тенденций. Успех любой классификации зависит от того, действительно ли важнейший признак или критерий выбран из всего многообразия и положен в ее основу. Анализ результатов применения классификации по аэродинамическим схемам к сверхтяжелым самолетам показал узость, ограниченность ее использования для оценки принципиальных, качественных отличий, характеризующих отдельные конструктивно-компоновочные решения. В этих проектах наглядно прослеживается отмеченная тенденция ко все большему размещению грузов в крыле. Однако, на практике эту тенденцию нельзя обнаружить с помощью классификации по аэродинамическим схемам, т.к. варианты размещения всех грузов не только в фюзеляже, но и смешанное их расположение в фюзеляже и крыле (и даже полное их размещение в крыле) могут быть реализованы в любой из трех известных аэродинамических схем. Например, проект самолета фирмы Локхид с распределенной по размаху крыла полезной нагрузкой (схема "Спенлоудер"), который имеет все весовые и конструктивно-компоновочные отличия, присущие схеме "летающее крыло"; однако, добавление установленных на концах крыла консолей горизонтального оперения заставляет отнести этот самолет к обычной аэродинамической схеме с хвостовым оперением, а не к "летающему крылу". Поэтому целесообразно классифицировать сверхтяжелые транспортные и грузовые самолеты не по аэродинамическим схемам, а по главнейшим их отличительным признакам, связанным с местом размещения их полезной нагрузки. Именно такая классификация этих самолетов позволяет выявить основные отличия в схемно-компоновочных решениях, влияющих на их весовые, аэродинамические, эксплуатационные характеристики, а следовательно, и на показатели их экономической эффективности.

Изображенная на рис. 2 классификационная схема включает три основных класса сверхтяжелых транспортных самолетов, отличающихся местом расположения полезной нагрузки. Размещение грузов в фюзеляже может быть выполнено как по однофюзеляжной схеме (все современные грузовые и транспортные самолеты, проекты самолетов с несущим фюзеляжем "Синь", "Колос" и др.), так и по двухфюзеляжной (проекты фирм Макдоннелл-Дуглас и Локхид), которая обеспечивает большую разгрузку крыла, ускорение выгрузки-погрузки, удешевление производства. Аналогичные преимущества можно обеспечить, размещая полезную нагрузку и в гондолы-контейнеры, расположенные по размаху крыла гигантского самолета (например, проект RC.I фирмы Боинг). Именно многофюзеляжные компоновки, а также расположение гондол-контейнеров по размаху крыла являются наглядными примерами борьбы за снижение веса конструкции при возрастании размеров самолетов.

Тенденция размещения значительной части полезной нагрузки в крыле (наряду с фюзеляжем) выражается в смешанных вариантах компоновки. Применение крыла самолета "Спенлоудер" с толстым сверхкритическим профилем (относительная толщина до 21%), либо большего наплыва в корневой части крыла с большими абсолютными высотами хорд (проект самолета D.3122), либо крыла треугольной формы в плане позволят располагать в крыле, как и в фюзеляже, грузы значительных размеров, например, стандартные контейнеры с сечением 2,44х2,44 м.

Наконец, проекты самых тяжелых самолетов предусматривают размещение всей полезной нагрузки внутри гигантского крыла. Использование суперкритических профилей большой строительной высоты облегчает решение этой задачи. Характерно, что трудности обеспечения продольной устойчивости и управляемости вынуждают в ряде проектов снабжать такое крыло горизонтальным оперением, установленным на килях по концам крыла, отказываясь от чистой схемы "летающее крыло".

На рис. 2 показаны примеры компоновок самолетов в двух вариантах: с прямым крылом (скорость полета М<=0,65) и со стреловидным крылом (скорость полета 0,75<=М<=0,85). Таким образом, предлагаемая классификация учитывает и различия в скоростях полета самолетов.

Digest

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