Определяя контуры будущего

Грэм УОРВИК, Вашингтон
Гражданские самолеты имеют много возможностей для того, чтобы стать гораздо чище и тише в ближайшие 25 лет, но производителям необходимо решить, как далеко они хотят развивать технологии, а авиакомпаниям требуется определить, сколько они готовы заплатить за эффективность.
Потенциал для усовершенствований содержится в исследовании, проведенном для NASA четырьмя конструкторскими командами под управлением Boeing, General Electric и Cessna, Массачусетским технологическим институтом, а также Northrop Grumman. Эти команды определили конфигурации летательных аппаратов, способных соответствовать жестким экологическим нормативам, намеченным NASA для дозвукового авиалайнера поколения N+3, который будет введен в строй в 2030–2035 гг. (N означает сегодняшнее поколение самолетов). Затем они создали дорожные карты, чтобы доработать требуемые технологии. Boeing и Lockheed Martin одновременно провели схожие исследования сверхзвукового самолета поколения N+3, определив конфигурации и разработав технологические дорожные карты пути к тихому эффективному высокоскоростному авиалайнеру. Целью всех этих исследований является помощь NASA в выборе направлений дозвуковых и сверхзвуковых исследований в рамках ее возрождающейся программы развития аэронавтики.
Рубен дель Росарио, ведущий исследователь проекта дозвукового самолета NASA, говорит: "У исследований было три цели: определение будущего сценария на 2030–2035 гг., разработка перспективной концепция самолетов для этого сценария и получения технологий, а также подготовка дорожных карт для их разработки. В целом исследования обозначили четкий путь для работ в области аэродинамики, силовых установок и материалов".
Цели программы N+3 NASA включают в себя уменьшение потребления топлива более чем на 70%, снижение эмиссии на 75% и сокращение уровня шума на 71 дБ относительно сегодняшних самолетов. Конструкторские команды боролись за то, чтобы добиться соответствия всем этим целям в одной конструкции. Некоторые из них предложили новые концепции самолетов и движителя. Одна команда приблизилась к целям с обычной конфигурацией, посредством синергического применения новых технологий, но предупреждает, что такой самолет будет дорогим. Дель Росарио утверждает: "Наша стратегия N+3 одновременно посвящена всем целям. Из результатов понятно, что исследовательским командам не удалось добиться всех целей одновременно".
Рич Валс, исследователь проекта дозвукового самолета NASA, говорит: "Всем сказали, что цели сложные, но вполне достижимые со временем. Мы попытались стронуть их с места. Я думаю, исследование было интересно для них, поскольку оно простиралось дальше, чем обычно можно было позволить". Хотя рабочие группы были вправе определить свой собственный сценарий, три команды выбрали цель, подобную Boeing 737. Валс добавляет: "Они тяготели к среднемагистральным самолетам". Массачусетский технологический институт также исследовал дальнемагистральный самолет размерности Boeing 777, в то время как команда GE/Cessna сосредоточилась на небольшом самолете для региональных перевозок.
В исследованиях есть общие темы, такие как крейсерский полет на более медленной скорости и большей высоте по сравнению с сегодняшними самолетами, для того чтобы уменьшить сопротивление воздуха и расход топлива. Исследователи остановились на 0,70–0,75M и 13700 м по сравнению с 0,78–0,80М и около 10700 м сегодня, решив, что система управления воздушным движением справится с подобными изменениями. Они также склоняются к двигателям с большей степенью двухконтурности с меньшими газогенераторами, полагая, что преимущества открытых роторов пока не были доказаны. Интегрированные конструкции крыла-фюзеляжа тoже не очень популярны из-за пустого пространства вокруг пассажирского салона при меньших размерах.
Исследовательская команда компании Boeing, названная командой по исследованию дозвукового ультраэкологичного самолета (Subsonic Ultra Green Aircraft Research, сокращенно: Sugar), в которую вошли GE и Технологический институт Джорджии, выбрала 150-местный самолет класса 737 и разработала серию более передовых концепций, пытаясь достичь целей N+3. Предложенная ею для 2030 г. традиционная конфигурация, прозванная Refined Sugar, обладает уменьшенной стреловидностью, ламинарным обтеканием и перспективными турбовентиляторными двигателями, что обеспечивает сокращение расхода топлива на 44% и сокращение уровня шума на 16 дБ. Эмиссия оксидов азота NOХ составляет 42% от текущего ограничения, установленного Комитетом ICAO по защите окружающей среды от воздействия авиации (CAEP/6). Эти цифры намного уступают поставленным целям NASA.
Данное обстоятельство привело к Sugar High, конфигурации с подкосным крылом большого удлинения в целях достижения большей аэродинамической эффективности. Эта конструкция также использует дополнительные технологии, которые, как ожидается, будут доступны в период N+3, включая более эффективные турбовентиляторные двигатели или двигатели с открытым ротором. Результатом станет уменьшение расхода топлива на 39–46%, снижение уровня шума на 22 дБ и эмиссия NOХ на уровне 28% от требуемых CAEP/6. Эта конфигурация также сопровождается предупреждением относительно неясности в определении веса длинного тонкого крыла.
Снова не достигнув целей NASA, команда обратилась к Sugar Volt, то есть конфигурации Sugar High с электрическим движителем. Исследователи изучили вариант только с батареей и гибриды топливный элемент / газовая турбина, но остановились на турбоэлектрическом гибриде, у которого турбовентиляторный двигатель с высокой степенью двухконтурности работает на реактивном топливе и/или батареях. Короткие полеты совершаются с помощью электрического движителя, а для более длительных используется реактивное топливо. Результатом является сокращение расхода топлива более чем на 63%, что близко к 70%-ной цели NASA, но достигается это ценой необходимости нести 9500 кг батарей.
Команда Boeing также изучила гибридную технологию крыла-фюзеляжа (HWB), Sugar Ray, с акцентом на уменьшение уровня шума с помощью экранирования планером перспективных турбовентиляторных двигателей. Уровень шума на местности уменьшен на 37 дБ, до самого низкого уровня среди конфигураций Sugar, однако все еще намного меньше цели N+3 NASA.
Напротив, команда Northrop Grumman, которая также включала в себя других членов, таких как Rolls-Royce, Sensis Corp., Spirit AeroSystems и университет Тафтa, почти достигла целей NASA относительно расхода топлива, уровня шума, эмиссии и длины взлетной полосы с помощью внешне обычной конфигурации. Команда выбрала 120-местный самолет, который может эксплуатироваться с менее загруженных аэропортов с взлетно-посадочной полосой длиной 1500 м, что позволит увеличить перевозочную мощность транспортной инфраструктуры.
Сэм Брюнер, управляющий проектированием конфигурации Northrop Grumman Aerospace Systems, говорит: "Мы показали, что, применяя подходящие технологии, можно добиться некоторых довольно значительных улучшений, причем так, чтобы они каскадом следовали одно за другим. Внешний облик не революционен, но у него есть революционные изменения в расходе топлива, уровне шума и уменьшении эмиссии NOХ, достигнутые с помощью вклада многих технологий".
Конфигурация N+3 Northrop Grumman достигла снижения уровня шума на 69,6 дБ, уменьшения расхода топлива на 63,5% и эмиссии NOХ до уровня, на 90,6% меньше требований CAEP/6, что почти соответствует или превосходит цели NASA. Использованные технологии включают в себя перспективный трехвальный турбовентиляторный двигатель, стреловидное крыло с ламинарным потоком, большие интегрированные композитные конструкции, активное аэросервоэластичное управление, углеродно-нанотрубчатые электрические провода и передовые акустические меры.
Брюнер говорит: "Трехвальный двигатель, выполненный по перспективной технологии, дает большой вклад в уменьшение расхода топлива. Когда вы сокращаете расход топлива, вы снижаете вес самолета, уровень шума, и улучшения следуют одно за другим, нарастая как снежный ком". По его словам, полет на большей высоте требует более низкой нагрузки на крыло, что повышает эксплуатационные характеристики без изощренных приспособлений с высокой подъемной силой, а отказ от отклоняемых предкрылков еще более уменьшает уровень шума.
"К счастью, NASA особо оговорила, что стоимость не принимается в расчет, — поясняет Брюнер. — У нас будет немного более дорогой самолет с большими двигателями для крейсерского полета на высоте 13700 м и большими крыльями для длины ВПП в 1500 м". Он добавляет, что производителям и авиакомпаниям предстоит найти компромисс между стоимостью, эффективностью и экологической безопасностью. Несмотря на планируемые радикальные улучшения, команда Northrop Grumman использовала "довольно консервативные технологии" в конфигурации машины. Брюнер утверждает: "Мы провели четкую отправную линию на шестом уровне готовности технологий (TRL 6) к 2025 г.".
Подход Массачусетского технологического института был более инновационным. Команда, которая включала Aerodyne Research, Aurora Flight Sciences и Pratt & Whitney, выбрала 180-местный региональный и 350-местный дальнемагистральный авиалайнеры и предложила две необычные конфигурации. D8 Series размерности 737 имеет фюзеляж с овальным сечением, работающий как крыло малого удлинения, тонкое крыло уменьшенной стреловидности и три турбовентиляторных двигателя наверху хвостовой части фюзеляжа. H3 Series размерности 777 представляет собой гибридное крыло-фюзеляж с встроенной распределенной двигательной установкой.
Массачусетский технологический институт утверждает, что D8.5 с перспективным композитным планером, сверхвысокой степенью двухконтурности двигателей и ламинарным обтеканием почти превосходит цель 70%-ной экономии топлива NASA, превышает цели эмиссии NOХ с 87%-ным уменьшением по сравнению с требованиями CAEP/6, но не достигает цели по уровню шума, обеспечивая его уменьшение на 60 дБ. Все конфигурации D8 могут эксплуатироваться с взлетно-посадочной полосы длиной 1500 м. Большая часть этих улучшений приписывается базовой конфигурации.
Джим Хайлмэн, главный инженер-разработчик Массачусетского технологического института, говорит: "Исследование помогло нам начать размышлять с чистого листа. Трудно добиться реальных улучшений при размерности 737. Конструкция D8 воплощает элементы гибридного крыла-фюзеляжа, но без неиспользуемого свободного места". Поперечное сечение фюзеляжа D8 подобно двум обычным "трубам", помещенным бок о бок для того, чтобы обеспечить размещение сидений с двумя проходами. Дополнительная подъемная сила от фюзеляжа позволяет сократить размеры крыла и хвостового оперения.
Еще одной ключевой чертой конструкции является размещение двигателей: они встроены в заднюю часть фюзеляжа, где всасывают пограничный слой воздуха, идущего по верхней части фюзеляжа, улучшая эффективность движителя, и находятся между двухкилевым оперением, экранирующим шум. Турбовентиляторные двигатели для D8.5 имеют степень двухконтурности 20 по сравнению со степенью 5 двигателей CFM56 модели 737, однако их ограниченный размер требует маленьких высокоэффективных газогенераторов.
"Было весьма удивительно, что мы добились целей при размерности 737, — говорит Хайлмэн. — Мы предположили, что если сделаем самолет достаточно большим, то интегрированное крыло-фюзеляж поможет этого добиться, но при размерности 777 такой подход не сработал". Массачусетский технологический институт также рассматривал турбоэлектрический гибридный движитель: "Мы думали, что он будет главным победителем, но он оказался не таким уж выгодным".
Команда GE/Cessna применила совсем другой подход, сосредоточившись на маленьком самолете для прямых региональных перевозок между небольшими аэропортами. Команда разработала несколько сценариев, при которых 20-местный авиалайнер соединит аэропорты населенных пунктов с аэропортами-сателлитами хабов или соединит аэропорты-сателлиты, избегая основные хабы. Она разработала базовую концепцию B-20, двадцатиместный двухдвигательный реактивный самолет с расположением сидений по три в ряд, на основе существующей технологии Cessna Citation.
Впоследствии команда разработала серию конфигураций, для того чтобы добиться соответствия целям N+3. Кульминацией стала 20-местная концепция AR-20, с двумя турбовинтовыми двигателями, с расположением сидений по четыре в ряд, ламинарным обтеканием передней половины фюзеляжа, внешними секциями высокорасположенного крыла и Т-образным хвостовым оперением, а также ультраэффективным турбовинтовым двигателем с низкой эмиссией NOХ и сверхтихим восьмилопастным пропеллером. Результатом стало уменьшение расхода топлива на 69%, уровня эмиссии NOХ на 75% и уровня шума на 54 дБ по сравнению с основным B-20, что соответствовало целям NASA или приближалось к ним.
Все дозвуковые команды N+3 представили предложения для последующей Фазы 2, которая должна начаться в 2011 финансовом году, в ходе которой ключевые технологии, выбранные из дорожных карт Фазы 1, пройдут дальнейшее моделирование и тестирование. Дель Росарио говорит: "Компаниям нужно было сначала предложить области для исследований и объяснить, почему необходимо провести определенную работу". Недостаток финансирования означает, что для сверхзвуковых исследований N+3 не планируется Фаза 2, но и Boeing, и Lockheed Martin продуют в аэродинамической трубе модели своих конструкций N+2 для временного периода до 2020 г. Дель Росарио объясняет: "С моей точки зрения, цели N+3 хороши, но сейчас у нас есть другие задачи, о которых мы должны начать думать. Наши цели связывают расход топлива с уменьшением эмиссии CO2, но мы выяснили, что есть другие способы, которыми мы можем уменьшить CO2, не обязательно приводящие к уменьшению расхода топлива".
Валс говорит: "Постановка целей выполнила свою задачу. Этих целей можно достичь, однако вместо того чтобы говорить о расходе топлива, мы должны говорить о расходе энергии, чтобы мы могли сравнить различные типы движителей, использующие различные источники энергии".
По мнению Брюнера, исследование Northrop Grumman показало, что поставленные цели реалистичны: "С глобальной точки зрения у нас будет недостаток энергии к 2030 г., поэтому все, что мы можем сделать для уменьшения расхода топлива, поможет сохранить ресурсы".

Читайте также  Перспективы несущего фюзеляжа