Как стать автором
Обновить

Авиалайнер будущего: смешать, но не взбалтывать

Время на прочтение24 мин
Количество просмотров14K

В 2003 году журнал Popular Mechanics опубликовал рендеры огромного и очень необычного пассажирского самолёта «Боинг-797», что вот‑вот будет воплощён в металле и углепластике. Талантливо сделанные картинки авиалайнера, гордо парящего в штормовом небе или вальсирующего по рулёжке на фоне современного мегаполиса, были незамедлительно подхвачены мировыми СМИ. Случился небольшой скандал, и представителям «Боинга» пришлось всё опровергать. Но облик машины не был досужим вымыслом — за ним стояло 15 лет кропотливой работы авиастроителей США и не только.

«Возможен ли ренессанс…»

A-380 в небе Жуковского, МАКС-2013
A-380 в небе Жуковского, МАКС-2013

История развития пассажирских самолётов насчитывает более ста лет, из которых первые полвека у них наряду с прочими параметрами планомерно увеличивалась вместимость, достигнув 450 пассажиров у «Боинга-747». Впоследствии рост замедлился, но с началом нового века рекорд американского «слона» побили европейцы: «Эйрбас» А-380 в «туристическом» варианте салона способен перевозить до 840 человек. Правда, в таком виде его не заказывали, но и в более комфортных компоновках европейский гигант берёт на борт более 500 пассажиров.

Спрос на авиаперевозки непрестанно растёт, порождая всё новые проекты левиафанов‑аналогов А-380 и даже больших; за рубежом они получили обиходное название SuperJumbo, то есть крупнее, чем просто Jumbo — «Боинг-747». Их расчётная вместимость приближается к тысяче человек. Напихав в один самолёт побольше людей, можно серьёзно сэкономить, как минимум, на зарплате экипажа, а также, что важнее, снизить нагрузку на аэропорты, ведь темп их ввода отстаёт от темпов роста перевозок, да и предел их числа очевиден: не застраивать же все пригороды мегаполисов взлётными полосами. Речь идёт уже о безопасности: длинные очереди на посадку в крупнейших воздушных гаванях мира создают чреватую самыми печальными последствиями запредельную нагрузку на диспетчерские службы.

«Крылья России 860» - старый концепт «суперслона» традиционной компоновки от ОКБ Сухого. 860 (!) - количество перевозимых пассажиров
«Крылья России 860» - старый концепт «суперслона» традиционной компоновки от ОКБ Сухого. 860 (!) - количество перевозимых пассажиров

Технических препятствий для создания «суперслона» нет: грузоподъёмность самых больших «транспортников», вроде Ан-124 и С-5, позволяет увезти тысячу человек и даже полторы. Подобный им авиалайнер своим видом не будет сильно отличаться от предшественников: двухпалубный фюзеляж, крыло небольшой стреловидности (для пассажирского самолёта, в отличие от транспортного, его выгоднее делать низкорасположенным), под которым висят четыре двигателя, вертикальное и горизонтальное оперение на хвосте — всё это давно знакомо нам по «Ту» и «Илам», «Боингам» и «Аэробусам». Но нетривиальность задачи и технический прогресс ставят под вопрос оптимальность именно таких самолётов: они, по всей видимости, исчерпали возможности своего развития.

Остроту ситуации подчеркнул в 1988 году Денис Бушнел из Исследовательского центра Ленгли NASA, разразившись вопросом: «Возможен ли ренессанс дальнемагистрального транспорта?» Ответом ему стали разного рода нетрадиционные компоновки, к коим всё чаще обращают свои взоры авиаконструкторы всего мира. Среди них необычным внешним видом и перспективами применения именно на сверхбольших лайнерах выделяется концепция, названная американскими разработчиками Blended Wing Body (BWB) — «сопряжённое (или смешанное) крыло‑корпус». В нашей терминологии самым близким аналогом этого термина, наверное, является «несущий корпус».

Первые исследования

Геометрические изыскания группы Либека
Геометрические изыскания группы Либека

В США пионером практической разработки концепции BWB стала фирма «Макдоннелл Дуглас». После окончания холодной войны она испытывала финансовые трудности из‑за потери оборонных заказов. Возможно, в нетрадиционных компоновках её менеджеры видели путь к быстрому переделу рынка больших гражданских самолётов, на котором уже тогда намечалась дуополия «Боинга» и «Эрбаса». Группа инженеров под руководством Роберта Либека рассмотрела три простых геометрических формы: шар, цилиндр и диск — такого объёма, чтобы обеспечить размещение восьмисот пассажиров. У шара оказалась минимальная площадь поверхности, что теоретически способствует уменьшению сопротивления трения; хорош он и с точки зрения веса, ибо по сфере отлично распределяются нагрузки от внутреннего давления. Но шар — плохообтекаемое тело: едва одолев мидель, поток от него отрывается с образованием мощной вихревой пелены. На её перемещение тратится столько энергии, что экономия на трении перекрывается с лихвой. Если шар сплюснуть в диск, его обтекание приблизится к безотрывному, а площадь поверхности станет примерно такой же, как у цилиндра — геометрической основы традиционного фюзеляжа. Но если приделать к этим телам одинаковые крылья, то разница всё‑таки появится.

В аэродинамических расчётах традиционно берётся площадь крыльев с «подфюзеляжной частью», то есть условно продлённых внутрь корпуса, что позволяет учесть дополнительную подъёмную силу, создаваемую им самим и его интерференцией с крылом. Диск шире цилиндра – в нём «утонет» большая доля площади крыла, что и даст экономию омываемой поверхности конфигурации «фюзеляж-крыло». Фокус с подкорпусной частью может показаться сугубо формальным: выступающая в поток площадь крыла гораздо меньше, а ведь именно она «несёт». Но несущая способность присуща всем агрегатам планёра, и у сплюснутого фюзеляжа она гораздо выше, нежели у цилиндрического. Он действительно становится «немножко крылом», внося зримый вклад в общую подъёмную силу самолёта.

ХАИ-Авиавнито-3 - единственное «летающее крыло», работавшее (недолго) на регулярных пассажирских перевозках
ХАИ-Авиавнито-3 - единственное «летающее крыло», работавшее (недолго) на регулярных пассажирских перевозках

Такая концепция близка, вплоть до полной внешней схожести, к аэродинамической схеме «летающее крыло». Но облики‑близнецы получаются противоположными путями: в основе «летающего крыла» лежит не создающий подъёмную силу фюзеляж, а, наоборот, крыло, играющее роль фюзеляжа и стабилизирующих поверхностей. У «летающего крыла» фюзеляж редуцируется до одной или нескольких коротких гондол, зачастую нет вертикального оперения и практически всегда — горизонтального, так что оно считается возведённой в абсолют схемой «бесхвостка». У BWB фюзеляж полноразмерный, но необычной формы (хотя можно считать его и центропланом сложносоставного крыла), всегда есть вертикальное оперение, и нередко — горизонтальное.

Ранняя концепция BWB с достаточно выраженным фюзеляжем и консолями крыла очень большого удлинения
Ранняя концепция BWB с достаточно выраженным фюзеляжем и консолями крыла очень большого удлинения

Впрочем, горизонтальный стабилизатор вовсе не обязателен, ведь рули высоты можно навесить и на заднюю кромку корпуса. Тогда омываемая площадь полной конфигурации самолёта окажется на треть ниже, чем в традиционной схеме. Но отсутствие стабилизатора накладывает и серьёзное ограничение: для того, чтобы облегчить продольную балансировку машины, несущее тело (так, пожалуй, корректнее в данном случае называть фюзеляж) нужно формировать из S-образных профилей с отогнутой вверх задней кромкой. В плане корпусу целесообразно придать форму наконечника копья – по сравнению с круглым диском это слабо повлияет на площадь поверхности, зато заметно снизит лобовое сопротивление.

Двигатели на новаторский самолёт можно было бы установить как обычно – под крыльями. Но что, если разместить их над верхней поверхностью широкого несущего корпуса? Тогда акустические колебания, исходящие от компрессора, будут экранироваться планёром, заметно уменьшая шум на местности, борьба с которым в последнее время приобрела бескомпромиссный характер. А чтобы не было шумно в салоне, двигатели нужно отнести далеко в хвостовую часть.

Один из вариантов облика по предварительным проработкам «Макдоннелл Дуглас»
Один из вариантов облика по предварительным проработкам «Макдоннелл Дуглас»

В непосредственной близости от тела при обтекании его воздушным потоком образуется пограничный слой — заторможенная область, в возникновении которой повинна вязкость. Пограничный слой даёт сопротивление трения, на высоких дозвуковых скоростях составляющее до половины общего сопротивления. Помимо сокращения «трущейся» поверхности, с ним можно бороться, и воздействуя на сам пограничный слой. Например, поставить на его пути воздухозаборник двигателя. Тогда заторможенный поток с некоторой части летательного аппарата пойдёт в двигательный тракт, что уменьшит сопротивление трения. Особенно эффективно «слизывать» толстый пограничный слой с хвостовой части самолёта — как раз оттуда, где установили моторы инженеры «Макдоннелла». Правда, попав в двигатель, заторможенный поток ухудшает его характеристики, может вызвать неустойчивую работу и даже отказ. Поэтому обычно пограничный слой в воздухозаборники стараются не допускать, оставляя между ними и планёром узкую щель; но в последние годы всё большее влияние набирает идея о том, что если прогнать заторможенный поток через тракт двигателя, то выиграем мы больше, чем проиграем.

В традиционной схеме пассажирского самолёта подъёмная сила распределяется поперёк, а вес – вдоль. У BWB весовая нагрузка распределена преимущественно поперёк самолёта, что позволяет разгрузить конструкцию
В традиционной схеме пассажирского самолёта подъёмная сила распределяется поперёк, а вес – вдоль. У BWB весовая нагрузка распределена преимущественно поперёк самолёта, что позволяет разгрузить конструкцию

Авиалайнер испытывает в полёте три основных рода нагрузок: аэродинамические, весовые и от внутреннего давления гермоотсеков. Из аэродинамических нагрузок наибольшее значение имеют нормальные, создаваемые подъёмной силой. Главным фактором нагружения становится изгиб, на стреловидном крыле усложнённый кручением. Нормальные нагрузки по величине с точностью до косинуса малого угла равны весовым. Если бы масса и подъёмная сила прикладывались в одном месте, они бы компенсировали друг друга, и не нужно бы было высоких лонжеронов и монструозных стыковых узлов. Но распределены они по-разному: аэродинамическая нагрузка приложена в основном к крыльям, а львиная доля массы сосредоточена в фюзеляже. На практике даже небольшое распределение массы поперёк самолёта даёт ощутимый эффект: «разгрузить» крыло можно, повесив на нём двигатели и разместив внутри топливные баки. У BWB с двигателями на хвосте консоли крыла не разгружаются, зато значительная доля подъёмной силы создаётся корпусом, где и сосредоточена масса. Поэтому эпюра нормальной силы более плоская, изгибающий момент меньше, воспринимающие его силовые элементы легче.

Сложнее дело обстоит с внутренним давлением, которое нагружает герметичные отсеки. Верхняя и нижняя панели фюзеляжа практически плоские, они воспринимают «надувательство» намного хуже шара или кругового цилиндра. Им недопустимо не только лопнуть, но и в сколь-нибудь заметной степени деформироваться, ведь отклонение «несущего корпуса» от теоретической формы ведёт к перераспределению подъёмной силы, а значит, изменению характеристик управляемости, напрямую связанных с безопасностью полёта.

Концепции конструктивно-силовой схемы несущего тела
Концепции конструктивно-силовой схемы несущего тела

Чтобы корпус сохранял внешнюю форму, изнутри он должен быть подкреплён нервюрами, то есть широкий пассажирский салон в любом случае будет разделён продольными перегородками на несколько залов. Были рассмотрены две концепции передачи нагрузок от внутреннего давления. Первая подобна двухкорпусной подводной лодке. Герметичный «прочный корпус» предполагалось сделать в виде параллельных цилиндров, в сечении представлявших собой вертикальный овал со стенками-нервюрами, сводчатым верхом и низом. Снаружи его прикрывает «лёгкий корпус» – подкреплённая обшивка, которая не «держит» внутреннее давление в нормальном полёте. Но всё равно она должна быть достаточно прочной, чтобы в случае разгерметизации салона не разрушиться от скачка давления – конструкция получается перетяжелённой. Поэтому возобладал второй вариант: и давление, и изгиб воспринимаются наружной обшивкой, выполненной в виде толстых многослойных панелей.

Были выявлены и другие проблемы, порой весьма неожиданные. Очевидно, пол пассажирского салона должен быть ровным. В цилиндрическом фюзеляже проблем с этим нет, а образующие «несущий корпус» профили имеют сложную форму, в которую не так-то просто вписать сколь-нибудь протяжённую горизонталь. Обеспечение нужных характеристик устойчивости и управляемости, большие потребные размеры рулевых поверхностей и мощности приводов, недостаточная эффективность механизации (посадочных закрылков) бесхвостого самолёта – эти проблемы, благодаря опыту «летающих крыльев», сюрпризом не стали, но всё же их требовалось решать. «Несущий корпус» с большой долей поверхностей двойной кривизны даже построить сложнее, чем традиционный самолёт, как будто составленный из цилиндров и конусов. В общем, инженерам «Макдоннелл Дугласа» было над чем поломать голову, благо их начинание получило мощную поддержку со стороны NASA. В 1994 г. была утверждена трёхлетняя программа научно-исследовательских работ. Почти что частная инициатива, пусть и весьма мощной фирмы, приобрела воистину государственный размах.

От Макдоннелла до Боинга

BWB-800
BWB-800

Для более подробной отработки BWB в рамках Программы перспективных авиационных концепций был сформирован целый консорциум предприятий. Головным остался «Макдоннелл Дуглас», совместно с ним работали подразделения NASA – Исследовательские центры Ленгли и Гленна. Честь студенческой науки защищали Станфордский, Южнокалифорнийский, Флоридский университеты и университет Кларк-Атланта. Технические требования были дополнены, но в отсутствие коммерческого заказчика оставались довольно расплывчатыми: лайнер должен был перевозить 800 человек (отсюда название проекта BWB-800) на расстояние 7000 морских миль (13000 км) с крейсерской скоростью около 900 км/ч (при числе Маха М=0,85) на высоте не менее 10 км. Посадочная скорость, лимитированная величиной 280 км/ч, определила площадь крыла-корпуса: из-за присущей бесхвостой схеме низкой эффективности закрылка подъёмная сила на посадке будет меньше, требуя увеличить несущую поверхность в полтора раза по сравнению с «нормальным» самолётом.

В ходе аэродинамического проектирования удалось получить форму с минимальным индуктивным сопротивлением и хорошими срывными свойствами. Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы, и снизить его можно, в сущности, лишь одним способом: оптимизировав распределение подъёмной силы по размаху крыла. «Идеальная» эпюра такого распределения представляет собой полуэллипс. Проблему для её построения в компоновке BWB представляли длинные хорды корпуса, которые могли дать чересчур большую подъёмную силу. Но этот недостаток обернулся преимуществом: в центроплане применили S-образные профили с отогнутой вверх задней кромкой, облегчавшей балансировку, и формой, обеспечивающей беспроблемное размещение пассажирского салона. Несущая способность у таких профилей невысокая, что и было нужно. Отрыв потока начинался на стыке центроплана и консолей, внешние секции элевонов в его зону не попадали, поэтому управляемость на закритических режимах сохранялась.

Поверхности управления и механизации BWB-800
Поверхности управления и механизации BWB-800

Эффективность управления по тангажу представлялась довольно низкой из‑за маленького плеча рулей‑элевонов, поэтому ими заняли почти всю заднюю кромку крыла. Улучшить управляемость можно, перейдя к статически неустойчивой в продольном канале компоновке, как, например, на современных истребителях. Неустойчивый самолёт не надо «тащить» рулями, ему достаточно дать лёгкого «пинка» в нужном направлении, и он сам быстро совершит необходимую эволюцию — надо лишь успеть её вовремя затормозить. У неустойчивого «летающего крыла» отсутствуют потери подъёмной силы на балансировку (при том что у устойчивого они весьма большие). Но лётчику процесс пилотирования такой машины будет напоминать родео, посему задачу стабилизации необходимо полностью отдать на откуп очень надёжному автопилоту.

Принцип работы винглета
Принцип работы винглета

Проблема устойчивости и управляемости по курсу получила, на первый взгляд, тривиальное решение: обычные кили с рулями направления, только вынесенные на концы крыла. Но будучи расположенными таким образом, они работают как винглеты (вертикальные законцовки крыла), снижая индуктивное сопротивление. На малых скоростях рулям направления «помогают» внешние секции элевонов. Они могут расщепляться сразу и вверх, и вниз, давая прирост сопротивления на одной из консолей и, соответственно, неплохой управляющий момент.

Модель BWB-800 на хвостовой державке в аэродинамической трубе NTF
Модель BWB-800 на хвостовой державке в аэродинамической трубе NTF

В процессе формирования аэродинамического контура использовались новейшие на тот момент методы вычислительной гидродинамики, что позволило существенно сократить количество дорогих экспериментов, выходя в аэродинамическую трубу уже с готовой рациональной геометрией, требующей лишь проверки принятых решений. Исследования велись в Центре Ленгли на Национальной трансзвуковой установке (NTF) и показали отличную сходимость с расчётами; верификация и валидация вычислительных методов стали даже более важным результатом, чем сами аэродинамические характеристики. Серию испытаний на «обмоторенной» модели четырёхпроцентного (1:25) масштаба провели в малоскоростной трубе с рабочей частью 14х22 фута (4,3х6,7 м). Она позволила оценить срывные характеристики конфигурации и влияние интерференции с двигательной установкой.

Летающая модель BWB-17, построенная в Станфордском университете
Летающая модель BWB-17, построенная в Станфордском университете

Наряду с вычислительной гидродинамикой, новой технологией исследований стали испытания радиоуправляемой модельки. Беспилотник, построенный в Станфордском университете под руководством Илона Кру, повторял геометрию реального аппарата в масштабе 6% и оснащался двумя двухтактными поршневыми двигателями объёмом по 35 см3. По размаху крыла в футах демонстратор получил название BWB-17. Модель была статически неустойчивой, управление и регистрация характеристик осуществлялись компьютером. Перед полётами динамику самолётика изучили, закрепив его на крыше автомобиля. В небо же он поднялся 29 июля 1997 г., оторвавшись от поверхности высохшего озера Эль-Мираж в Калифорнии. В ходе испытаний демонстратор показал отличную управляемость.

Модель BWB-800 с имитацией протока на пилонной державке в аэродинамической трубе 14х22 фута
Модель BWB-800 с имитацией протока на пилонной державке в аэродинамической трубе 14х22 фута

Важной частью аэродинамического проектирования стало исследование двигательной установки. Мощное взаимное влияние планёра и воздухозаборных устройств (ВЗУ) создавало серьёзные трудности в разделении задач внешней и внутренней аэродинамики. Очень перспективной считалась работа двигателей с поглощением пограничного слоя. В Станфордском университете проводили численное моделирование и даже оптимизацию таких заборников, сравнивали их по внешнему сопротивлению с традиционными. Южнокалифорнийский университет экспериментировал с различными моделями ВЗУ на стенке, имитирующей планёр. Рассматривались и альтернативные компоновки. Двенадцать исследованных вариантов моделировали двигатели на пилонах, «прилепленные» к корпусу и «утопленные» в него с S-образным ВЗУ, с воздухозаборниками сверху или снизу, само собой, с разным отношением к пограничному слою и даже с разным числом моторов. Критериями сравнения были качество потока на входе в силовую установку и внешнее сопротивление, но учитывались и частные ограничения, связанные с ремонтопригодностью, шумом, использованием реверса тяги, опасностью попадания инородных тел, влиянием на эвакуацию пассажиров в аварийных ситуациях. В итоге выбрали компоновку с тремя «полуутопленными» двигателями, коим предстояло «давиться» пограничным слоем.

Напряжённо-деформированное состояние обшивки несущего тела при двукратном внутреннем давлении, рассчитанное конечно-элементным методом. Цвета показывают величины деформаций
Напряжённо-деформированное состояние обшивки несущего тела при двукратном внутреннем давлении, рассчитанное конечно-элементным методом. Цвета показывают величины деформаций

Конструктивно-силовая схема оказалась не менее «крепким орешком», чем аэродинамика. Пиковые нагрузки от подъёмной силы вышли вдвое меньше, чем у традиционных компоновок; вполне обыденно, если не считать широкого применения композиционных материалов, выглядела конструкция консолей крыла. Дьявол спрятался в несущем теле и нещадно гнул плоские панели внутренним давлением пассажирского салона. Его сделали двухэтажным, что позволило не только снизить площадь панелей, но и облегчить поездку пассажирам, которые, как тогда полагали, будут воспринимать поперечную качку самолёта сильнее, чем внутри традиционного фюзеляжа-трубы. Салон был разделён продольными перегородками: они работали как нервюры, подкрепляя внешнюю оболочку. Для последней рассматривалось два варианта исполнения: традиционная обшивка, усиленная стрингерами, или многослойные панели толщиной около 12 см.

Трёхлетняя программа исследований завершилась в 1997 году экономическим сравнением BWB и гипотетического самолёта традиционной формы. Оно оказалось несложным: на обоих вариантах стояли одни и те же двигатели (класс тяги 25…30 тонн), но на «классическом» четыре, а «несущему корпусу» хватило трёх. Помимо экономии на отнюдь не дешёвом моторе и его техобслуживании, на 28% меньше выходил и расход топлива; по оценкам «Макдоннелл Дугласа» прямые эксплуатационные расходы (ПЭР) уменьшались на 13 %. NASA был несколько менее оптимистичен, но тоже прогнозировал серьёзный эффект. Экономичность самолёта дополнялась очень низким уровнем шума на местности, прочной и живучей конструкцией. Казалось бы, будущее у «несущих корпусов» самое радужное, но окончание исследований совпало с финалом компании «Макдоннелл Дуглас». Прославленную фирму, чьи гражданские самолёты выпускались под марками DC и MD, поглотил «Боинг». Тамошним специалистам концепция бывших конкурентов не то чтобы совсем не нравилась, но взгляд на неё у них был несколько другой.

Новое поколение

BWB-450 до оптимизации
BWB-450 до оптимизации

Боинговцев не устраивала огромная пассажировместимость. Она не соответствовала их прогнозам рынка авиаперевозок и не позволяла сравнивать революционный проект с существующими самолётами. Учли они и ограничения инфраструктуры, включая обслуживание в обычном ангаре аэропорта IV класса с шириной ворот 80 метров. Завышенным представлялось и количество инноваций помимо и без того рискованной внешней формы. «Упрощённую» концепцию назвали по минимальному числу пассажиров BWB-450. Размещать их предполагалось в одноэтажном салоне.

Изменение профиля центроплана BWB-450 по сравнению с BWB-800 (масштабированы на общий линейный размер): численные методы позволили сделать корпус существенно тоньше
Изменение профиля центроплана BWB-450 по сравнению с BWB-800 (масштабированы на общий линейный размер): численные методы позволили сделать корпус существенно тоньше

«Несущий корпус» относится к так называемым интегральным компоновкам, у которых трудно провести чёткую границу между агрегатами планёра, частично принимающими на себя функции друг друга. Соответственно, в тесный клубок сплетаются и характеристики агрегатов: внешняя и внутренняя аэродинамика, прочность, компоновка пассажирского салона. Их уже нельзя рассчитывать и тем более оптимизировать раздельно, как в «классике». Специалисты «Боинга» написали программу WingMOD, позволявшую на базе разработанных в NASA методик и алгоритмов проводить совместную по аэродинамике и прочности структурную оптимизацию летательного аппарата произвольной формы. Она использовала простые грубые методы; более «тонкие» вычисления будут потом, при параметрической оптимизации элементов рациональной общей структуры.

Оптимизация формы BWB-450 в плане
Оптимизация формы BWB-450 в плане

Для центроплана был сформирован новый класс трансзвуковых профилей с уплощёнными дужками, между коими пассажирский салон помещается более эффективно, нежели в классическом профиле. Это позволило уменьшить сопротивление несущего тела. Изменилась и форма в плане: существенно увеличилась стреловидность задней кромки центроплана, а переход к консолям стал более плавным. Помимо снижения общего аэродинамического сопротивления оптимизация улучшила срывные свойства машины и эффективность внутренних секций рулей.

Инженеры «Боинга» сочли поглощение погранслоя слишком рискованным, а его слив по бокам от мотогондол, где он и так толстый, вызывал резкий рост сопротивления. Осталось традиционное решение: поставить двигатели на пилонах, но не под крылом, как обычно, а над задней частью центроплана. Двигатели при этом работали в наилучших условиях, а смачиваемая поверхность выросла всего на 4%, что с учётом снижения интерференционного сопротивления сочли допустимым.

BWB-450 в трубе Центра Ленгли 14х22 фута
BWB-450 в трубе Центра Ленгли 14х22 фута
Получение круговой поляры
Получение круговой поляры

Исследования продолжились в Центре Ленгли. В трубе 14х22 фута, где ранее уже побывал прототип BWB-800, на трёхпроцентной модели изучена устойчивость и управляемость на малых скоростях, в том числе и вблизи земли, получены нестационарные аэродинамические характеристики и круговые поляры (углы скольжения в пределах ±90°, углы атаки от 0 до 360°!), оценена форма и эффективность предкрылков и рулей, предсказаны эффекты их интерференции с другими частями планёра. Дополнительные продувки проведены в трубе 12х12 футов (3,7х3,7 м). Штопорные характеристики исследовались на однопроцентной модели в вертикальной 20-футовой (6 м) трубе и посредством двухпроцентной модели на вращательном стенде. Для выявления особенностей управления самолётом создан пилотажный стенд и проведено имитационное моделирование. В 2004 г. обновлённый BWB вернулся в Национальную исследовательскую установку, вновь подтвердившую расчётные данные. Уникальные акустические характеристики (снижение шума на 20…25 дБ) также подтверждены в экспериментах.

Компоновка салона BWB-450
Компоновка салона BWB-450

На новый уровень вышла отработка конструкции несущего тела. Прочнисты и компоновщики остановились на схеме с двумя необычно далеко разнесёнными лонжеронами. В роли переднего выступала передняя кромка, главным же лонжероном был задний, расположенный за пассажирским салоном и служивший также гермопереборкой. Сохранились перегородки-нервюры в салоне, работавшие на растяжение, внешние нервюры от внутреннего давления испытывали ещё и изгиб, посему были куда мощнее. Циклическое нагружение панелей обшивки изгибающими нагрузками вынудило разработчиков отказаться от традиционных алюминиевых сплавов с недостаточной усталостной прочностью в пользу композитов. В целом несущее тело оказалось тяжелее обычного фюзеляжа, но весь планёр прогнозировался намного более лёгким, чем у традиционных самолётов.

Сравнение весовых характеристик самолёта традиционной компоновки и BWB
Сравнение весовых характеристик самолёта традиционной компоновки и BWB
В отсутствие иллюминаторов пассажирам останется наслаждаться пейзажами на экранах в спинках сидений
В отсутствие иллюминаторов пассажирам останется наслаждаться пейзажами на экранах в спинках сидений
Впрочем, небо можно вывести и на потолок
Впрочем, небо можно вывести и на потолок

Компоновка салона из нескольких поперечных секций имеет очевидный недостаток: на каждый иллюминатор приходится до пятнадцати мест, и с большей части этих мест его и видно-то не будет из-за перегородок-нервюр. Решить проблему разработчики предлагают установкой плазменных панелей, на которые будут выводиться виды с внешних камер. У такой компоновки есть и «плюсы»: в каждом отсеке будет не более сотни пассажиров, уменьшится психологически дискомфортный «трубный эффект» длинного помещения, боковые стенки будут плоскими и вертикальными. Аварийные выходы размещены в передней кромке крыла, до них из салона ближе и можно выскакивать с разбега, не поворачивая; короче путь и к туалетам. Проблема мощных вертикальных ускорений крайних боковых мест при поперечной качке в имитации на пилотажном стенде показала себя не такой уж и страшной.

Организация аварийного покидания салона
Организация аварийного покидания салона
Сравнение BWB-450 и А-380
Сравнение BWB-450 и А-380

Сравнение BWB-450 с «Аэробусом» А-380-700 фактически повторило результаты, полученные для восьмисотместных концепций. «Несущий корпус» намного компактнее, ему требуется три двигателя вместо четырёх той же тяги, что даёт уменьшение расхода топлива на 32% и, соответственно, меньше выбросов вредных веществ. Уровень шума на местности снижается за счёт меньшего числа двигателей, экранирования воздухозаборников планёром, отсутствия составляющей шума реактивной струи, отражённой крылом, и аэродинамического шума закрылков. После упрощения формы оказалось, что и в производстве BWB может быть выгоднее, ведь у него нет высоконагруженных стыков фюзеляжа и оперения, меньше поверхностей, сопряжённых под прямыми и острыми углами, нет, опять же, закрылков с их сложной кинематикой. По оценкам разработчиков, число деталей может оказаться до 30% меньше, чем у традиционного самолёта.

Неожиданной оказалась перспектива наращивания крейсерской скорости. Концептуально близкое к BWB «летающее крыло» испытывает традиционные трудности с волновым сопротивлением, вызываемым большой толщиной профиля. Но в конкретном случае BWB-450 оптимизация профиля позволила сделать центроплан довольно тонким, при этом распределение площадей по длине у него близко к таковому у веретёнообразного тела, отличающегося как раз минимумом волнового сопротивления.

Возможности создания унифицированной линейки BWB различной вместимости
Возможности создания унифицированной линейки BWB различной вместимости

Возможность построения на основе единой компоновки целого модельного ряда тоже стала сюрпризом. Когда на «Макдоннелле» только начинали работу над BWB, это казалось как раз слабой стороной. В самом деле, обычный фюзеляж имеет протяжённый участок постоянного сечения, в который можно вставить или удалить цилиндрическую часть и получить унифицированный самолёт повышенной или пониженной вместимости. У «несущего корпуса» проставку запихнуть некуда. С другой стороны, если полезная нагрузка, а значит, и взлётная масса, «классического» лайнера меняется значительно, ему понадобится новое крыло другой площади — цилиндрической вставкой уже не обойтись. А у «несущего корпуса» увеличение пассажирского салона автоматически влечёт рост площади центроплана, при этом внешние части (не только консоли, но и не занятый салоном объём несущего тела) можно и не менять. Проведённые расчёты показали, что можно достичь степени унификации, близкой к традиционным самолётам, а расти BWB будет не вдоль, а поперёк, по разделённым нервюрами секциям салона.

Полёт «сопряжённого крыла»

Ещё в 1996 г. энтузиасты BWB предлагали главе NASA Голдуину построить большой дистанционно-пилотируемый прототип. Поглощение «Макдоннелл Дугласа», пересмотр проекта, смены приоритетов и финансовые секвестры – всё это отложило демонстратор технологий в долгий-предолгий ящик. Довольно далеко зашла разработка малоскоростного прототипа (low speed vehicle, LSV), представлявшего собой беспилотник с размахом крыла 10,7 м и массой 2500 фунтов (1134 кг), повторявший BWB-450 в масштабе 1:7. Аппарату присвоили официальный индекс X-48A, началась даже подготовка производства, первый полёт запланировали на 2004 г., но низкий приоритет программы в конечном итоге привёл к её закрытию. И всё-таки BWB взлетел!

Х-48В
Х-48В

Х-48А заменил несколько меньший (9,2% «натуры») Х-48В, построенный в двух экземплярах силами университета Крэнфилда (Великобритания). При размахе крыла 6,4 м и массе 227 кг он оснащался тремя малоразмерными реактивными двигателями. Для пущего сходства с будущим пассажирским гигантом беспилотнику даже «нарисовали» кабину. В июле 2007 г. после продувок в аэродинамической трубе Х-48В совершил первый полёт. В Центре Драйдена изучали поведение компоновки на малых скоростях, её срывные свойства, управляемость. В ходе двух этапов испытаний беспилотник совершил 92 полёта, показав как отличные характеристики выбранной схемы, так и хорошую их сходимость с расчётными и экспериментальными данными.

Х-48С перед первым полётом
Х-48С перед первым полётом

Второй экземпляр изначально рассматривали как резерв на случай аварии первого. Но тот, несмотря на весьма опасные режимы полёта, упорно не собирался падать, и простаивающего дублёра переделали в вариант Х-48С с килями, перенесёнными для лучшего экранирования шума двигателей на расширенную кормовую часть несущего тела. В таком виде Х-48С больше смахивал на российские и европейские разработки, нежели на боинговский BWB. Самих двигателей оставили два, но более мощных. Х-48С впервые оторвался от земли 7 августа 2012 г. и в последующие восемь месяцев выполнил запланированные тридцать полётов. На волне успеха демонстраторов разработчики грозились сделать ещё один прототип больших размеров и, главное, с околозвуковой скоростью полёта, но в металл он пока не воплощён.

Когда взлетим?

Макет европейского BWB
Макет европейского BWB
Flying-V в плане действительно похож на латинскую букву
Flying-V в плане действительно похож на латинскую букву

Схема BWB — вовсе не штатовский эндемик. Европейские институты ONERA и DLR при поддержке Еврокоммиссии ведут исследования по программе VELA — Very Efficient Large Aircraft (очень эффективный большой самолёт — скромненько, ничего не скажешь). А сотрудник гамбургского филиала «Эйрбас» Юстас Бенад придумал оригинальную концепцию под названием Flying‑V, которая заметно отличается от классического BWB. На МАКС-2019 макет «несущего корпуса» с необычно широко разнесёнными двигателями представили и китайцы.

За 20 лет до BWB: Т-4МС (самолёт «200»)
За 20 лет до BWB: Т-4МС (самолёт «200»)
«Гибридный» вариант ДМС-ЛК
«Гибридный» вариант ДМС-ЛК

Россия же может претендовать на звание родины «суперслонов». Почва для них вызревала и в виде мощного задела по «летающим крыльям», и в работах по боевым самолётам IV поколения: Су-27, МиГ-29, Ту-160 с интегральной схемой; а проект дальнего сверхзвукового бомбардировщика Т-4МС («200») вообще удивительно похож на концепции пассажирских «несущих корпусов». Исследования последних в стенах Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) начались едва ли не раньше, чем Денис Бушнел задался вопросом о ренессансе. Их вели параллельно с американцами в основном для самолётов аналогичной (500…800 человек) размерности, рассматривались те же проблемы. В некоторых выводах российские учёные разошлись с заокеанскими коллегами: они посчитали оптимальной «гибридную» компоновку с размещением 60% пассажиров в коротком двухпалубном фюзеляже, разнилась оценка некоторых обликовых решений (винглеты, размещение двигателей), а в габариты инфраструктуры цаговцы предложили вписываться, применяя складываемые, как на палубных самолётах, концы крыла. Наряду с «суперджамбо» рассматриваются и варианты меньшей размерности.

Сравнение аэродинамического качества цаговского «несущего корпуса», CR-929 (ШФДМС) и существующих авиалайнеров классической компоновки
Сравнение аэродинамического качества цаговского «несущего корпуса», CR-929 (ШФДМС) и существующих авиалайнеров классической компоновки
Макет китайского BWB на МАКС-2019
Макет китайского BWB на МАКС-2019
Попмеховский «Боинг-797» вальсирует на фоне мегаполиса
Попмеховский «Боинг-797» вальсирует на фоне мегаполиса
Концепция топливозаправщика интегральной схемы
Концепция топливозаправщика интегральной схемы

Идея BWB захватывает умы авиаконструкторов всего мира, но когда же необычные самолёты начнут перевозить пассажиров? В 2003 г. журнал Popular Mechanics опубликовал рендеры лайнера «Боинг-797», незамедлительно подхваченные мировыми СМИ. Как нередко случается в современной журналистике, первоисточник оказался безбожно искажён, и авиастроителям пришлось выступить с опровержением. «Попмех» писал не про реальный проект, а фантазировал на тему «как может быть». Номер «797», скорее всего, будет присвоен среднемагистральному лайнеру вполне традиционного вида (программа NMA), а перспективы «несущего корпуса» остаются туманными. Рынок больших самолётов явно просел, продажи А-380 и «747-8» не оправдали надежд. При создании европейского гиганта была принята пересадочная модель перевозок, когда «суперджамбо» летает между несколькими большими аэропортами (хабами), приуроченными к крупнейшим мегаполисам, а непосредственно от конечных пунктов пассажиры доставляются лайнерами средней вместимости. Но на данный момент возобладала беспересадочная схема, под которую делался, например, «Боинг-787 Дримлайнер», чьи взлётно-посадочные характеристики позволяют использовать не только внеклассные аэродромы, а относительно скромная вместимость не требует собирать пассажиров с целого региона. Затевать на этом фоне выпуск новаторского самолёта рискованно. «Боинг» предлагал «несущие корпуса» и военным – в роли сверхтяжёлого транспортника, топливозаправщика и даже «ганшипа», но заинтересованности эта инициатива, судя по всему, не вызвала.

Ту-404 в варианте с турбовинтовентиляторными двигателями
Ту-404 в варианте с турбовинтовентиляторными двигателями

У нас пока тоже дело не двинулось дальше чистой науки — в начале 90-х на всяких авиационных выставках «светилась» моделька Ту-404 вместимостью аж 1214 человек, но развития этот проект не получил. В тяжёлом сегменте отечественный авиапром ставит на совместный с китайцами проект СR-929 (ШФДМС) и очередную реинкарнацию советского задела в виде Ил-496 (Ил-96–400М). Оба лайнера не выделяются ни размерами, ни оригинальностью, а ильюшинская разработка ещё и устарела — на ней стоят четыре двигателя, в то время как зарубежные аналоги (767–400ER, 787–10, A-330–300) обходятся двумя более мощными, что обеспечивает заведомо лучшую экономичность.

К сожалению, слабый менеджмент, длительные сроки разработки, невысокие характеристики двигателей и авионики делают наши гражданские самолёты неконкурентоспособными на мировых рынках. На мой взгляд, решение стоит поискать именно в рискованных нетрадиционных вариантах облика: при их реализации слабые стороны нашего авиапрома могут обернуться преимуществами. Для «Боинга» и «Эрбаса», работающих в условиях жёсткой конкуренции, любой не полностью оправдавший себя проект (А-380) — повод крепко задуматься, громкий провал — неиллюзорная возможность отправиться вслед за «Макдоннеллом». Никто не хочет рисковать. Наши же авиастроители находятся на государственном попечении, что, безусловно, влечёт за собой массу всяких глупостей, но предохраняет от разорения. Если авантюрный проект «не взлетит», это будут «всего лишь» очередные спущенные в никуда бюджетные деньги, далеко не первые, и, увы, вряд ли последние. Если же самолёт нетрадиционной схемы удастся дотянуть до серии, то именно он может стать той самой «кривой козой», на которой мы объедем конкурентов, в какой‑то степени компенсировав совершенством планёра недостатки агрегатов.

ЛК-320 - «несущий корпус» средней вместимости
ЛК-320 - «несущий корпус» средней вместимости

Такие самолёты нужны и на внутренних линиях с огромными просторами и слабой инфраструктурой нашей страны. Их применение для перелётов из Сибири и Дальнего Востока позволит снизить цены на авиабилеты, а значит, повысить мобильность населения отдалённых регионов. Есть и направления, где огромные пассажиропотоки уже сформировались: это связь Москвы и Санкт‑Петербурга, а также двух столиц с Причерноморьем, Нижним Новгородом, Екатеринбургом, Калининградом… Правда, дальность этих маршрутов не превышает 1000…1500 километров — экономические исследования показывают низкую эффективность самолётов‑гигантов на ближнемагистральных рейсах. Может ли переломить ситуацию какое‑либо нетрадиционное техническое решение — вопрос открытый. Во всяком случае, я надеюсь, что у этой статьи будет и вторая часть с подробным описанием отечественных разработок — и хорошо бы ей появиться не просто так, а к первому полёту нашего «несущего корпуса». Ну да, мечтать не вредно.

Литература
  1. Joseph R. Chambers. Innovation in flight: research if the NASA Langley Research Center on revolutionary advanced concepts for aeronautics. p. 227-246. URL: history.nasa.gov/monograph39/mon39_a.pdf

  1. Design of the Blended Wing Body Subsonic Transport. Journal of aircraft. Vol. 41, No. 1, January–February 2004

  1. «404» (Ту-404). URL: https://testpilot.ru/russia/tupolev/404/

  2. ЦАГИ – основные этапы научной деятельности 1993-2003. / под ред. Г.С. Бюшгенса. М.: Физматлит, 2003. – 576 с.

  1. А.Л. Болсуновский и др. Особенности концепции пассажирского самолёта в схеме «летающее крыло» // Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники. М.: Физматлит, 2005. – с. 262-273

  1. А.С. Волков, С.В. Ляпунов. Актуальные задачи аэродинамики летательных аппаратов. Материалы VI всероссийской конференции «Вычислительный эксперимент в аэроакустике». 19-24 сентября 2016 года, г. Светлогорск.

  1. Martin Hepperle. The VELA Project. DLR, 2005. URL: https://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-188/379_read-636/

  1. Зарубежная военно-транспортная авиация: современное состояние и перспективы развития. // Техническая информация ЦАГИ. Вып. 3-4 2005. С. 24.

Автор: Иван Конюхов

Оригинал

Теги:
Хабы:
Всего голосов 50: ↑47 и ↓3+54
Комментарии26

Публикации