Реферат: Новые проекты воздушного транспорта

Следует отметить, что Управление гражданской авиации Франции (DGAC) пока не проявило интереса к возобновившимся исследованиям по новому СПС. Его представители заявили, что сейчас Франция и ее европейские партнеры сконцентрировали усилия на разработке самолета «Эрбас» А3ХХ и исследованиях нового широкофюзеляжного самолета для замены самолетов А300 и A310.

Руководитель перспективных проектов бывшей фирмы «Аэроспасьяль Матра» Доминик Жентили сказал, что самолет ESCT вряд ли сможет летать над населенными районами суши со сверхзвуковой скоростью, но даже при этом он сможет эффективно обслуживать маршруты, связывающие 200 пар крупных городов. По его мнению, новый СПС может быть конкурентоспособным по прямым эксплуатационным расходам (ПЭР) и привлекательным для авиакомпаний в том случае, если у него по сравнению с самолетом "Конкорд" будут на 40% меньше соотношение массы пустого снаряженного самолета к числу пассажирских мест, уменьшенное на 30% сопротивление, а также сниженные на более чем 10% удельный расход топлива при крейсерском числе М=2 и на 20% - на дозвуковом режиме (по сравнению с двигателями "Олимп" 593, используемыми на самолете "Конкорд").

Жентили сказал, что "сейчас мы не можем обеспечить такие амбициозные цели. Однако, полученные недавно результаты показали, что мы можем снизить соотношение массы пустого самолета к числу мест примерно на 30%, сопротивление - на 20%, расход топлива на сверхзвуковом режиме - на 7%, а на дозвуковом - на 15%". На фирме «Аэроспасьяль Матра» полагают, что это может быть получено за счет широкого использования композиционных материалов и титановых сплавов, современных достижений в аэродинамике высоких скоростей и силовых установок. Последние исследования проводились в предположении создания СПС взлетной массой 340 т, рассчитанного на перевозку 250 пассажиров на расстояние 10200 км с крейсерским числом М=2,05. Силовая установка состоит из четырех ТРДД MTF с изменяемым рабочим циклом; на дозвуковом режиме двигатель имеет степень двухконтурности 2,3, а на сверхзвуковом - 0,9.

Руководитель отдела перспективных исследований на фирме SNECMA Мариус Гутинэ заявил, что главной проблемой создания силовой установки для самолета ESCT является обеспечение при относительно малом диаметре двигателя современных норм по шуму. Он также добавил, что снижение удельного расхода топлива на 1 % эквивалентно уменьшению максимальной взлетной массы самолета на 5 т. Отработка отдельных элементов двигателя MTF проведена в ONERA. В частности, прошли испытания вспомогательные воздухозаборники (с помощью которых регулируется степень двухконтурности), а также усовершенствованные камеры сгорания с предварительным смешением топливо-воздушной смеси и испарением.

Специалисты по аэродинамике в ONERA считают, что другой важной проблемой является снижение сопротивления. Сейчас в ONERA ведутся исследования аэроупругости, распределения давлений, вихревых потоков и полей скоростей, методов минимизации сопротивления, а также целесообразности применения оребренных поверхностей ("риблетов") и усовершенствованных интерцепторов и предкрылков. Испытания в аэродинамических трубах должны экспериментально подтвердить расчетное снижение сопротивления трения на 6%.

Сравнительные характеристики самолетов "Конкорд" и ESCT приведены в табл.3.4.

Таблица 3.4. Сравнительные характеристики СПС "Конкорд" и ESCT

Руководитель отдела гражданской авиации в ONERA Кристина Мишо заявила, что новый СПС должен быть рассчитан на 60000 летных часов или 20000 летных циклов. Самолеты "Конкорд", совершающие полеты через Северную Атлантику, имеют средний годовой налет 700 ч.

Точных оценок размеров рынка самолетов ESCT пока нет. Рынок зависит от величины ПЭР, готовности пассажиров платить увеличенную цену за билеты и соответствия самолета более строгим нормам по шуму и дополнительным экологическим ограничениям. В середине 1990-х годов фирма Боинг полагала, что до 2020 г. может быть продано 800-1000 новых СПС, но при условии, что разработка самолета официально начнется в 2005 г. Выполненный недавно во Франции предварительный анализ рынка СПС показал, что имеется потребность в 500-1000 самолетов. Фирма «Эрбас» (не участвующая в исследованиях по СПС) полагает, что в 2025 г. в мире будет эксплуатироваться 575 самолетов ESCT. Специалисты консорциума по маркетингу сообщили, что при определении этого количества они рассмотрели 524 маршрута, на которых эксплуатация СПС может быть достаточно эффективной.

3.4.Исследования перспективных пассажирских самолетов

 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.

NASA и фирма «Боинг» объявили, что в начале 2002 г. в летно-испытательном центре            им. Драйдена собираются приступить 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.

 Летающая модель LSV (Low-Speed Vehicle) предназначена для исследований характеристик самолета BWB при малых скоростях полета (включая полет при отказе одного двигателя), на режимах сваливания и пикирования, а также бафтинга. Модель будет изготовлена в масштабе 0,142: размах крыла составит 10,67 м. Максимальная взлетная масса равна 817 кг. Силовая установка будет состоять из трех малогабаритных ТРДД Уильямс Интернешнл WJ24-8 тягой       по 108 кгс.

 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. Ведущий специалист отдела НИЦ им. Лэнгли, занимающегося исследованиями "революционных" концепций летательных аппаратов, Роберт Маккинли сказал, что "мы не планируем достижение больших скоростей, а хотим определить характеристики подобного летательного аппарата на малых скоростях". 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.

Планер модели LSV изготавливается из композиционных материалов на основе углеродных волокон с обшивкой из тонких листов стеклопластика. Каждая консоль крыла модели будет иметь семь поверхностей управления на задней кромке и пять предкрылков. На концах крыла размещаются вертикальные кили с рулями направления. Для привода закрылков, элеронов, рулей направления и элевонов будет использоваться ЭДСУ. Предкрылки имеют только два фиксированных положения ("убрано" и "выпущено"). Их положение будет выбираться исходя из целей полетного задания.

В НИЦ им. Лэнгли в вертикальной аэродинамической трубе (диаметр рабочей части 6,1 м) ведутся испытания модели самолета BWB, изготовленной в масштабе 0,01. Испытания проводятся с целью оценки управляемости модели во время сваливания; для ускоренного выхода из штопора применяется парашют. Для дополнительного уточнения аэродинамических характеристик и устойчивости в дозвуковой трубе (размер рабочей части 4,2 х 6,7 м) в НИЦ им. Лэнгли будут проведены испытания еще одной модели (масштаб 0,03). Эта же модель будет использована для испытаний на аэроупругость.

Последние годы фирма «Эрбас» ведет в инициативном порядке поисковые исследования по определению облика будущего магистрального самолета, полагая, что основными требованиями к нему будут уменьшение расхода топлива и соответствие требованиям экологии по шуму и эмиссии. Помимо усилий, предпринимаемых в последние годы ведущими двигателестроительными фирмами для снижения уровней эмиссии углекислого газа и окислов азота и уменьшения шума, фирма «Эрбас» сама пытается способствовать улучшению экологических характеристик самолета за счет снижения сопротивления и уменьшения шума планера на взлетно-посадочных режимах. Проведенные исследования показали, что классическая аэродинамическая схема современных самолетов "фюзеляж-крыло" вряд ли сможет отвечать будущим экологическим требованиям.

Поэтому фирмой «Эрбас» были предложены в какой-то мере "экзотические" компоновки. Ведущий инженер фирмы «Эрбас» Жан-Жак Мира классифицирует их с точки зрения совершенствования технологий. Самолет с ромбовидным сочлененным крылом, по его мнению, является самым революционным, но имеет при этом самую малую вероятность появления среди всех рассмотренных вариантов. Данная компоновка отличается большой жесткостью крыла, в результате чего удалось бы снизить массу планера. Исследовательские центры ONERA и DLR, а также ряд университетов периодически исследуют ромбовидные крылья, однако пока никто не смог доказать их преимущества. Сложность аэродинамики такой конструкции, обусловленная взаимодействием четырех горизонтальных плоскостей, требует серьезных исследований, которые фирма «Эрбас» еще не готова финансировать.

Схеме "триплан" фирма «Эрбас» отдавала большее предпочтение, и уже провела серию тщательных испытаний моделей такого самолета в аэродинамических трубах. Специалисты фирмы «Эрбас» полагают, что установка развитого ПГО является одним из методов опосредованного уменьшения расхода топлива. Его наличие позволит улучшить распределение массы и подъемной силы одновременно с уменьшением массы планера, что позволило бы улучшить летные характеристики на малых скоростях. Жан-Жак Мират поясняет, что третья несущая поверхность позволила бы создать статически неустойчивый пассажирский самолет. Тем не менее, работы над этой компоновкой в последнее время замедлились, так как не было выявлено какого-либо значительного ее преимущества.

В настоящее время фирма «Эрбас» акцентирует усилия на трех новых компоновок, которые, возможно, обеспечат не только уменьшение сопротивления, но и снижение излучения шума, направленного к земле. Среди этих компоновок две, у которых двигатели расположены в хвостовой части фюзеляжа, и одна с расположением двигателей над крылом.

Двигатели в хвостовой части фюзеляжа предполагается разместить по двум схемам: над фюзеляжем между V-образным оперением или между двумя вертикальными килями, расположенными на концах стабилизатора. Такие схемы позволят не только отразить шум вверх, но и экранировать как шум, создаваемый вентилятором, так и шум от реактивной струи. Таким образом, по мнению Жан-Жак Мира, можно надеяться на уменьшение шума, по крайней мере, до 10 дБ по сравнению с обычной компоновкой. Однако серьезной проблемой, с которой столкнулись специалисты, является риск повреждения близко расположенных двигателей при разрушении турбины на одном из них. В связи с тем, что двигателестроительные фирмы не дают полную гарантию от разрушения турбины, то фирме «Эрбас» предстоит найти серьезные аргументы в защиту таких компоновок при сертификации.

В случае с V-образным оперением уменьшение сопротивления может быть достигнуто за счет упразднения третьей поверхности оперения, но такая конструкция потребовала бы разработки новой системы управления полетом. Недостаток схемы оперения с двумя концевыми килями заключается в том, что нарушает идеологию фирмы «Эрбас», заключающуюся в создании новых самолетов с использованием единого фюзеляжа.

Схема самолета, у которого двигатели расположены над крылом, более консервативна. Она не создает проблем с сертификацией, но может экранировать шум от вентилятора и реактивной струи. В зависимости от расположения двигателей по хорде крыла возможно снижение шума до 10 дБ. Однако изменение обтекания верхней поверхности крыла может создать трудности для снижения сопротивления.

 Жан-Жак Мира не сообщил о сроках выделения средств для проведения исследований по трем последним компоновкам, так как руководство фирмы никакого решения в ближайшее время принимать не собирается. Но при этом он уточнил, что они могли бы найти применение при разработке будущего самолета, который может появиться после самолета А380 (А3ХХ). Это может произойти до 2010 г, когда зайдет речь о замене самолетов А300 и А310.

В европейских странах возобновляются исследования возможности применения жидкого водорода в качестве топлива для транспортного самолета. В июне 2000 г. Европейская комиссия приняла решение о выделении на двухлетний срок 4,5 млн. евро на исследования проекта такого самолета, получившего название "Криоплан". Его разработка предусмотрена 5-й Европейской программой НИОКР в области авиационно-космической техники (PCRD).

Исследования по применению жидкого водорода в авиации ведутся (с перерывами)          почти 30 лет. Энергетический кризис 1970-х годов и увеличение цен на авиационный керосин стали основными причинами активизации работ по применению жидкого водорода в авиации. Однако в настоящее время криогенное топливо рассматривается как важное средство улучшения экологической ситуации. Последние оценки показали, что мировых запасов нефти хватит еще на несколько десятилетий, поэтому вопросы экологии вышли на первый план. За счет сжигания авиационного керосина эмиссия углекислого газа ежегодно увеличивается на 2,5%. Двигатель на жидком водороде выбрасывает, в основном, в атмосферу воду и незначительное количество окислов азота NOx.

В Европе основные исследования по использованию криогенных топлив на самолетах ведутся в ФРГ фирмой DASA, входящей в настоящее время в состав компании EADS. Немецкие специалисты с 1990 г. наладили сотрудничество с российским АНТК им. А.Н.Туполева, в котором в 1988 г. был разработан опытный самолет Ту-155 с силовой установкой на криогенном топливе.

Многолетние эксперименты, проведенные в научно-исследовательском институте DLR, показали, что с уменьшением температуры горения можно снизить эмиссию окислов азота, т.е. сделать двигатель еще более экологически "чистым". Для этого необходимо сжигать не капельную смесь, а газообразную. Специалисты DLR с этой целью разработали и испытали на стендах специальные форсунки и камеры сгорания.

Зная особенности горения водорода, который не горит на воздухе и взрывается только при определенных концентрациях, можно разработать безопасные технологии его использования в качестве топлива, что с успехом делается в ракетно-космической технике. Применение жидкого водорода в авиации потребует создания новых технических решений, включая камеры сгорания и системы подачи водородного топлива в двигатель. Существенному пересмотру подлежит конструкция планера и, в частности, топливная система. Самолет "Криоплан" должен иметь крупногабаритные цилиндрические баки для жидкого водорода, которые для поддержания температуры –253 °С имеют мощную теплоизоляцию, утяжеляющую конструкцию планера.

Применение жидкого водорода окажет влияние на аэродромную инфраструктуру, особенно на системы хранения и заправки топливом, а также вентиляции ангаров. Чрезвычайно важной представляется проблема получения жидкого водорода в массовом количестве.

В настоящее время компания EADS ведет активные исследования прочности крыла, изготовленного практически полностью из композиционных материалов на основе углеродных волокон. Исследования, начатые в 1992 г. фирмой DASA, предусматривают определение прочностных характеристик крыла, предназначенного для 80-100-местного регионального самолета.

В 1992-1993 гг. был изготовлен и испытан углепластиковый кессон крыла длиной 9,8 м. В 1994 г. была начата разработка кессона длиной около 15 м. К работам были привлечены некоторые германские университеты (в частности, Брауншвейгский и Штутгартский), а также научные организации, в том числе научно-исследовательский институт DLR, общество имени Фраунгофера и институт материаловедения (IMA).

Кессон крыла из углеродных композиционных материалов был изготовлен на заводе бывшей фирмы DASA в Бремене. Он представляет собой прототип кессона крыла для                    100-местного регионального самолета взлетной массой 40- 50 т. Основным композиционным материалом для изготовления кессона и панелей обшивки явилось однонаправленное углеволокно НТА ("тенакс"), предварительно пропитанное эпоксидной смолой Гексел 6376 ("Фиберит" 977-2). Данный материал имеет слоистую структуру. Однако на фирме DASA были использованы и другие технологические процессы, в частности, впрыскивание под дифференциальным давлением эпоксидной смолы в предварительно заготовленные формы (материал RTM) или пропитка ею отформованного многослойного сухого углеволокна (материалы RTM6 или Ml8).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7