Новые требования - новая схема - новые возможности самолета

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые требования - новая схема - новые возможности самолета

Архипов А.В., Ширинянц В.А. (ЭМЗ им. В.М. Мясищева)

Показаны новые возможности альтернативной схемы самолета с прямым крылом, несущим фюзеляжем и расположением двигателей над хвостовой частью фюзеляжа по удовлетворению современных требований по авиаэкологии и дальнейшему повышению транспортной эффективности воздушных судов.

Мир стремительно меняется, и техносфера меняется вместе с ним, отслеживая или даже определяя текущие векторы его эволюции.

Осознание возросшего влияния экологических факторов и усиливающаяся конкуренция на авиационном рынке с появлением новых или хорошо забытых старых игроков (Китай, Бразилия, Япония) вызывают настоятельную необходимость внедрения прорывных технологий отечественного транспортного самолета, соответствующих современным трендам развития авиации.

До сих пор все многообразие аэродинамических компоновок самолета (как пассажирского, так и грузового) сводится к традиционной схеме с фюзеляжем круглого (или близкого к нему) поперечного сечения и расположением двигателей под крылом (родоначальник схемы - самолет Боинг 707). Даже последние продвинутые проекты - МС-21, А-350, В-787 и MRJ - выполнены по этой типовой схеме (рис.1).

Рис.1. Традиционная схема гражданского самолета

Такая долговечность схемы, заслуженно ставшей классической, свидетельствует о ее высокой технико-экономической эффективности и большом модернизационном потенциале. Но, за прошедшие 60 лет требования к характеристикам ВС существенно трансформировались и ужесточились как под напором негативного воздействия растущего авиационного парка на окружающую среду, так и вследствие возросших требований к безопасности полета и комфорту пассажиров (рис.2 [1]).

По прогнозу ИКАО в период между 2010-2040 гг. средние годовые темпы роста мирового парка воздушных судов (ВС) составят 3,6 %. При этом к 2030 г. парк ВС увеличится более чем в 2 раза и практически в 3 раза к 2040 г. (по прогнозу ОАК - в 2,5 раза за период 2015-2034 гг. [2]). В то же время, имеющиеся возможности сокращения уровней воздействия на окружающую среду за счет эволюционного улучшения характеристик самолета традиционной схемы не превышают 1,5% в год (оценка Массачусетского технологического института).

Рис.2. Динамика изменения приоритетов в развитии воздушного транспорта

самолет прямой крыло фюзеляж

По мнению ACARE (Европейского совета по авиационным исследованиям) необходимо обеспечить уже к 2020 г. [3]:

- сокращение аварийности в пять раз;

- снижение шума вдвое;

- уменьшение на 50% выбросов СО2 на пассажиро-километр;

- сокращение на 80% выбросов NOх.

Резервы дальнейшего совершенствования традиционной схемы ВС близки к исчерпанию, что естественно для любого даже самого удачного технического решения.

Таким образом, возникает общественная необходимость использования более эффективных и экологически «чистых» концепций гражданских самолетов нового поколения, имеющих универсальный характер, то есть применимых к ВС различных размерностей и назначения. Поэтому внедрение перспективных технологий самолета нетрадиционной схемы с повышенными показателями по:

- надежности, безопасности, комфорту пассажиров;

- топливной эффективности;

- авиаэкологии (уровню шума и вредных выбросов в атмосферу)-

становится важнейшим стимулом развития авиации и благородной миссией для разработчиков ВС.

Принципиальное решение такой амбициозной задачи возможно только в рамках новой перспективной схемы самолета, обогащенной новыми качествами, органически недоступными для классической схемы.

Историческая справка

Идея создания перспективного самолета с несущим фюзеляжем возникла на ЭМЗ благодаря поисковым работам по формированию облика самолета-перехватчика воздушных шаров М-17 (рис.3). В 1979 г. по инициативе ведущих конструкторов М.А. Гурьянова и Б.М. Морковкина на предприятии была открыта тема 60 - «Исследования схемы многоцелевого высотного дозвукового самолета (МВДС) короткого взлета и посадки с несущим фюзеляжем», работы по которой продолжаются и сейчас.

При разработке облика МВДС были использованы наработки по транспортному гидросамолету ВВА-14 (рис.4), а именно: его существенные признаки - несущий фюзеляж и расположение двигателей над его хвостовой частью.

Официальный статус работы по теме получили в 1986 г.: 11 мая вышел приказ №1114 Министра авиационной промышленности А.С. Сысцова о проведении НИР по теме 60. Особую помощь в подготовке этого приказа оказал Министр гражданской авиации Б.П. Бугаев, по заказу которого прорабатывался вариант гражданского применения - грузопассажирский магистральный самолет.

В конце 1989 г. по Поручению Госкомиссии СМ СССР по военно-промышленным вопросам ЭМЗ заключает договор с Заказчиком на разработку аванпроекта на МВДС (рис.5) двойного назначения.

Рис.3. Самолет М-17 (Центральный музей ВВС, г. Монино, 2016 г.)

В июле 1991 г. материалы аванпроекта, подкрепленные положительными заключениями головных институтов отрасли и Минобороны, были представлены комиссии Заказчика, которая одобрила проделанную работу и рекомендовала разработать эскизный проект. Через три месяца был подписан соответствующий договор. Но последующий распад СССР прервал работы по теме. Исследования семейства самолетов 60 продолжились с 2002 г. в рамках совместных НИР с ЦАГИ.

Рис.4 - Транспортный гидросамолет ВВА-14, 1972 г.

Рис. 5. Родоначальник семейства самолетов М-60 - высотный самолет-разведчик,1991г.

Особенности предлагаемой схемы самолета

Предлагаемая нетрадиционная схема самолетов семейства 60 (рис.6) как раз и призвана расширить возможности по удовлетворению современных жестких экологических и эксплуатационных требований и обеспечению конкурентных преимуществ для отечественной транспортной авиации.

Существенные признаки и характеристики предлагаемой схемы:

- самолет нормальной схемы с прямым крылом большого удлинения, несущим фюзеляжем овального поперечного сечения и V-образным хвостовым оперением, консоли которого установлены по обеим сторонам от силовой установки, размещенной над хвостовой частью фюзеляжа;

- крейсерская скорость - соответствует М?0,76;

- расширенные возможности базирования на ИВПП и ГВПП;

- универсальность схемы (применимость к ВС различной размерности и назначения);

Характерной особенностью такой схемы является её интегральность, то есть участие фюзеляжа и силовой установки в создании и распределении подъемной силы по размаху крыла и по длине самолета, а также взаимное усиление положительных и ослабления отрицательных взаимодействий между агрегатами планера и силовой установкой.

Следует отметить, что эта особенность, наряду с повышенным уровнем интерференции агрегатов планера и силовой установки, требует детального изучения на самых ранних этапах проектирования. При этом для полного выявления и подтверждения заявленных преимуществ потребуются продувки модели с работающими двигателями или исследования на летающей модели-демонстраторе.

Для наглядного представления и обоснования ключевых причинно-следственных связей, реализуемых в предлагаемой схеме, в табл. 2 дана матрица элементов «существенный признак - достигаемая цель».

Из табл.2 следует:

1. В достижении планируемых целей участвуют все агрегаты планера и силовая установка в разной мере и в различных направлениях, но при этом каждый из них вносит свой вклад в повышение аэродинамического качества схемы, тем самым обеспечивая её интегральность. Повышение аэродинамического качества достигается, в основном, путем уменьшения

сопротивления трения Сопротивление трения наряду с индуктивным сопротивлением составляет основную долю лобового сопротивления самолета на крейсерских режимах полета (для больших транспортных самолетов: ~47% и ~43% соответственно [3]). за счет естественной ламинаризации обтекания крыла и фюзеляжа и снижения площади омываемой поверхности самолета.

2. Широкий несущий фюзеляж и расположение двигателей над его хвостовой частью способствуют в наибольшей степени улучшению характеристик ВС, затрагивая практически все отмеченные направления совершенствования и являясь главными отличительными признаками предложенной нетрадиционной схемы.

Основные преимущества по сравнению с традиционной схемой Для сравнения аэродинамических характеристик в отсутствии прямых аналогов использованы результаты продувок в АДТ ЦАГИ Т-106 моделей самолетов Як-40М и Ан-24, близкой к М-60ГП размерности и назначения, с прямым крылом большого удлинения и ламинаризированными профилями. :

- защищенность двигателей естественным путем от засасывания посторонних предметов, что обеспечивает высокую безопасность работы двигателей по этому критерию и возможность базирования на малоподготовленных и грунтовых ВПП;

- снижение шума в салоне и на местности На уровне 28 дБ относительно базового уровня 2010 г. (проект МIT D8 аналогичной схемы [4]). за счет экранирования шумовой эмиссии от двигателей элементами планера, уменьшения аэродинамического шума и скорости полета;

- уменьшение вероятности сближений (столкновений) самолетов в воздухе из-за использования незагруженных эшелонов свыше 12,3 км (рис.7);

- повышение безопасности полета особенно при полете в неспокойном воздухе и в условиях обледенения за счет улучшенных срывных характеристик самолета;

- уменьшение расходов топлива и эмиссии СО2 за счет повышения аэродинамического качества и снижения крейсерской скорости до М=0,75-0,77;

- высокие несущие свойства и уровени аэродинамического качества и топливной эффективности (рис.8,9) за счет безотрывного и устойчивого течения потока на поверхности несущего фюзеляжа и в корневых сечениях крыла, обусловленного отсосом пограничного слоя его прибортовыми вихрями и работающими двигателями, а также вследствие естественной ламинаризации потока на аэродинамически «чистом» прямом крыле большого удлинения с ламинаризированнными профилями разработки ЦАГИ, участия фюзеляжа в создании суммарной подъемной силы (вклад до 25%) и уменьшения площади омываемой поверхности самолета;

- распределение воздушной нагрузки по размаху крыла, при котором центр приложения подъемной силы сдвинут к корню крыла, что приводит к уменьшению изгибающих моментов и массы конструкции планера;

- высокий уровень комфорта для пассажиров и экипажа (рис.10,11), а также расширенные возможности для размещения габаритных грузов благодаря широкому фюзеляжу;

- ускорение посадки-высадки пассажиров и их эвакуации при аварийной посадке (рис.12 [4]);

- использование сетчатой геодезической композитной конструкции для несущего фюзеляжа (рис.13), в которой основными силовыми элементами являются не подкрепленные панели, характерные для традиционных конструкций, где каждый элемент воспринимает свой тип нагрузки, а система силовых ребер, интегрированных с металлическими элементами (при этом ребра воспринимают нагрузки от сжатия, растяжения, изгиба и кручения, металлические конструкции - сосредоточенные нагрузки, а эластичныме пластики, заполняющие пространство между ребрами, - местные нагрузки от внутреннего давления;

- снижение массы шасси за счет использования более коротких стоек шасси и силового пути передачи нагрузок (рис. 14 [5]);

- малозаметность в радиолокационном и инфракрасном диапазонах за счет экранирования СУ элементами планера для военно-транспортного варианта применения;

- простота созданий модификаций самолета различной размерности за счет изменения длины цилиндрической части фюзеляжа.

Рис.6. Грузопассажирский самолет МВЛ М-60ГП

Рис.7. Статистика опасных сближений самолетов в воздушном пространстве Европы при срабатывании TCAS по эшелонам полета в 1999 г. (1200 сближений)

Рис.8. Максимальное аэродинамическое качество ВС (по годам 1-го полета)

Рис.9. Топливная эффективность региональных и магистральных самолетов [4]

Рис.10. Сравнение критериев комфорта для магистральных самолетов

БСМС М-60-200 БСМС А-320

Рис. 11. Сравнение поперечных сечений фюзеляжа для узкофюзеляжного и широкофюзеляжного ВС равной размерности (164 пасс.)

Рис. 12. Сравнение времени посадки-высадки пассажиров для узкофюзеляжного и широкофюзеляжного ВС равной размерности (180 пасс.)

Рис.13. Конструктивно-силовая схема фюзеляжа сетчатой конструкции из ПКМ разработки ЦАГИ-ЭМЗ

Рис. 14. Схема сравнения нагружения основных опор шасси для узкофюзеляжного и широкофюзеляжного ВС равной размерности (180 пасс.)

Заключение

Накопленный совместно с ЦАГИ научно-технический задел по исследованию нетрадиционной аэродинамической компоновки ВС с прямым крылом большого удлинения, несущим фюзеляжем и расположением двигателей над хвостовой частью фюзеляжа и полученные результаты проектно-экспериментальных исследований схемы дают основания для продолжения работ по теме на 6-м уровне готовности технологий - демонстрации ключевых критических технологий.

Цель работы - технологический прорыв в авиации в части значительного повышения технико-экономических и экологических характеристик транспортных самолетов, соответствующих требованиям времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. «О принципах разработки и управления Национальным планом развития науки и технологий в Государственной программе «Развитие авиационной промышленности», Материалы ТП «Авиационная мобильность и авиационные технологии» ЦАГИ, 2011.

2. Обзор рынка 2015-2034 гг., ОАК, 2015.

3. НТИ №11, ГосНИИ ГА, 2015.

4. Mark Drela, Low-Order Modeling for Conceptual Aircraft Design and Development of the D8 Transport Concept, Stanford AA295 Seminar, 25 May, 2011.

5. Справочник летно-технических характеристик гражданских воздушных судов, ГосНИИ ГА, 2011.

Размещено на Allbest.ru