Кое-что о хайтеке в транспортной авиации

engineering_ru — 26.03.2016 Крайне тезисно, т.к. писать подробный текст нет времени, но высказать определённые наблюдения хочется. Физика практически опущена, оставлены только события. Научно-популярных заметок ранее не писал, если что не так - приношу извинения.



Аэродинамическая компоновка современного магистрального самолёта достигла своего предела. В рамках традиционного подхода возможности к снижению сопротивления практически исчерпаны. Поэтому борьба идет не за проценты, за их доли. Уменьшение Сх на 100 каунтов (т.е. на 0,01) рвёт разработчикам крышу (утрирую). Эти традиционные меры снижают так называемые волновое, индуктивное сопротивления, сопротивление интерференции и все прочие его виды, кроме одного. Около 50% сопротивления самолёта это сопротивление трения в турбулентном пограничном слое. Вся нынешняя серийная летательная техника индустриального масштаба повсюду на себе имеет турбулентные пограничные слои, вероятно, за единственным исключением. Если же добиться ламинарного состояния погранслоя, то трение можно снизить в 5-10 раз. Соответственно упадёт Сх и расход топлива. Консервативная оценка снижения Сх 10%, это очень много, за это стоит бороться (если позволяют обстоятельства).

Ламинаризация на практике означает как можно большую задержку наступления ламинарно-турбулентного перехода. Нет смысла здесь излагать сколь-нибудь подробно физику турбулизации течения и, следовательно, процесса ламинаризации. Достаточно упомянуть следующее:
- ламинаризация выгодна, в основном, для самолётов с дальностью 3000 км и более;
- ламинаризировать фюзеляж практически невозможно, остаются лишь крыло, оперение и мотогондолы;
- ламинаризация бывает естественной (как на Мустанге или Пе-2, сокращается как ЕЛО - естественная ламинаризация обтекания), искусственной (серийных образцов нет) и комбинированной (КУЛО - комбинированное управление ламинарным обтеканием);
- ЕЛО наиболее проста, но пока зарекомендовала себя в эксплуатации неважно. Тяжело поддерживать аэродинамическую гладкость поверхности (это не значит, что в будущем не удастся преодолеть эти трудности);
- чисто искусственная ламинаризация подразумевает активную затрату энергии на поддержание ламинарного потока. Она трудна в технической реализации и в эксплуатации, энергозатратна и часто дает отрицательный выход - т.е. пограничный слой ламинаризируется, но энергии на это затрачивается больше, чем экономится в результате этих усилий;
- наибольшие успехи достигнуты в КУЛО. Данная технология представляет собой сочетание приёмов ЕЛО и активного управления пограничным слоем. Для этого в наиболее опасных с точки зрения возникновения турбулентности участках тела применяются активные методы ламинаризации, само же тело выбирается таким, чтобы на остальных участках его поверхности поток как можно дольше оставался ламинарным сам по себе, без вмешательства в его судьбу. Таким образом, например, для крыла или оперения можно выбрать профиль, близкий к традиционному ламинарному, а на его передней кромке разместить устройства управления пограничным слоем. Для стреловидных крыльев из многочисленных предложенных научным сообществом методов активного воздействия в полётах летающих лабораторий (ЛЛ) наиболее успешно показали себя два. Это отсос пограничного слоя через микроперфорацию на передней кромке крыла и на участке разгона потока, либо размещение в той же примерно зоне особым образом расположенных дискретных элементов микрошероховатости.

С физикой всё. В целом, технология ламинаризации близка по сложности к технологии термояда. Та же бесконечная борьба с неустойчивостями. Только объектом является пограничный слой. По меткому выражению одного из американских научно-популярных писателей, ламинаризация - Священный Грааль аэродинамики.

И вот 7 августа 2014 года произошло событие (оставшееся фактически незамеченным), которое означало, что из сосуда, хоть и тонкой струйкой, но можно пить. Самолёт Боинг 787-9 авиакомпании ANA (Олл Ниппон Эйруэйз) совершил первый коммерческий чартер. Отвёз японских детишек полюбоваться Фудзи с воздуха. В августе 2014-го же новозеландцы и японцы приступили к регулярной эксплуатации. Стреловидное оперение 787-9 оснащено КУЛО. Это первый в мире серийный самолёт с такой системой.

Немного истории. К машине 787-9 шли долго. Всерьёз ламинаризацией в современном понимании стали заниматься со второй половины 40-х, с появлением ТРД. Поначалу стремились увеличить дальность бомбардировщика, либо транспортника (транспортировал он, конечно, не гражданских). Затем сэр Фредерик Хэндли-Пейдж осознал и стал проповедывать идею доступной ГА. Как снизить цену на билет? Один из путей - уменьшить расход топлива. И хотя ГА мира действительно развивалась в русле этой общей концепции, но ламинаризация "не пошла", оказалось слишком сложно для середины 60-х. Но вот разразилась война и цена на нефть взлетела. С ней подскочила и доля расходов на топливо в структуре цены авиаперевозок. Цена топлива с 1973 по 1975 утроилась. Это отображено на рисунках.



цена барреля, приведенная к марту 2015



Первыми озаботились американцы. Около 1975 NASA приняло программу ACEE (Aircraft Energy Efficiency). И основным объектом исследований стала ламинаризация в варианте КУЛО. Среди американских аэродинамиков дураков не держат. Это умные, находчивые люди. В рамках АСЕЕ они добились важных успехов. Две ЛЛ стали этапными. Небольшой самолёт Лирджет, на котором отлетали программу, моделирующую реальные условия эксплуатации авиалайнера с КУЛО, стал прообразом более крупной системы, испытанной на Боинг 757. КУЛО 757-й ЛЛ представляло собой отсек крыла с отсосом на передней кромке и в зоне разгона потока. Результатом стало снижение сопротивления этого отсека на 29%, а общего сопротивления самолета на 6%. Эти достижения не перекрыты до сих пор. Даже упомянутой выше 787-й машиной. К 91-му янки получили работоспособную технологию. Оставались лишь вопросы "воспитания потребителя", т.е. принятия новых методик сертификации ламинарного самолета, процедур ТО, контроля состояния и проч.

Спросите, а что дальше? А дальше у них был 777-й самолет. Вопрос применения КУЛО на перспективном (в те годы, более 20 лет назад) самолёте требовал решения упомянутой выше массы проблем сертификации, обслуживания в компаниях etc. Эти проблемы более чем решаемы при известной настойчивости. Подтверждением тому служит число уже не фундаментальных, а прикладных, затрагивающих именно эти аспекты, статей, промелькнувших в специальной литературе в те годы. И не зря ведь они несколько лет летали на Лирджете от Аляски до Мексики, используя принятые в авиакомпаниях процедуры. КУЛО 777 рассматривалось на этапе завязки проекта не просто серьёзно - по этому вопросу прошла специальная конференция NASA и Боинга. Однако менеджмент решил не рисковать и от КУЛО на этой машине отказались, оставив самолет расчетно турбулентным, а жизнь перевозчиков прежней. Причина ясна из графика цены на нефть, на котором также отложены точки начала разработки (для 787-9 начало полетов ЛЛ и серийного пр-ва). Примерно 10-летний прогноз оправдался. Так в 1994-м, на вершине успеха идеи, были полностью остановлены работы. И не только на ЛЛ, но и в трубах NASA.

Цена на нефть материя сложная. Она вновь начала расти. К появлению первых проработок машины 787 вопрос экономии топлива снова стал актуальным. Этот самолёт решили сделать суперэффективным, расходовать каждый кг прошедшего через его компрессора воздуха не на чёрти-чо, а на создание тяги. Кроме того, вспомнили и про ламинаризацию. На первой модели 787-8 решили ограничиться ЕЛО на гондолах ДТРД. Ламинаризацию гондол ранее также с успехом отрабатывали в рамках АСЕЕ. Но, скорее всего, на 787-8 это была пыль в глаза от фирмы Боинг потенциальным заказчикам. Ламинаризировать обтекание удавалось в лучшем случае на паре-другой процентов общей площади гондолы. Это по оценкам давало снижение Сх на 1-10 каунтов. Мизер, если не учитывать рекламный шум, запрет использовать какую попало краску на гондолах и прочие ходы хайтек-маркетинга.

Реальный успех явился миру значительно позже. Явился как чёрт из табакерки в пелене абсолютной секретности. Летом 2011 сотрудник одного из испытательных аэродромов в американских пустынях опубликовал интересные снимки третьего опытного экземпляра 787-8, превращённого в ЛЛ. На передней кромке киля самолёта располагалась перфорация, кроме того на киле имелись некоторые не совсем понятные по фотографиям устройства. В прессе промелькнули заметки о начале Боингом работ по КУЛО на 787. И тишина на три года. Ни единой статейки в сборниках конференций, ни единого упоминания в разговоре. Лично я, по должности интересующийся темой, не знал и не понимал ничего. Летом 2014 в Фарнборо явился 787-9. Это модификация с увеличенной дальностью, где КУЛО полностью оправдано. Отработанное за три года на ЛЛ, КУЛО привело в шок конкретно людей Эйрбас. Рассказывал мне об этом присутствовавший и общавшийся там с эйрбасовцами далеко не последний в нашей науке человек. Через его голову проходит сейчас всё (SSJ, МС-21) и более того. Одновременно с показом машины был опубликован патент US8484894, из которого стало понятно, как это работает. Предложивший идею изобретатель получил премию лучшего инженера ф. Боинг. Патент легко нагуглить, посмотреть и тут он не приводится.

Технически на 787-9 реализовано КУЛО хвостового оперения (ВО и ГО). Это даёт по заявлениям фирмы снижение Сх на 1%. Очень много. Более того, предложенная система не требует затрат энергии (кроме небольшого роста в крейсерском полёте местного трения в зоне установки поворотной дверцы). Отсос использует естественный перепад в распределении давления по профилю, т.е. высоконапорный воздух из зоны торможения у передней кромки по системе трубопроводов перетекает в зону разрежения на профиле и выбрасывается в поток. Поворотная дверца решает и вторую, не менее важную, задачу. На взлёте-посадке, при полёте на небольшой высоте, она работает как воздухозаборник и через те же трубопроводы гонит воздух сквозь перфорацию наружу. Эта газовая завеса защищает передние кромки ВО и ГО от налипания насекомых. Насекомые же, как и ботинки техников - главные враги всех методов и систем ламинаризации. Интересная деталь: оперение 787-8 производится, емнип, в Италии, однако производство оперения 787-9 расположено в Штатах.

Таким образом, практическая, а не экспериментальная, авиация соприкоснулась с возможностью управления трением самолёта. Хотя многие важные задачи, по-прежнему, не решены. Самолёт, по всей видимости, сертифицирован как турбулентный. Не факт, что снижение Сх соответствует заявленному. Правда, успеха это не умаляет. В том же 2014 было объявлено, что новая модификация 777Х (также дальняя машина) получит КУЛО на оперении.

А вот сегодняшний день. В середине июня 2015 Боинг заявила об отказе от КУЛО на 777Х (звездочка на графике). Более того, Гольфстрим отказалась от работ с ЛЛ (бизнес-джет со стреловидным крылом), на которой ламинаризация осуществлялась при помощи дискретной микрошероховатости на практически интересных числах Маха и высотах полёта (метод ранее был успешно реализован на ЛЛ Цессна 337, та, которая О-2). Этот отказ был настолько внезапен, что осуществлявшая программу научная группа (имевшая уже практически препарированный борт) оказалась совершенно обескуражена. До сих пор буксует и европейская ЛЛ на базе А340, которую обещали поднять в 2015 (теперь срок неясен).

В большой авиации производитель не живёт сиюминутными соображениями. Это анализ и принятие решений лет на 10 вперёд. Посмотрите на график цены барреля, подумайте.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив