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 « HYPERLINK "http://www.sergib.agava.ru/usa/boeing/boeing.htm" 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 HYPERLINK "http://www.sergib.agava.ru/inter/airbus/3xx/a3xx.htm" 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).
Хотя фирма DASA заявила, что кессон "выполнен полностью из углеродных материалов", тем не менее, узлы крепления пилонов двигателей и опор шасси и узлы стыковки с фюзеляжем металлические. Для проведения статических и усталостных испытаний эти узлы были сделаны несколько переразмеренными. Сравнение весовых характеристик показало, что кессон из КМ имеет массу 1223 кг (включая панели обшивки, передний и задний лонжероны, нервюры и стрингеры), в то время как цельнометаллический кессон весит 1491 кг. Таким образом, экономия в массе составляет 268 кг (почти 22%) для одного кессона, а для всего крыла она равна 536 кг. Представители фирмы DASA заявили, что "в настоящее время даже выигрыш в массе конструкции около 500 кг уже вызывает большой интерес". Экстраполяция данных, полученных для кессона 100-местного самолета, на кессон тяжелого пассажирского самолета может дать достаточно многообещающие результаты.
В 1998 г. начались статические и усталостные испытания консоли, завершившиеся в декабре 1999 г. Всего было смоделировано 90000 летных циклов; кроме того, во время проведения последних 30000 циклов конструкция кессона была преднамеренно повреждена. После окончания испытаний никаких признаков усталости обнаружено не было. Это позволило руководителям фирмы DASA заявить, что предложенная конструкция крыла пригодна для использования в гражданской авиации.
Очередной этап в развитии технологии изготовления крыла из углеродных композиционных материалов, который завершила фирмы DASA, позволяет предположить, что в будущем эта технология будет применима и к более крупным самолетам. Но если идея изготовления крыла из углепластиков для широкофюзеляжного самолета типа Эрбас Индастри А3ХХ выглядит все-таки преждевременной, то ничто не мешает пола гать, что будущий европейский военно-транспортный самолет А400М станет первым тяжелым летательным аппаратом с таким крылом.
Кроме того, если крыло из углеродных композиционных материалов в будущем будет широко применяться на магистральных самолетах консорциума Эрбас Индастри, то можно предположить, что фирма DASA может занять место фирмы ВАЕ Системз, которая в настоящее время ответственна за изготовление комплектов крыльев для всех самолетов консорциума. Фирма DASA уже сейчас подготовила плацдарм в этой области, взяв на себя окончательную сборку крыльев для самолетов А330 и А340, кессоны для которых изготовляет фирма ВАЕ Системз.
Особое внимание уделялось вопросам финансирования НИОКР, особенно в США. Этому вопросу были посвящены материалы с изложением планов NASA на ближайшие годы.
В бюджете NASA на 2001 ф.г. предусматривалось выделение 1,193 млрд. долл. на выполнение программ НИОКР по статье "Авиационно-космическая наука и техника". Эти НИОКР должны обеспечить революционные научные и технологические достижения, которые сохранят ведущие позиции США в гражданской авиации и космической технике.
В бюджете на 2001 ф.г. были добавлены три новые целевые программы и исключена (как самостоятельная) программа экспериментального ВКС HYPERLINK "http://www.sergib.agava.ru/usa/lockheed/x/33/x33.htm" Х-33, расходы по которой включены в другие статьи расходов. К новым программам относятся программа SATS, исследования малошумного самолета и исследования второго поколения многоразовых космических носителей ( HYPERLINK "http://www.sergib.agava.ru/usa/lockheed/vs/ventstar.htm" RLV). Последняя программа является составной частью новой широкомасштабной инициативной программы под названием "Космическая инициатива" (Space Launch Initiative), которая, в свою очередь, представляет собой основной элемент объединенной программы NASA по созданию космической транспортной системы (ISTP - Integrated Space Transportation Program). Эксперты полагают, что в результате появления этих программ можно ожидать ускорения работ, связанных со снижением уровня шума, развитием промышленности, занимающейся созданием легких самолетов авиации общего назначения (АОН) и созданием перспективной космической техники.
Виктор БеляевАвиация и космонавтика №8.2001