Концепт NASA / DLR eRay. Пассажирский самолёт отдалённого будущего

Концепт NASA / DLR eRay. Пассажирский самолёт отдалённого будущего

Современные гражданские самолеты, предназначенные для коммерческих авиаперевозчиков, должны не только показывать высокие летно-технические характеристики, но и отличаться малой стоимостью эксплуатации. При создании новых образцов такой техники учитывается необходимость сокращения всех основных расходов, и постоянно появляются новые варианты снижения стоимости обслуживания и полетов. Интересный вариант лайнера, способного показывать особую экономичность, был предложен в этом году организациями NASA и DLR. Перспективный концепт-проект носит название eRay.

Американское Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) и Германский центр авиации и космонавтики (DLR) вносят значительный вклад в развитие авиации всех основных категорий, в том числе коммерческой, отвечающей за перевозки людей и грузов. Специалисты этих организаций постоянно осуществляют поиск новых идей, выступают с новыми предложениями и проверяют их. Летом этого года две организации представили концепцию перспективного самолета, способного показывать высокие летно-технические характеристики при повышенных экономических показателях.

Новый проект с рабочим названием eRay прорабатывался с заделом на будущее. При формировании требований к нему учитывались прогнозы, касающиеся развития коммерческой авиации до 2045 года. Нынешние прогнозы показывают, что к этому времени в развитых и развивающихся странах значительно вырастет пассажиро- и грузопоток. В связи с этим понадобится развитие аэродромной сети и решение различных организационных вопросов. Кроме того, для обеспечения перевозок потребуется новая авиационная техника с характерными возможностями. По своим характеристикам она должна превосходить существующие образцы.

NASA и DLR полагают, что коммерческий самолет будущего должен быть на 60% экономичнее нынешних. Он должен иметь возможность работы на небольших аэродромах, а также отличаться сокращенной шумностью и простотой эксплуатации. В своем исследовании и отчете о нем авторы нового проекта использовали в качестве своеобразного эталона существующий серийный самолет Airbus A321-200. Перспективный eRay должен был иметь схожие параметры вместимости и грузоподъемности, но при этом показывать преимущества во всех прочих сферах.

Концепт eRay пока не предназначается для полноценного проектирования с последующим запуском производства и эксплуатацией техники. В связи с этим специалисты научных организаций смогли не ограничивать себя и использовать самые смелые идеи, пока не готовые к внедрению на практике. Именно применение таких решений позволило решить поставленные задачи и «создать» новый вариант самолета будущего.

Согласно самым оптимистическим прогнозам, самолет eRay будет на 30% легче серийного A321. Эффективность силовой установки повышается на 48%. Общая энергоэффективность борта вырастает на 64%. Следует отметить, что для получения подобных результатов ученым и конструкторам пришлось не только внедрять новые идеи, но и отказываться от привычных решений. В результате предложенный лайнер заметно отличается от современных представителей своего класса.

Проект eRay предлагает строительство свободнонесущего низкоплана со стреловидным крылом. Предусматривается хвостовое оперение, включающее только стабилизатор с большим поперечным V. Киль отсутствует. Оригинальным способом, обусловленным необходимостью повышения эффективности, решена задача компоновки элементов силовой установки. Отдельные ее агрегаты помещаются в разных частях крыла, а также в хвосте фюзеляжа.

Фюзеляж самолета, в целом, напоминает агрегаты существующих машин. Предлагается строительство цельнометаллической конструкции большого удлинения, имеющей аэродинамические формы. Носовая часть отдается под кабину и технические помещения, за которыми располагается крупный салон с пассажирскими местами. Под пассажирским салоном предусматривается объем для грузов – в первую очередь, для багажа. Хвостовой отсек должен вмещать один из двигателей силовой установки.

С фюзеляжем предлагается стыковать стреловидные плоскости. Крыло получает оптимальный профиль, и на большей части его поверхности отсутствуют какие-либо элементы, способные возмущать поток. На передней и задней кромках крыла предусматривается механизация традиционного вида. На законцовках конструкторы разместили пару двухконтурных турбореактивных двигателей с необходимым оснащением.

Вместо традиционного хвостового оперения в проекте eRay применяется необычная система. На хвостовой оконечности фюзеляжа устанавливается конический кольцевой канал для толкающего воздушного винта силовой установки. На бортах этого канала конструкторы расположили две плоскости стабилизатора, установленные со значительным поперечным V. Киль отсутствует. Управление по рысканию должно осуществляться за счет изменения тяги крыльевых двигателей или при помощи механизации крыла.

Согласно расчетам NASA и DLR, три четверти роста энергоэффективности может достигаться только за счет аэродинамики. К примеру, 13% от общего роста эффективности обеспечивается ламинарным обтеканием фюзеляжа. Доведение размаха крыла до 45 м дает прирост еще 6%. Отказ от киля сокращает поверхность планера, уменьшая сопротивление воздуха.

Впрочем, задача сокращения «лишних» трат энергии решается не только за счет аэродинамики. Так, рассматривалась возможность удаления бортовых иллюминаторов пассажирского салона. В этом случае существенно упрощается конструкция фюзеляжа, что приводит к его облегчению и соответствующему сокращению требований к двигателям. Однако такое нововведение не считается обязательным, поскольку может не понравиться пассажирам. Вряд ли перевозчик захочет получить энергоэффективность, но остаться без клиентов.

Проект eRay предусматривает оснащение самолета гибридной силовой установкой. На крыле должны находиться турбореактивные двигатели, создающие тягу за счет газов, а также приводящие в действие пару электрогенераторов. Электроэнергия через необходимые преобразователи должна поступать в аккумуляторные батареи, а также на хвостовой электродвигатель. Главное преимущество такой энергоустановки состоит в возможности гибкого изменения общих параметров тяги с получением оптимального расхода топлива, соответствующего текущему режиму полета.

Основой силовой установки для eRay в NASA и DLR видят пару двухконтурных турбореактивных двигателей. Изделия с достаточными характеристиками и сокращенными размерами предлагается помещать в законцовках крыла. В рамках проекта было изучено применение двигателей с системой теплообменников, нагревающих поступающий атмосферный воздух за счет газов за турбиной. На отдельных режимах это позволяет сократить расход топлива на 20%.

Специалисты двух организаций рассмотрели существующие электрические устройства необходимых типов и сделали определенные выводы. Оказалось, что имеющиеся генераторы, батареи и моторы позволяют построить энергоустановку для eRay, но ее характеристики будут далеки от желаемых. Для получения оптимальных параметров требуются новые технологии и решения. В частности, рассматривается возможность использования эффекта сверхпроводимости, способного повлиять на параметры электродвигателя.

Существующие аккумуляторные батареи тоже не позволяют создать самолет с желаемыми параметрами. Технологии уровня 2010 года обеспечивают плотность энергии порядка 335 Вт*ч/кг. К 2040 году ожидается рост этого параметра до 2500 Вт*ч/кг. Впрочем, в ближней перспективе приходится рассчитывать на батареи с более скромными характеристиками около 1500 Вт*ч/кг. По расчетам, комбинированная силовая установка с электрическим и турбореактивным двигателями обеспечит продолжительность полета не менее 6-7 ч и дальность более 6000 км.

В докладе о концепт-проекте eRay приводятся любопытные цифры, показывающие потенциал такой техники. Конструкторы посчитали основные эксплуатационные показатели разной техники при решении одинаковой задачи. Самолет A321 при выполнении «эталонного» полета на дальность 4200 км должен потратить в общей сложности чуть менее 84,5 МВт энергии. Для этого ему необходимо 15881 кг топлива. На перевозку одного пассажира на 100 км самолет тратит 2,36 л горючего. Для перспективного самолета eRay, по расчетам, общий расход энергии достигает 39,57 МВт – это 5782 кг топлива. На перевозку пассажира на 100 км нужно всего 0,82 л топлива. Таким образом, в заданных условиях перспективная машина оказывается на 65,3% эффективнее серийного образца.

Одним из способов повышения энергоэффективности является грамотное использование пространства в пассажирской кабине. NASA и DLR предлагают три вариант компоновки кабины лайнера с разной вместимостью. Прежде всего, рассматривается салон эконом-класса, созданный на основе салона A321. В этом случае кресла устанавливаются в ряды по 3+3 с центральным проходом. В такой конфигурации самолет перевозит 200 человек. В конфигурации Premium Economy вместимость доводится до 222 пассажиров, для чего используются иные кресла и оптимизируется распределение доступных объемов. Также проработан вариант с салонами трех классов. В бизнес-классе размещаются 8 кресел, а «эконом» и «эконом-слим» вмещают 87 и 105 пассажиров соответственно.

В предлагаемом виде самолет eRay имеет длину 43,7 м. Размах крыла – 38 м в базовой конфигурации или 45 м в усовершенствованной, дающей некоторый прирост энергоэффективности. Вес пустого самолета определен в 36,5 т. Максимальная взлетная масса – 67 т. Полезная нагрузка – порядка 25 т в составе 21 т пассажиров и 4 т багажа. Летно-технические характеристики зависят от применяемых элементов силовой установки. В целом, они должны быть на уровне существующих образцов коммерческой авиации.

***

Концепт eRay, представленный в этом году ведущими научно-исследовательскими организациями Соединенных Штатов и Германии, фактически является очередной попыткой поиска путей дальнейшего развития пассажирской авиации. Как справедливо отмечается в докладе о проекте, в будущем возникнут новые требования к коммерческой авиации, и перевозчикам понадобятся новые образцы техники с особыми возможностями. Поиск решений этой проблемы не прекращается, и проект eRay в очередной раз предлагает оригинальные идеи того или иного рода.

В проекте NASA и DLR главными целями стали повышение энергетической эффективности и улучшение аэродинамики, что должно положительным образом сказываться на общей экономичности самолета. Для получения таких характеристик предлагается особая конструкция планера, сочетающая в себе хорошо освоенные и новые решения, а также необычная гибридная силовая установка на основе разнородных компонентов. Расчеты показывают, что оптимальное расходование энергии топлива в сочетании с улучшенной аэродинамикой должны повысить как летные, так и экономические показатели техники.

Впрочем, пока все эти результаты остаются «на бумаге». Концепт лайнера eRay, подобно другим разработкам своего рода, имеет серьезный недостаток, и его авторы прекрасно это понимают. В настоящее время и в ближайшем будущем конструкторы не смогут реализовать все преимущества предложенной концепции. Достижению поставленных целей мешает отсутствие необходимых технологий. Так, идея турбореактивного двигателя с теплообменниками и выдачей мощности на генератор нуждается в дальнейшей проработке и практической проверке. Аккумуляторы с желаемыми характеристиками пока отсутствуют, а характерный аэродинамический облик самолета должен подтвердить свои возможности в ходе различных исследований.

Развитие технологий, необходимых для строительства настоящего самолета типа eRay, связано с крупными финансовыми затратами и требует немало времени. Авторы проекта прекрасно это понимают, и потому рассматривают перспективный самолет в контексте развития авиации в следующие десятилетия – вплоть до 2040-45 годов. Они полагают, что к этому времени наука создаст нужные компоненты и проведет все требуемые исследования, что позволит реализовывать новые концепции: либо eRay, либо иные проекты.

Концепт-проект NASA / DLR eRay – по причине его специфического предназначения – нельзя считать успешным или неудачным. Его целью было определение путей развития гражданской коммерческой авиации и поиск оптимальной конструкции, соответствующей требованиям будущего. Ученые и инженеры двух стран тщательно изучили актуальный вопрос и представили свой вариант ответа. Вполне возможно, что в конце тридцатых годов в воздух действительно поднимутся самолеты, похожие на нынешний eRay. Однако развитие авиации может пойти другими путями, и потому будущие лайнеры будут иметь сходство с иными концептами нашего времени.

По материалам:
https://dlr.de/
http://nasa.gov/
http://aviationweek.com/
https://electrive.com/
https://tum.de/
https://dlr.de/dlr/en/Portaldata/1/Resources/documents/2018/TU_Muenchen_The_eRay_Aircraft_Concept.pdf

Автор: Рябов Кирилл

Использованы фотографии: NASA, DLR
Основные виды деятельности: Работа на финансовых рынках Консультирование и сопровождение в работе на финансовых рынках Юридические услуги, связанные с регистрацией, перерегистрацией, ликвидацией российских юридических лиц Консультирование в сфере кредитования и защиты прав заёмщика Информационные услуги связанные с ведением бизнеса