Развитие реактивной транспортной авиации

Развитие реактивной транспортной авиации было начато широкой эксплуатацией на линиях пассажирского самолета Ту-104 в 1956 году. —

Предпринятые более ранние попытки были неудачными, а некоторые даже трагическими. Так, созданный в начале 50-х годов фирмой Де Хавилленд пассажирский самолет “Комета” потерпел ряд катастроф, так как при его создании не были учтены проблемы усталости конструкции таких самолетов с многократно меняющимися нагрузками.

Таким образом, реактивная пассажирская авиация насчитывает уже опыт около 40 лет. Если учесть, что на создание магистрального самолета от момента начала предварительных проработок до эксплуатации затрачивается от 8 до 10 лет, а сама эксплуатация длится более 20 лет, то можно говорить о создании всего лишь 2-3-х поколений таких самолетов.

Как видно из рис Л, в начале шли интенсивные работы по созданию магистральных самолетов двух типов — с двигателями ТВД и с двигателями ТРД. И в том, и в другом классе широко использовался опыт военных самолетов.

Реактивные магистральные самолеты, как транспортное средство, обладают огромным преимуществом по сравнению с другими видами транспорта за счет больших скоростей. Большие скорости, приемлемые дальности полета, полет на высоте 10 км, где возмущения атмосферы встречаются достаточно редко, наличие герметичного фюзеляжа с давлением порядка 0,6—0,7 земного—все это обеспечивает высокий комфорт пассажирам и их быструю доставку.

Однако, реактивная авиация потребовала интенсивного развития аэродромов и всех наземных средств обеспечения эксплуатации.

Развитие реактивной транспортной авиации шло очень быстрыми темпами. На рис.1 приведена общая картина этого развития и отмечены только важнейшие образцы.

После 1956—бОг. г. началась интенсивная конкуренция и

□ начало серийного производства и эксплуатации

Рис Л Развитие магистральных самолетов соревнование в создании различных классов магистральных самолетов.

Выявилось три основных типа магистральных самолетов:

а) ближние с дальностью порядка 1500—2500 км;

б) средние с дальностью порядка 2500—4500 км;

в) дальние с дальностью порядка 7000—10000 км, а в дальнейшем и более.

Кроме указанных классов магистральных самолетов, следует указать на широкий класс самолетов местных воздушных линий.

Современную жизнь нельзя представить без авиации, одного из главных средств перевозки пассажировРезкое увеличение пере­возок началось с 1962—1963г. г., каждые 10 лет число пасса­жиров, перевезенных в год, увеличивалось на 350-400 миллионов. В 1987—1988г. г. общее число перевезенных за год пассажиров впервые превысило 1 миллиард. Большинство авторов прогнозирует на 2000—2010 г. г. такой же темп перевозок, т. е. к этому времени следует ожидать их удвоения. Вероятно, такой прогноз обоснован, поскольку прогнозируется рост населения земного шара с 4,4 млрд, в 1980г. до 5,5-5,8 млрд, к 2000г.

Кроме того, современная политическая ситуация в мире способствует усилению связей между населением различных стран. В этом же направлении будет действовать и фактор роста национального дохода. Эта тенденция подтверждается значительным ростом связей на основе туризма, в последние годы, например, число туристов в Западную Европу превысило 350 млн. в год.

Оценка потребного парка магистральиьіх самолетов представляется очень важной. По данным ИКАО, к началу 90-х годов общее число магистральных самолетов составляло около 6500, из которых около 80%—ближние и средние магистральные самолеты, а в некоторых странах даже окодо 90%. Можно ожидать изменения в структуре парка в направлении увеличения числа дальних магистральных самолетов.

В последние годы среди магистральных самолетов преобладают самолеты с турбореактивными двигателями(около 80%),некоторое количество эксплуатируется с турбовинтовыми двигательными установками (17—18%) и совсем небольшое количество (около 3 + 5%) с поршневыми двигателями.

Прогнозируемый рост перевозок более чем в два раза к 2000г. приведет (и уже приводит) к некоторому изменению требований к магистральным самолетам.

Во-первых, уже ощутимая перегрузка аэропортов потребует дальнейшего возрастания пассажировместимости, так как трудно ожидать значительного расширения сети аэродромов и увеличения числа полос. Уже появляются модификации существующих магистральных самолетов с увеличенной пассажировместимостью до 500 мест. Рассматриваются проекты с увеличением мест до 600“^" 800 и даже 1000 (фирмы Эрбас Индастри и др.).

Во-вторых, интенсивное экономическое и политическое развитие “ удаленных” стран(Япония, КНР, Корея, Т аиланд, Сингапур и др. в Азии, Австралия, Новая Зеландия) приводит к необходимости увеличения дальности полета дальних магистральных самолетов до 12000-15000 км. При этом проявляется тенденция увеличения крейсерской скорости полета.

При рассмотрении направлений развития магистральных самолетов одним из важных факторов является их топливная эффективность. Ограничение ресурсов углеводородного топлива в каждом последующем десятилетии будет повышать требования к снижению расхода топлива. Конъюнктура по цене топлива изменяется: в 1973—1976г. г. она была кризисной, к 80-м годам наблюдался резкий рост цен, а в последующие годы кризисная ситуация ослабилась, на ближайшие годы некоторые авторы прогнозируют новое повышение цен. Так или иначе, общая тенденция, так сказать, глобальная, на период 20—30 лет требует все большей экономии топлива, так как его ресурсы ограничены. С этой точки зрения важно рассмотреть возможное повышение топливной эффективности магистральных самолетов. • Она определяется величиной Q т как отношение расхода топлива GV к производительности п*L тех, где п—число пассажиров, L тех —техническая дальность полета.

Начиная с 1960г. за 25—30 лет расход топлива снизился приблизительно на 50%, главным образом благодаря:

—переходу на ТРДД с повышенной степенью двухконтурности (т-5);

—увеличению пассаж ировместимости;

—увеличению в последние годы (1980—1988г. г.) аэродинамического качества на 20"^~30% вследствие применения сверхкритических крыльев с удлинением Л —9—10 (Ту-204, Ил-96, А-310, 320, 340 и др.).

Оценивая дальнейшие возможности на последующие 20—30 лет, можно ожидать для магистральных самолетов уменьшения расхода топлива еще в два раза путем:

—применения двигателей со сверхбольшой степенью двухконтурности(т —15—20) или, может быть, применения ТВВД;

—повышения аэродинамического качества за счет введения естественной ламинаризации, уменьшения турбулентного трения.

Ддя дальних магистральных самолетов на последующие годы можно ожидать уменьшения расхода топлива, кроме того, за счет увеличения пассажировместимости, применения систем управления пограничным слоем(искусственной ламинаризации),использования для самолетов с очень большой пассажировместимостью компоновки без фюзеляжа, т. е. переход к схеме"летающее крыло”.

Следует отметить очень важные новые свойства перспективных магистральных самолетов.

Во-первых, вследствие значительного улучшения аэродинамики (повышение аэродинамического качества), дальнейшего уменьшения расхода топлива новыми двигателями, большая дальность полета будет достигаться при существенно меньшей взлетной массе самолетов. Темп увеличения взлетной массы для самолетов нового поколения при увеличении дальности полета резко уменьшается.

Во-вторых, для перспективных дальних самолетов топливная эффективность (помимо уменьшения ее общего уровня) при изменении дальности полета изменяется всего на 10%, это позволяет эксплуатировать эти самолеты более гибко на маршрутах различной дальности.

Из перечисленных факторов, способствовавших развитию магистральных самолетов в последние 10—15 лет, особую роль играло совершенствование их аэродинамики. Главные результаты в СССР были получены за счет выполненных в ЦАГИ фундаментальных исследований профилей, давших возможность применять профили большей на 25—30% относительной толщины, что позволило увеличить, без увеличения веса крыла, его удлинение с 7 до 10 и значительно повысить аэродинамическое качество.

Вторым важным вкладом в увеличение аэродинамического качества был проведенный по инициативе ЦАГИ комплекс конструктивных и технологических мероприятий, направленных на резкое уменьшение вредного сопротивления наших магистральных самолетов. Улучшение отделки поверхности,, устранение лишних надстроек, уступов и щелей позволили уменьшить вредное сопротивление с 10-15%(от Go)ДО 3-5%, что дало увеличение максимального аэродинамического качества на 5—10%.

Третьим фактором увеличения аэродинамического качества магистральных самолетов нового поколения явилось значительное уменьшение запасов продольной статической устойчивости и вследствие этого уменьшение потерь на балансировку на крейсерском режиме. Последнее мероприятие стало возможным при введении специальной автоматической системы улучшения устойчивости и управляемости[1].

Наконец, оптимизация параметров самолета, рациональная общая аэродинамическая компоновка также явились важным вкладом в увеличение аэродинамического качества. Всем этим вопросам посвящены главы 1—5,10,11 настоящей монографии.

Разработанные новые магистральные самолеты Ил-96 и Ту-204 (см. рис. 2иЗ)и реализация материалов проработок ОКБ по развитию магистральных самолетов в ближайшие 10-15 лет обеспечит при их интенсивном серийном производстве значительное увеличение пассажирских перевозок в России без заметного увеличения общего потребления топлива. Ориентировочно, замена парка самолетов может дать удвоение перевозок.

Большую роль в развитии новых магистральных самолетов играют факторы, связанные с себестоимостью перевозок, на которую кроме стоимости топлива оказывают влияние стоимость самолета, стоимость работ по его эксплуатации. Поэтому повышение летно­технических качеств, достигаемое путем усложнения самолета, в ряде случаев может не дать уменьшения себестоимости перевозок.

Весьма интересны прогнозы по производству магистральных самолетов за рубежом. Так, фирма “Боинг”считает, что в ближайшие 15 лет (с 1988—1990г. г. до 2005г. Потребуется и будут изготовлены 7600 самолетов. Общая стоимость потребных самолетов оценивается в 340—510 млрд, долларов в зависимости от среднего ежегодного прироста объема перевозок, который, как считают фирмы, может колебаться от 3 до 6%.

Следует подчеркнуть, что производство и продажа

Рис.2 Современный магистральный самолет большой дальности с сверхкритическим крылом Ил-96-300

Рис. З Современный магистральный самолет средней дальности с сверхкритическим крылом Ту-204

магистральных самолетов является одной из самых доходных отраслей промышленности. Так, например, фирма"Боинг”изготовила в 1986г. 341 магистральный самолет на сумму 19 млрд. долл. , а в 1988г. уже 636—на сумму 29,6 млрд. долл. Следует иметь в виду, что свыше 50% самолетов экспортируются и приносят фирмам и странам—изготовителям огромные доходы.

По данным ИКАО, к началу 90-х годов объем грузовых перевозок достиг 50 млрд, т/км (это примерно 25% всех авиаперевозок). За последние 20 лет наблюдается непрерывное увеличение объема этих перевозок. Интенсивность роста, конечно, сдерживается относительно высокой ценой этих перевозок. Как правило, к ним прибегают в случаях, когда большую роль играет фактор времени.

Для многих стран большое значение имеет перевозка уникальных грузов больших габаритов и тоннажа. Необходимость в их перевозке возникла в результате новой технологии сборки и изготовления ряда уникальных агрегатов машиностроения(турбины большой мощности, химические реакторы и др.). В ряде случаев эти уникальные грузы, масса которых достигает нескольких сотен тонн, требуют срочной доставки зачастую (особенно в России) в труднодоступные районы. По данным ряда ведомств, следует ожидать дальнейшего увеличения потребности в средствах доставки таких грузов на расстояния порядка 3000-5000 км.

В СНГ развивается производство транспортных самолетов большой грузоподъемности. На рис. 4 показаны возможности уже созданных грузовых самолетов ОКБ им. Антонова и ОКБ им. Ильюшина. На самолете Ан-225 “Мрия”, разработанном под руководством генерального конструктора П. В. Балабуева, можно перевозить грузы массой порядка 250т.

Проработки показывают, что в перспективе при взлетной массе 1000—1200т. можно создать транспортный самолет, способный перевозить грузы массой 500—600т. на расстояние 3000—5000 км., при этом с учетом научно-технического уровня 2000—2010 г. г. удельный расход топлива будет составлять 120г/т. км. В качестве примера перевозки груза больших габаритов( массой 100т)на наружной

подвеске на рис.5 показана фотография Ан-225 “Мрия”, перевозящего многоразовый орбитальный самолет “Буран”.

Таким образом, развитие транспортной авиации широкого назначения открывает большие возможности по перевозке различных грузов. В этом направлении представляет большой интерес международное сотрудничество в виде организации специальных компаний при участии ряда заинтересованных стран для обслуживания всех потребителей. Открывающиеся уникальные возможности уже сейчас на базе транспортных самолетов Ан-124 и Ан-225 будут способствовать развитию экономики.

Ожидаемое значительное расширение пассажирских перевозок в начале ХХІ века, а также возникшая потребность в дальних линиях вновь привлекают внимание к проблеме увеличения скорости магистральных самолетов. В ряде стран уже накоплен опыт создания самолетов различного назначения для длительного полета на сверхзвуковых скоростях.

Создание и эксплуатация первых сверхзвуковых пассажирских самолетов Ту-144 и “Конкорд” позволили накопить ценнейший опыт для дальнейшего продвижения в этом направлении. Работы по самолету Ту-144, начатые в начале 60-х годов (первый полет 31 декабря 1968г.) завершились достаточно успешно. Этот самолет создавался в двух вариантах: с форсажным двитателем НК-144 Н. Д. Кузнецова и с бесфорсажным двигателем П. А. Колесова. Самолет Ту-144 с форсажным двигателем прошел национальную сертификацию и весь необходимый объем летных и наземных испытаний. В 1977г. был оформлен сертификат на этот самолет.

Самолет Ту-144 с бесфорсажным двигателем прошел летные испытания в конце 1981г., он мог перевозить 100 пассажиров на расстояние 6500 км при нормируемом аэронавигационном запасе топлива. В 1982г. самолеты Ту-144 были подготовлены для эксплуатационных испытаний. Однако работы по введению самолета в эксплуатацию в МГА были прекращены. Можно предположить, что тогдашние руководители МГ А не захотели обременять себя дополнительными трудностями по освоению этой новой и сложной техники.

“Конкорд”, начав первые полеты несколько позднее (21 марта 1969г.), прошел цикл летных испытаний и был принят в эксплуатацию в январе 1976г. авиакомпаниями “Эйр Франс” и “Бритиш Аэролайнс”. Уровень топливной эффективности “Конкорда”,так же как Ту-144, составляет ~ 100г/пасс. км.

Трудности, возникающие при увеличении числа М крейс., соответствующего крейсерской скорости, свыше 2—2,3,связаны с необходимостью перехода от традиционных конструктивных материалов на основе алюминия к титану и стали.

Главное преимущество, которое получается при увеличении скорости—рост часовой производительности самолета, определяемой произведением Gk. h. • Vкрейс, который приводит к уменьшению себестоимости перевозок. Вследствие этого в принципе допустимо, с точки зрения экономики, некоторое увеличение расхода топлива. Однако,, если учитывать прочие затраты и особенно затраты на разработку СПС-2, которые могут быть значительными, экономическая целесообразность создания СПС-2 будет в значительной степени определяться числом заказанных самолетов.

В связи с этим с целью распределения затрат на разработку целесообразно рассмотреть объединение усилий ряда стран. Это важно и потому, что многие вопросы эксплуатации СПС-2 должны быть согласованы на правительственном уровне, к ним в первую очередь относятся вопросы воздействия на окружающую среду. Здесь наиболее сложной проблемой является звуковой удар, вторым важным вопросом является шум, создаваемый сверхзвуковым самолетом при взлете с аэродрома.

Из изложенного видно, что развитие сверхзвуковых самолетов находится в начальной стадии, их создание—дело 2000 годов, поэтому в нашей монографии ограничимся проблемами аэродинамики дозвуковых магистральных самолетов. Опыт эксплуатации магистральных пассажирских самолетов в течение 30-40 лет показал, что для них оптимальным является диапазон скоростей до чисел М = 0,8-0,9.

При рассмотрении совершенства магистральных самолетов критериями эффективности являются его производительность, себестоимость перевозок, расход топлива, условия базирования, степень неблагоприятного воздействия на окружающую среду,

уровень комфорта для пассажиров и др. Все эти показатели взаимосвязаны, и при проектировании самолета улучшение одних из них иногда ограничивает возможности совершенствования других. Попытки выработать всеобъемлющий критерий эффективности пассажирского самолета пока оказываются безуспешными. Многолетняя практика самолетостроения свидетельствует о том, что комплексные критерии в большинстве случаев недолговечны и эффективны лишь для оценки построенных самолетов и общей конъюнктуры.

Для определения облика и параметров нового самолета, помимо большого объема исследований по аэродинамике, прочности, конструкции, необходимы детальные исследования развития общей конъюнктуры и возможностей авиастроения. При оценке технического совершенства современного самолета в качестве определяющих обычно рассматриваются следующие параметры:

—крейсерские скорость и высота полета;

—потребная длина взлетно-посадочной полосы;

—технический ресурс;

—скорость захода на посадку;

—шум самолета на местности;

К* V крейс.

—параметр дальности полета————————-

УУ1 сн

—относительная масса снаряженного самолета —————— или его

fYl о

‘УУ1 пн

полная весовая отдача ~~г—, где Шо —взлетная масса самолета;

THq

тт—масса полезной нагрузки;

—масса снаряженного самолета, приходящаяся на одно пассажирское место;

—часовая производительность, отнесенная к массе снаряженного самолета.

К основным параметрам экономического совершенства самолета можно отнести следующие:

—расход топлива на единицу транспортной работы, т. е. расход топлива за полет, отнесенный к рейсовой производительности

самолета, выраженной в тонно-километрах или пассажиро-километрах;

—массу относительной коммерческой нагрузки ■ ~ ;

jHq

—часовую прибыль или себестоимость перевозок.

Анализ показывает на отчетливый рост параметра дальности с увеличением протяженности авиалиний. Кроме того, использование на широкофюзеляжных самолетах двигателей с большой степенью двухконтурности заметно увеличило параметр дальности по сравнению с его значениями для самолетов с обычными ТРД. Широкофюзеляжные самолеты имеют большую относительную массу снаряженного самолета и, следовательно, меньшую относительную отдачу по полной полезной нагрузке [ш кн+ ш топД Это объясняется значительным снижением относительной массы расходуемого топлива, обсуловленным ростом параметра дальности. Вместе с тем, наряду с уменьшением полной отдачи по полезной нагрузке, на широкофюзеляжных самолетах наблюдается увеличение относительной коммерческой нагрузки—параметра, благоприятно влияющего на топливную эффективность и рентабельность пассажирских самолетов. Увеличение относительной коммерческой нагрузки и использование экономичных двигателей с большой степенью двухконтурности позволило компенсировать неблагоприятный эффект уменьшения отдачи по полезной нагрузке и Обеспечить хорошие показатели топливной эффективности. Здесь уместно отметить, что с ростом цен на топливо возросли требования к увеличению параметра дальности и возросла относительная масса снаряженного самолета.

Увеличение цен на топливо еще больше повышает роль аэродинамического совершенства и экономичности двигателей в рентабельности магистральных самолетов. Современный уровень цен на топливо привел к тому, что доля эксплуатационных расходов на горюче-смазочные материалы значительно возросла.

При ограниченности мировых, как уже указывалось вьше, запасов нефти и неуклонном росте потребностей народного хозяйства в нефтепродуктах топливная эффективность становится одним из основных показателей, определяющих характеристики проектируемых самолетов. В этих условиях обеспечение конкурентоспособности самолетов требует сокращения расхода топлива часто даже за счет некоторого ухудшения таких параметров, как крейсерская скорость, масса снаряженного самолета, масса и стоимость двигателя. В ряде случаев критерий топливной эффективности изменяет установившиеся представления о показателях технического совершенства самолета. В качестве примера можно рассмотреть такой традиционный показатель, как весовая отдача по полезной нагрузке. Из двух самолетов, имеющих одинаковые основные параметры, более совершенный по топливной эффективности самолет может оказаться с меньшей отдачей по полной полезной нагрузке.

Кроме экономических факторов, для современных магистральных самолетов важнейшей проблемой является обеспечение высокого уровня безопасности полета. Большая пассажировместимость, необходимость обеспечения регулярности полетов в любых метеорологических условиях, делает эту проблему особенно важной.

Статистика показывает, что большая часть авиационных происшествий и катастроф (около 70%) связана с “человеческим фактором”—ошибками и неадэкватными действиями экипажа и наземного персонала. В связи с этим в последние годы болышое внимание уделяется развитию автоматизации управления самолетом на всех основных режимах полета, введению средств контроля, введение “подсказки” экипажу (экспертных систем управления) правильных действий, особенно в экстремальных условиях, и др. средств, призванных при высоком уровне их надежности повысить безопасность полета. Статистика показывает также, что наибольшее количество происшествий связано с режимом взлета и посадки. В связи с этим, вопросам устойчивости и управляемости на этих режимах, их автоматизации уделяется на современных магистральных самолетах большое внимание.

Основа автоматизации управления магистральных самолетов была заложена введением необратимого бустерного управления. В результате его дальнейшего развития возникли практически неограниченные возможности автоматизации управления на всех режимах полета. Внедрение бортовых цифровых. вычислителей обеспечивает практическое решение проблем автоматизации- Следует напомнить, что введение систем улучшения устойчивости и управляемости, особенно с цифровыми вычислителями, позволило также значительно улучшить и экономические показатели магистральных самолетов. Так, введение СУ У, позволяющее использовать аэродинамические компоновки с малыми запасами статической устойчивости и с зонами местной статической неустойчивости в продольном канале, способствует повышению аэродинамического качества. Активные системы управления, уменьшающие нагрузки на конструкцию, обеспечивают необходимые запасы по флаттеру, увеличивают полезную весовую отдачу. .

Комплексу вопросов устойчивости и управляемости, систем управления, систем улучшения устойчивости и управляемости в настоящей монографии посвящены главы 6,8,7,9.

Таким образом, существует два главных фактора, определяющих прогресс магистральных самолетов—это улучшение экономических показателей и повышение безопасности полета.

Фактором, определяющим развитие гражданской авиации и сдерживающим разработку новых программ, является значительное увеличение затрат на реализацию новых программ. Это заставляет искать формы международной кооперации при разработке новых проектов. По оценкам зарубежных специалистов, стоимость разработки нового магистрального самолета составляет несколько миллиардов долларов. Начало разработки такой программы возможно лишь при гарантированной высокой серийности производства нового самолета. Поэтому заметно расширяется также объем изысканий, направленных на модификацию существующих самолетов, и становится актуальным резервирование модификаций самолета, закладываемых уже на стадии проектирования.