Революционные авиационные технологии 2050

Революционные авиационные технологии 2050

Эволюционные авиационные технологии, основанные на традиционной конструкции труб и крыльев с турбовентиляторными двигателями, имеют лишь ограниченный потенциал дальнейшего повышения эффективности использования топлива. Достижение долгосрочной отраслевой климатической цели (сокращение глобальной чистой эмиссии CO2 от авиации на 50 % к 2050 г. по сравнению с 2005 г.) потребует дальнейшего сокращения выбросов CO2 более чем на 80 % к 2050 г. Большая часть этого сокращения предполагается за счёт использования устойчивого авиационного топлива (SAF — Sustainable Aviation Fuels). Что предлагают революционные авиационные технологии в этом направлении?

Устойчивое авиационное топливо реализация сложной задачи

Значительное повышение эффективности использования энергетических ресурсов приведёт к умеренному росту мирового спроса на топливо. То есть задачу допустимо решить. Таким образом, даже при сильном развертывании устойчивого авиационного топлива в будущем существует большой интерес к существенному повышению эффективности использования топлива на самолётах будущего, включая радикально новые технологии и концепции дизайна.

Те же соображения справедливы и в отношении компенсаций выбросов углерода, которые также доступны не в неограниченных количествах. Таким образом, активные усилия по сокращению потребления авиационного топлива помогают лучше соответствовать спросу и доступности компенсаций выбросов углерода.

Известные производители самолётов, например:

  • Airbus,
  • Boeing,
  • Zunum Aero,
  • DZYNE,
  • DLR,
  • NASA,
  • ONERA,
  • Bauhaus Luftfahrt и другие,

активно работают с новыми концепциями самолётов. Основные тенденции в разработке будущих более эффективных воздушных машин заключаются в новых конфигурациях конструкций, а также в революционных силовых технологиях и материалах. Разработка и внедрение, включая необходимую адаптацию авиатранспортной системы, требуют значительного времени на подготовку.

Ожидается, что первые радикально новые более крупные коммерческие самолёты начнут эксплуатироваться, начиная 2035 года при оптимальных базовых условиях. Ниже представлено описание и оценка принципиально новых технологических концепций, обеспечивающих высокую эффективность использования топлива.

Следует учитывать, однако, что техническое развитие новых концепций воздушных машин рассчитано на следующие два-три десятилетия. Существуют экономические и коммерческие ограничения, которые способны задержать или даже помешать внедрению новой техники.

Революционные авиационные технологии новые конфигурации планера

Если современные коммерческие лайнеры имеют обычную конфигурацию трубы и крыла, для будущих планеров также рассматриваются новые конфигурации с более высокой топливной экономичностью. Конструктивные концепции, которые в настоящее время рассматриваются научно-исследовательскими учреждениями как наиболее перспективные, включают:

  • подкосное крыло,
  • смешанный корпус крыла,
  • самолет с двойным куполом,
  • коробчатое / соединённое крыло.

Все эти конструкции обещают значительно улучшить экологическую составляющую обычных воздушных судов, сделать самолёты не только более экономичными в эксплуатации, но и менее шумными. Приведённые ниже описания указывают для каждой концепции предпочтительную применимость на короткие или дальние расстояния. Рассматривается степень повышения эффективности использования топлива и момент времени, когда техническая зрелость может быть достигнута при оптимальных условиях.

Конфигурация подкосное крыло

Концепция конструкции крыла с подкосами (SBW — Strut-Braced Wing) использует конструкционную опору крыла, позволяющую увеличить размах крыла без увеличения веса конструкции. За счёт увеличения размаха индуктивное сопротивление уменьшается, поэтому требуется меньшая тяга, что позволяет устанавливать двигатели меньшего размера и веса.

Складывающиеся концевые части крыла предотвращают превышение максимального размаха крыла, что применимо к стандартам аэропортов для сопоставимых существующих самолётов. Дополнительным преимуществом является высокое расположение крыла, что позволяет использовать двигатели большего размера, например, с открытыми роторами.

Революционные авиационные технологии 2050 + подкосное крыло
Революционные авиационные технологии обещают новым самолётам подкосное крыло и двигатели с открытыми роторами

Так, в рамках исследования «Subsonic Ultra Green Aircraft Research», проведенного компанией «Boeing», разработан 154-местный самолет «SBW» с большим удлинением и низким индуктивным сопротивлением. Первая конфигурация разработана с усовершенствованными турбовентиляторными двигателями для ввода в эксплуатацию в 2030-35 годах.

Эта конфигурация примерно на 29% более экономична при полёте на 1650 км (расчётный диапазон 6500 км), чем в случае с «Boeing 737-800» на двигателях «CFM56». Дополнительная оптимизация веса крыла этой конструкции в сочетании с открытым ротором потенциально способна привести к экономии блочного топлива до 53% по сравнению с эволюционным базовым парком. Спецификация готового изделия обещается к реализации на 2040 год.

Конфигурация смешанное крыло

Корпус смешанного крыла (BWB — Blended Wing Body), также называемый корпусом гибридного крыла (HWB — Hybrid Wing Body), представляет собой в основном большое крыло, которое содержит зону полезной нагрузки (пассажирский салон или грузовой отсек) в центральной части. Форма центральной части и внешних крыльев плавно перетекают друг в друга.

В прошлом конструкция летающего крыла в основном использовалась для военных самолётов (бомбардировщик «Northrop B-2»). Для гражданской авиации смешанное крыло рассматривается как типичный пример «футуристической» новой категории самолётов, потенциально способных поступить на вооружение гражданской авиации в ближайшие десятилетия. Аэродинамическая форма здесь позволяет создавать подъёмную силу для всей конструкции, что значительно выше, чем у обычных трубчато-крыльевых конфигураций.

До настоящего времени концепция смешанное крыло для вариантов применения в гражданской авиации являлась составляющей конфигурации с очень большой дальностью полёта. Это очевидно, так как налицо аэродинамические преимущества в крейсерском полёте и при большой площади центральной части корпуса.

Однако недавно стало возможным также оптимизировать меньшие версии смешанного крыла, рассчитанные примерно на 100 пассажиров на ближних магистральных маршрутах. Из различных концепций смешанного крыла типичным примером является конструкция на 500 мест. Это разработка Немецкого аэрокосмического центра (GAC — German Aerospace Center). Предполагаемое время ввода в эксплуатацию — не ранее 2040 года.

Революционные авиационные технологии 2050 + смешанное крыло
Революционные авиационные технологии делают ставку на смешанное крыло самолётов будущего, предполагая тем самым создание большего комфорта пассажирам

Прогнозы топливной эффективности для различных крупных конструкций смешанного крыла обычно варьируются от 27% до 50%. Здесь процент ниже, чем у нынешних воздушных машин аналогичного размера и дальности полёта. Для новой конструкции малого смешанного крыла оценки топливной эффективности примерно на 30% ниже, чем у текущего эталонного самолёта.

Другими примерами концепций смешанного крыла являются проекты, разработанные в рамках проекта НАСА «X-plane». Здесь несколько производителей разработали различные конструктивные идеи для самолёта смешанного крыла. Дизайн «Boeing» основан на опыте работы с экспериментальным беспилотным воздушным судном «X-48» малого масштаба.

Конструкция самолёта смешанного крыла, в данном случае, представляет собой крыло, объединённое с основным корпусом, с двумя двигателями и парой небольших вертикальных стабилизаторов, установленных сверху на задней кромке воздушной машины.

Концепция малого гибридного крыла

Компания «DZYNE Technologies» в сотрудничестве с НАСА разработала концепцию небольшого самолёта гибридного крыла с базовой расчётной вместимостью 120 пассажирских мест. Техника имеет некоторые из тех же характеристик, что описаны выше на большие конструкции «BWB». Однако вертикальные стабилизаторы на этой машине являются частью концовок крыла и выглядят как винглеты увеличенного размера.

Оптимизация компоновки также для меньшего гибридного крыла стала возможной благодаря механизму хранения шасси, который требует меньшей высоты и позволяет сделать конструкцию всего самолёта более плоской. Эта конструкция позволяет воспользоваться преимуществами концепции гибрида в сегменте рынка с большим объёмом, чем диапазон 400+ пассажирских мест.

В частности, короткая сдвоенная фюзеляжная конфигурация салона и большие багажные полки обеспечивают более простую и короткую посадку и высадку пассажиров, чем в сопоставимых узкофюзеляжных самолётах. Мосты допустимо использовать без необходимости адаптации. Ожидается, что это значительно сократит время обслуживания в аэропорту и, таким образом, позволит более эффективно использовать воздушное судно.

Революционные авиационные технологии 2050 + гибридное крыло
Своего рода гибридными крыльями предполагает оснащать самолёты будущего известная компания-производитель

Более ранние исследования приёма пассажиров очень больших гибридов показали, что пассажиры жаловались на дискомфорт в салонах с несколькими сотнями мест, напоминающих кинозал, с очень малым количеством мест у окна. Малый гибрид не оказывает отрицательного влияния на приём пассажиров. Наоборот, учитывая более лёгкую посадку, конструкция исключает частое недовольство пассажиров.

Предыдущие исследования одной из проблем, выявленных для концепции гибрида, показали сложность проектирования семейств самолётов с высокой степенью общности между членами. Для трубчато-крыльевых конструкций размер салона легко увеличить или уменьшить, вставляя или удаляя цилиндрические секции фюзеляжа.

В рамках концепции малого гибрида предлагается Т-образная конструкция «вилка» для получения производной от базовой серии моделей самолетов с вместимостью пассажиров от 120 до 200 человек. Предполагается даже самая маленькая версия гибрида в конфигурации бизнес-джета, что обещает открыть дополнительную рыночную нишу в 2025 году.

Конфигурация на грузовой гибрид

Ещё одно перспективное применение гибридного крыла — грузовой авиационный транспорт. В отличие от пассажирских самолётов, для специальных грузовых воздушных судов не требуется герметизация всего салона. Создание конструкции гибрида неправильной формы, устойчивой к перепадам давления между кабиной и наружным воздухом на крейсерской высоте, является серьёзной задачей проектирования.

У грузовых самолётов этого ограничения не будет, так как требуется герметизировать только кабину. Кроме того, перемещение и хранение грузовых контейнеров видится проще внутри широкого гибрида, чем внутри узкого трубчато-крыльевого самолёта. По этим причинам не исключено, что первая конструкция гибрида будет предназначена именно для грузового транспорта.

Революционные авиационные технологии «Flying-V»

Другой многообещающей концепцией типа «летающее крыло», которая в последнее время привлекла значительное внимание, является конструкция «Flying-V». Здесь V-образная конфигурация с двойным крылом большой стреловидности, рассчитанная на то же количество пассажиров (314) и дальность полёта, что и «A350». Два крыла вмещают пассажирский салон, грузовой отсек и топливные баки. С таким же размахом крыльев, как у «A350», воздушное судно подходит под ту же инфраструктуру аэропорта.

Революционные авиационные технологии 2050 + большое летающее крыло
Концепция самолёта будущего, получившая техническое обозначение «Flying-V» — конфигурация сопоставима с большими современными лайнерами

Подобно конфигурации гибрида, конструкция «Flying-V» имеет меньшее аэродинамическое сопротивление и на 20% более экономичный, чем сопоставимый вариант трубчатой конфигурации. Основываясь на первоначальной идее, разработанной специалистами «Airbus», Технический университет Делфта (Нидерланды) в настоящее время продолжает развивать эту концепцию.

Революционные авиационные технологии двойной пузырьковый фюзеляж

В рамках проекта NASA «X-plane» компания «Aurora Flight Sciences» разработала концепцию самолёта «D8», главной особенностью которого является фюзеляж «двойного пузыря». Конструкцию можно представить как состоящую из двух смешанных труб, расположенных бок о бок. Широкий уплощённый корпус фюзеляжа создаёт дополнительную подъёмную силу.

Следовательно, крылья здесь меньше и легче, но вполне выдерживают вес самолёта. Такие авиационные технологии приводят к значительному снижению расхода топлива по сравнению с сопоставимыми обычными конфигурациями. Кроме того, двигатели, прикреплённые к задней части фюзеляжа, позволяют воздуху обтекать верхнюю часть машины. Воздух проходит через двигатели, что, в свою очередь, помогает снизить общее сопротивление. Эта концепция известна как поглощение пограничного слоя. Конфигурация «D8» имеет потенциал достижения до 20% по сравнению с машиной «Airbus A320neo».

Революционные авиационные технологии коробчатое крыло

Конфигурация коробчатого крыла, впервые предложенная в 1924 году, соединяет концы двух смещенных горизонтальных крыльев. При заданной подъёмной силе и размахе, эта конфигурация обеспечивает минимальное индуктивное сопротивление и экономию топлива по сравнению с обычными самолётами.

Теперь под революционные авиационные технологии разрабатывается «Parsifal» — исследовательский проект, координируемый Пизанским университетом. Этот проект направлен на разработку воздушного судна с таким же размахом крыльев, какой имеет «Airbus A320» или «Boeing B737». Та же грузоподъемность, как у самолётов более крупной категории («Airbus A330» или «Boeing 767») и расход топлива меньшего самолёта предлагает эта концепция.


При помощи информации: IATA