Базовая конструкция коммерческих самолетов не сильно изменилась за последние 60 лет. Современные авиалайнеры, такие как Boeing 787 и Airbus A350, имеют ту же общую форму, что и Boeing 707 и Douglas DC-8, которые были построены в конце 1950-х годов и укрепили форм-фактор «труба и крыло», который используется до сих пор.
Это связано с тем, что в коммерческой авиации приоритет отдается безопасности, отдавая предпочтение проверенным решениям, а также потому, что другие разработки — например, в материалах и двигателях — означают, что традиционная конструкция по-прежнему актуальна.
Однако, поскольку отрасль отчаянно ищет способы сокращения выбросов углерода, она сталкивается с несколько более сложной задачей, чем другие отрасли, именно потому, что от ее основных технологий оказалось так трудно отказаться. Возможно, пришло время попробовать что-то новое.
Одним из предложений является «смешанное тело крыла». Эта совершенно новая форма самолета похожа на конструкцию «летающее крыло», используемую военными самолетами, такими как культовый бомбардировщик B-2, но смешанное крыло имеет больший объем в средней части. И Boeing, и Airbus обдумывают эту идею, как и третий игрок, калифорнийская компания JetZero, которая поставила перед собой амбициозную цель ввести в эксплуатацию самолет со смешанным крылом уже в 2030 году.
«Мы очень твердо настроены на путь к нулевому уровню выбросов в больших реактивных самолетах, а планер со смешанным крылом может обеспечить снижение расхода топлива и выбросов на 50%», — говорит Том О'Лири, соучредитель и генеральный директор JetZero. «Это ошеломляющий скачок вперед по сравнению с тем, к чему привыкла отрасль».
Визуализация смешанной конструкции крыла JetZero.
Под давлением
Концепция смешанного крыла далеко не нова, и самые ранние попытки создания самолетов с такой конструкцией относятся к концу 1920-х годов в Германии. Американский авиаконструктор и промышленник Джек Нортроп в 1947 году создал конструкцию летающего крыла с реактивным двигателем, которая вдохновила B-2 в 1990-х годах.
Как своего рода гибрид между летающим крылом и традиционным «трубой и крылом», смешанное крыло позволяет всему самолету создавать подъемную силу, сводя к минимуму сопротивление. НАСА заявляет, что эта форма «помогает увеличить экономию топлива и создает большую площадь полезной нагрузки (грузовой или пассажирской) в центральной части корпуса самолета». Агентство проверило его на одном из своих экспериментальных самолетов X-48.
В период с 2007 по 2012 год два беспилотных дистанционно управляемых самолета X-48 совершили около 120 испытательных полетов, продемонстрировав жизнеспособность этой концепции. «Самолет этого типа будет иметь размах крыльев немного больше, чем у Boeing 747, и сможет работать из существующих терминалов аэропорта», — говорится в сообщении агентства, добавляя, что самолет также «будет меньше весить, производить меньше шума и выбросов, а его эксплуатация будет стоить меньше». чем столь же совершенный обычный транспортный самолет».
Экспериментальный самолет NASA X-48.
В 2020 году Airbus построил небольшой демонстрационный образец со смешанным крылом длиной около шести футов, что свидетельствует о заинтересованности в создании полноразмерного самолета в будущем. Но если форма настолько эффективна, почему мы до сих пор не перешли к созданию самолетов на ее основе?
По словам О'Лири, есть одна главная техническая проблема, которая сдерживает производителей. «Это давление нецилиндрического фюзеляжа», — говорит он, указывая на тот факт, что самолет в форме трубы лучше справляется с постоянными циклами расширения и сжатия, которые сопровождают каждый полет.
«Если вы думаете о «трубе и крыле», это разделяет нагрузки — у вас есть нагрузка от давления на трубу и изгибающие нагрузки на крылья. Но смешанное крыло, по сути, смешивает их вместе. Только сейчас мы можем сделать это с помощью легких и прочных композитных материалов».
Такая радикально новая форма позволила бы интерьеру самолета выглядеть и ощущаться совершенно иначе, чем в современных широкофюзеляжных самолетах. «Это просто гораздо, гораздо более широкий фюзеляж», — говорит О'Лири. «В обычном узкофюзеляжном самолете три места на три, но это своего рода более короткая и широкая труба. Вы получаете такое же количество людей, но у вас может быть 15 или 20 рядов в салоне, в зависимости от того, как каждая конкретная авиакомпания настроит его.
«Это просто дает им совершенно новую палитру, с помощью которой можно ее выложить. Я думаю, будет удивительно увидеть, какой будет их интерпретация этого гораздо более широкого пространства».
JetZero надеется ввести свой самолет в эксплуатацию к 2030 году.
Революционный потенциал
О’Лири говорит, что ближайшим эквивалентом по размеру будет Boeing 767 — широкофюзеляжный двухмоторный самолет, представленный в 1980-х годах и обычно перевозящий около 210 пассажиров. Он по-прежнему производится как грузовой самолет, но его заменил Boeing 787 в качестве пассажирского самолета. У него также есть современный военный вариант KC-46, который ВВС США используют для дозаправки в воздухе.
Точно так же JetZero хочет одновременно разработать три варианта: пассажирский самолет, грузовой самолет и топливозаправщик. Смешанная форма крыла настолько хорошо подходит для последнего, что ВВС США только что выделили JetZero 235 миллионов долларов на разработку полномасштабного демонстратора и проверку характеристик концепции смешанного крыла. Первый полет ожидается к 2027 году, а это означает, что военная версия самолета должна стать лидером и, возможно, поддержать разработку коммерческих моделей.
Однако создание совершенно нового самолета с нуля — огромная задача, и цели JetZero звучат амбициозно, учитывая, что полный процесс сертификации даже варианта существующего самолета может занять годы. Одним из преимуществ JetZero в этой области является то, что самолет изначально будет заимствовать двигатели у современных узкофюзеляжных самолетов, таких как Boeing 737, хотя в конечном итоге планируется перейти на полностью безэмиссионную силовую установку, работающую на водороде, для чего потребуются новые двигатели. Т еще не разработан.
У JetZero пока нет заказов на свой самолет, но О'Лири говорит, что авиакомпании проявляют к нему интерес. «Мы уже ведем переговоры со всеми крупными авиакомпаниями по всему миру, потому что они рады услышать о повышении эффективности».
Еще неизвестно, возможно ли на самом деле сокращение потребления топлива на 50%. И NASA , и Airbus указали более скромные 20% для своих проектов, в то время как ВВС США заявляют, что самолет со смешанным крылом может «улучшить аэродинамическую эффективность как минимум на 30% по сравнению с существующими заправщиками и мобильными самолетами ВВС».
«Важно отметить, что, хотя смешанный корпус крыла может уменьшить лобовое сопротивление и повысить эффективность использования топлива, фактические преимущества зависят от конкретной конструкции, конфигурации и условий эксплуатации», — говорит Бейли Майлз, авиационный аналитик консалтинговой фирмы AviationValues.
«Обширные аэродинамические испытания и оптимизация необходимы для полной реализации потенциала снижения лобового сопротивления этой инновационной конструкции самолета. Было бы трудно определить конкретное процентное снижение расхода топлива без необходимых испытаний», — добавляет он.
По словам Майлза, конструкция смешанного крыла является «революционной» идеей, которая имеет потенциал, но она сопряжена с рядом препятствий, в частности, с повышенной аэродинамической сложностью, которая может усложнить проектирование и испытания, рядом проблем, связанных с регулированием и сертификацией, и форма, которая может не подходить для существующей инфраструктуры аэропорта.
«Самолет со смешанным крылом имеет огромные перспективы в качестве новатора в авиационной отрасли, предлагая потенциал для повышения эффективности использования топлива, увеличения грузоподъемности и инновационных систем управления. Однако решение аэродинамических сложностей, обеспечение структурной целостности, преодоление нормативных препятствий и адаптация инфраструктуры аэропортов — это огромные проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы это стало реальностью», — говорит он, добавляя, что эти проблемы, среди прочего, делают цель JetZero на 2030 год. для поступления на службу «невероятно».
По словам Ричарда Абулафии, авиационного аналитика консалтинговой фирмы Aerodynamic Advisory, хотя не все утверждения JetZero могут быть проверены, «идея смешанного крыла годами была весьма привлекательной, и похоже, что они сделали кое-что очень интересное». исследовать. Мы с коллегами считаем его весьма перспективным».
Он обеспокоен тем, что на данный момент фирма в основном представляет собой «дизайнерскую мастерскую», но считает, что проект может начать развиваться с помощью подрядчиков. «Конечно, найдется место для тех, кто действительно хочет внести свой вклад в эту отрасль, — говорит он.
Красиво!