Нефть Brent
$90.02
-0.09%
22
Какими перед нами предстанут авиалайнеры будущего? Переход от традиционных конструкций и углеродного топлива к новым аэродинамическим схемам и электрической энергии полностью изменит облик пассажирской авиации.
Гибридные и электромобили сейчас ни у кого не вызывают удивления – наоборот, с каждым годом становится все более очевидным коммерческий успех, которого они достигнут в будущем. Но ведь электричество может приводить в движение не только колеса автомобилей, но и перспективные двигательные системы самолетов. Следует ли из этого, что появление «электрических авиа-лайнеров» не за горами?
eConcept
Современные самолеты производят много шума и сравнительно неэффективны в энергетическом плане. Авиалайнеры будущего, вероятно, окажутся лишены этих недостатков – по крайней мере, если амбициозная концепция под названием eConcept станет новым двигателем прогресса в авиационной отрасли.
Платформа eConcept, в разработке которой участвует европейский авиа-гигант EADS (European Aeronautic Defence and Space Company), интернациональная корпорация, владеющая компанией Airbus, совместно с Rolls-Royce Group, третьим по величине производителем авиационных двигателей в мире, призвана продемонстрировать, как умелое сочетание передовых технологий и новых материалов способствует созданию более тихих и эффективных самолетов.
«Мы сначала представляем себе что-нибудь невероятное, и затем стараемся понять, насколько вероятным это все же может стать», - рассуждает профессор Рик Паркер (Ric Parker), главный технический специалист Rolls-Royce Group. «То, чем мы занимаемся, не просто научная фантастика. Технологии, над которыми мы работаем, бросают вызов нашим возможностям, но, тем не менее, они не нарушают законов физики. Этого принципа мы и придерживаемся».
Амбициозные цели требуют неординарных подходов к их достижению, и Rolls Royce предлагает нечто, совершенно отличное от традиционной конструкции: электромотора, вращающего пропеллер – на такой схеме основаны некоторые из проектируемых сейчас «электросамолетов». Свою, альтернативную систему E-Thrust представители Rolls Royce называют «распределенной энергетической системой». Вместо нескольких двигателей, размещенных под крыльями самолета, E-Thrust использует единственную турбину в задней части фюзеляжа. «Турбина соединена с генератором и не создает тяги непосредственно для движения самолета», - отмечает Жан Ботти (Dr Jean Botti), который также является главным техническим специалистом, но сей раз в корпорации EADS. «Турбина нужна лишь как источник питания для генератора».
Такое расположение турбины должно привести к снижению сопротивления воздуха, которое возникает во время полета. Турбина втягивает в себя воздушные потоки, формирующие так называемый приграничный слой – воздушную зону у поверхности самолета, то есть основную область сопротивления движению сквозь атмосферу. Чем меньше эффект, вызванный сопротивлением, тем выше эффективность летательного аппарата.
«Обычный самолет выглядит как труба, с двумя крыльями по бокам, несущими по двигателю – разные части этой схемы создаются людьми, которые никогда и не встречались друг с другом», - заявляет Паркер. E–thrust, напротив, представляет собой единый дизайн, где система, образующая тягу, встроена прямо в корпус самолета. «Такая схема делает его более эффективным, даже если не использовать дополнительные технологии электропитания».
Что же касается сгенерированного благодаря турбине электричества, оно подается на шесть «туннельных вентиляторов», расположенных по трое в левой и правой части самолета, которые и обеспечивают лайнер тягой, необходимой для полета. Вентиляторы обладают более компактными размерами в сравнении с обычными авиа-двигателями, и потому их можно легко интегрировать в корпус самолета над крыльями, что еще заметнее снизит воздушное сопротивление и уровень шума.
Ключевая технология
Чтобы взлететь – в прямом и переносном смысле этого слова – eConcept понадобятся технологии, которыми мы владеем еще не в полной мере. Наверняка многие слышали термин «сверхпроводимость». Сверхпроводящие материалы характеризуются сверхнизким электрическим сопротивлением – моторы и токопроводящие кабели, изготовленные из таких материалов, будут тоньше, компактнее, а следовательно и легче по сравнению с современными. Заметим, что снижение веса конструкции самолета – это также один из важнейших способов увеличения его эффективности.
Впрочем, сверхпроводники обнаруживают свои особые свойства только при очень низких температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Это значит, что на самолет потребуется установить криогенную систему охлаждения. Однако новейшие сверхпроводящие материалы не теряют своих свойств и при более высоких температурах. По словам Паркера, такие материалы существуют уже сегодня в лабораториях университетах – остается только научиться создавать на их основе конечные устройства.
Когда технологии наконец доведут до ума, авиа-лайнеры, основанные на платформе eConcept, смогут подняться в воздух. Эти самолеты будут концептуально схожи с популярными нынче гибридными автомобилями. Для накопления энергии предполагается использовать аккумуляторы, которые выступают как своеобразный энергетический буфер. При взлете, когда самолету необходимо максимальное количество энергии, генератор, получающий, как мы помним, электричество от турбины, а также аккумуляторы будут отдавать всю энергию двигателям. Затем, после того как лайнер достигнет крейсерской высоты (на ней проходит основная часть полета), часть энергии от турбины перейдет к аккумуляторам для их зарядки. Вентиляторы также смогут участвовать в процессе генерации энергии.
Все это выглядит настолько впечатляюще, что складывается представление, будто воплотить такие идеи в жизнь – дело отдаленного будущего. Между тем, компании, причастные к проекту, настаивают на том, что eConcept станет реальностью намного раньше, чем мы думаем. Паркер считает вероятным появление первых «гибридных самолетов» уже через 15-20 лет и надеется когда-нибудь подняться на борт лайнера будущего.
А пока EADS производит тестирование своих технологий в меньшем масштабе – на двуместном самолете E-Fan, на котором установлены два электрических двигателя. Размах крыльев E-Fan составляет 9 метров, а энергия поступает к двигателям от двух блоков, собранных из многоячеечных литий-ионных батарей. Как утверждают конструкторы E-Fan, этого запаса хватит примерно на час полета на скорости в 160 километров в час (100 mph).
Согласно планам EADS, E-Fan может осуществить свой первый полет уже до конца текущего года. Вслед за ним настанет и очередь пассажирских лайнеров, оснащенных системой E-Thrust.
VoltAir
Ну а если вы готовы подождать чуть дольше, у EADS найдется, чем вас удивить и к середине столетия. Это футуристичный концепт VoltAir – всецело электрический авиалайнер, внешне схожий с подводными скоростными аппаратами. Две литий-ионные батареи следующего поколения будут снабжать энергией два высокоэффективных сверхпроводящих электрических мотора, которые в свою очередь приводят в движение расположенные в задней части фюзеляжа два соосных спаренных пропеллера, вращающихся в противоположных относительно друг друга направлениях.
Аккумуляторы разместят в нижней части носового отсека самолета, из которого их можно будет без труда доставать и загружать обратно – как обычный багаж, прямо в аэропорту. Заряжать батареи предлагается сразу после извлечения из лайнера: таким образом, после приземления технические службы аэропорта снимают с самолета разрядившиеся в полете аккумуляторы и устанавливают на их место другие, полностью заряженные. Времени на эту процедуру потребуется не больше, чем на обычную заправку современного самолета топливом.
Как и в случае с eConcept, для создания способного на реальный полет лайнера VoltAir придется решить проблему производительности электрических моторов. Для повышения их мощности нужно справиться с потерями электроэнергии, к которым приводит сравнительно высокое электрическое сопротивление традиционных материалов (вроде меди), применяющихся для изготовления проводки и других компонентов электромотора. Выход из ситуации представляется – опять же – в использовании сверхпроводников, охлаждаемых жидким азотом.
Для снижения веса самолета специалисты EADS намерены использовать легкие материалы, вроде композита на основе карбона (углеволокна). Фюзеляж проектируется с соблюдением оптимального соотношения толщины самолета к его длине: больше внутреннего пространства для пассажиров при высокой обтекаемости конструкции. Пропеллеры, помещенные в хвосте лайнера, также улучшат его летные качества, поглощая «набегающие» воздушные потоки. Малый вес в сочетании с аэродинамическим дизайном позволят VoltAir развивать высокую скорость полета, производя минимум шума и не оставляя выбросов, за исключением безвредного азота.
SUGAR
Исследования «гибридных» технологий для авиации проводятся и по ту сторону Атлантики. Компания Boeing при поддержке американского аэрокосмического агентства NASA работает над проектом SUGAR (Subsonic Ultra Green Aircraft Research, проект дозвукового «ультра-зеленого» самолета). Аккумуляторы Sugar Volt, размещенные в центральной части самолета, будут заряжаться от электрической сети аэропорта, пока лайнер находится на земле.
Взлет должен осуществляться при помощи обычных двигателей, потребляющих авиационный керосин, однако, как только лайнер окажется на нужной высоте, он переключится на питание от аккумуляторов. Такая энергетическая схема потребует всего лишь около 30% топлива от количества, необходимого современным самолетам. Несмотря на то, что концепция SUGAR технологически более проста в сравнении проектами eConcept и VoltAir, для ее реализации инженеры Boeing должны создать производительные аккумуляторы очень высокой емкости. В этом случае мы станем свидетелями нового витка конкурентной борьбы между теперь уже гибридными лайнерами от Airbus и Boeng.
MIT D8 "DOUBLE-BUBBLE"
Над созданием дизайна перспективных авиалайнеров работают не только «мейджеры» авиационной отрасли, но и группы исследователей в технических институтах. Концепт D8 с Pi-образным хвостовым оперением, под которым «спрятаны» два двигателя, был предложен Массачусетским технологическим институтом (MIT). Этот широкофюзеляжный самолет, вмещающий в два раза больше рядов кресел, а значит и пассажиров на единицу длины (эту особенность в MIT обозначили эпитетом «double-bubble»), может прийти на смену популярным сейчас лайнерам Airbus A320 и Boeing 737.
Несмотря на то, что широкий фюзеляж будет встречать большее сопротивление воздуха по сравнению с более стройными A320 и 737, конструкция D8 в целом позволяет установить более легкие крылья и компактный хвост. Согласно расчетам инженеров из MIT, самолет должен стать весьма экономичным: ему потребуется на 70% меньше топлива, чем Boeing 737-800.
Авторы проекта, тестировавшие модель В8 в масштабе 1:11 в аэродинамической трубе при Исследовательском центре «Лэнгли» (NASA Langley Research Center), отмечают, что высокая эффективность достигается благодаря не типичному для современных пассажирских самолетов расположению и габаритам двигателей. Два небольших турбовентилятора, установленные в хвостовой части конструкции над фюзеляжем, втягивают обтекающие его поверхность потоки воздуха из пограничного слоя. Чтобы поддерживать такой же уровень тяги, как и в традиционных конструкциях, D8 требует меньше энергии.
Cal-Poly AMELIA
Еще одну эффективную конструкцию пассажирского самолета спроектировала группа студентов и выпускников из Калифорнийского политехнического университета (California Polytechnic State University, Cal-Poly). Они дали своему проекту имя AMELIA - Advanced Model for Extreme Lift and Improved Aeroacoustics, то есть «Продвинутая модель с высокой подъемной силой и улучшенной аэроакустикой». Экспериментальная модель весом более тонны, испытания которой провели в аэродинамической трубе в Калифорнии, сочетает в себе три главных летных качества, несовместимые друг с другом в традиционных конструкциях.
По словам лидера Проекта в области эффективной аэродинамики при NASA Майкла Роджерса, сейчас авиационные специалисты знают, «как сократить дистанцию, необходимую для взлета и посадки, с помощью каких способов можно снизить уровень шума, как создать более экономичный самолет», но задача AMELIA состояла в том, чтобы узнать, «получится ли объединить все три требования в одной машине».
Как правило, самолеты, предназначенные для взлета и посадки на более коротких авиа-полосах, имеют очень мощные и потому шумные двигатели, либо форма их крыльев создает отличную подъемную силу, но в полете на больших высотах заметно падает скорость движения воздушного судна или возрастает потребление топлива. Другими словами, крылья, позволяющие самолету эффективнее лететь «сквозь воздушное пространство» - на высокой скорости при меньшем сопротивлении воздуха – требуют более долгого разбега или торможения на земле.
Конфигурация крыльев и двигателей AMELIA, полномасштабный вариант которой сможет брать на борт до сотни пассажиров, помогут в 2025 году создать на ее основе эффективный и малошумный региональный лайнер, способный садиться и взлетать в небольших аэропортах вдали от мегаполисов.
Отметим уникальную черту AMELIA – систему «контроля циркуляции воздуха». Воздух под высоким давлением, полученный на выходе от реактивных двигателей «перенаправляется» в крылья, где выводится наружу через мелкие отверстия, расположенные вдоль переднего и заднего краев крыльев. Проходя над их поверхностью, выпущенный воздух взаимодействует с набегающим на крылья воздухом из внешней среды, увеличивая тем самым подъемную силу.
Boeing Icon II
Десятилетие назад, когда «Concorde» совершил свой последний полет, вместе с ним закончилась «золотая эра» сверхзвуковых пассажирских авиапутешествий. Основными причинами оказались выявленные к тому времени недостатки его конструкции, которые ставили под угрозу безопасность людей, а также невероятно высокий уровень шума, ограничивавший возможности использования «Concorde» всего лишь до малого числа маршрутов.
Boeing не прочь открыть заново эпоху трансконтинентальных сверхзвуковых полетов, представляя собственные концепции реактивных пассажирских лайнеров. В частности, компания совместно с инженерами из NASA разработала перспективную модель Icon II.
Все ключевые элементы дизайна «иконы будущего авиастроения» призваны свести уровень шума к минимуму. Реактивные двигатели – в отличие от того же Concorde или советских Ту – располагаются над крыльями, что в какой-то мере «изолирует» производимый ими шум, а реактивные струи направлены не к земле, а от нее. V-образный «хвост» должен отводить звуковые удары, возникающие, как известно, в момент преодоления звукового барьера, назад. В этом случае звуковое возмущение дольше пробудет в районе (на высоте) полета лайнера, а значит, ударная волна заметно ослабнет, прежде чем достигнет земли – и наших ушей.
Результаты испытания тестовой модели в Исследовательском центре Джона Гленна при NASA позволяют надеяться, что «тихие» полеты на сверхзвуковой скорости не только над океанами, но и над заселенными территориями начнутся уже через 15-20 лет.
NASA "Hybrid Wing-Body" N3-X
Из множества альтернативных вариантов конструкций для авиалайнеров в NASA с особым интересом изучают схему «летающее крыло» - гибридную конструкцию, в которой крылья и «тело» самолета представляют собой единое целое (hybrid wing-body airframe, HWB).
Новейшая реализация этой схемы за авторством NASA представлена в футуристическом летательном аппарате N3-X. Что отличает его от похожих внешне самолетов? Прежде всего, это «распределенная» технология TeDP (turboelectric distributed propulsion) – «турбоэлектрическая распределенная тяга». Базовый принцип TeDP состоит в отделении компонентов, производящих тягу – то есть двигающих самолет вперед, от устройств, генерирующих энергию для двигателей.
Сложная на первый взгляд система на деле оказывается весьма простой: потоки воздуха вращают турбовентиляторы, энергия их вращения преобразуется в электрическую, которая затем питает пропеллеры двигателей. В N3-X на концах обеих крыльев расположено по одной турбине, которые производят энергию для 15 сверхпроводящих электромоторов, приводящих в движение «пропеллеры», создающие тягу. Кстати, подобная система используется в европейском проекте eConcept – о нем подробно рассказывается в первой части.
Ключевое слово здесь – «сверхпроводимость», для которой требуется «сверхохлаждение» генераторов, проводов и моторов. Для экстремального охлаждения можно использовать крио-установки, работающие на топливе, либо жидкий водород (LH2), для перевозки которого понадобятся отдельные контейнеры. Почему в случае с «электрическим» самолетом речь заходит о топливе? Оно необходимо для получения энергии на этапе взлета и посадки. Впрочем, топливо можно заменить и аккумуляторами: свободного пространства в корпусе N3-X хватит и для батарей, и для жидкого водорода.
В плане эксплуатации, N3-X - это крупный авиалайнер с размахом крыльев более 40 метров, вмещающий, по меньшей мере, 300 пассажиров. NASA относит свой проект к поколению N+3, то есть к самолетам, которые появятся через три поколения – после 2035 года.
Boeing "Blended Wing-Body" X48-C
А что готовят авиапроизводители для ближайших поколений гражданской авиации? Уже в следующем десятилетии в небо может подняться лайнер, созданный по схеме «Blended Wing-Body», схожей с гибридным летающим крылом N2/N3-X.
Но на этот раз за дело взялись специалисты из Boeing. Их первоначально военный проект X-48, созданный для демонстрации технологии BWB, прошел уже три стадии развития, за время которых X-48 совершил более 120 тестовых полетов. 30 из них приходится на последнюю модель Boeing – X48-C. Чтобы снизить уровень шума, в конструкцию внесли изменения, «отделив» винглеты (вертикальные части крыльев) от крыльев и разместив их ближе к двигателям в качестве независимого «хвоста».
По мнению одного из главных технических специалистов Boeing Роберта Либека, в ходе испытаний X-48C разработчикам проекта удалось показать, что самолет, основанный на схеме «смешенного крыла», так же легко поддается управлению на всех важных этапах полета, включая взлет и посадку, как и самолеты традиционной конструкции – при этом обещая гораздо более низкий расход топлива и малый уровень шума.
Lockheed Martin "Box WIng Jet"
Lockheed Martin, известная своими военными проектами, участвует в поиске эффективных аэродинамических схем наравне с Boeing и NASA, при этом в гражданских самолетах специалисты компании собираются применять технологии из области военной авиации. Lockheed Martin является создателем знаменитых F-22 и F-35, и в своем новом проекте «Box Wing Jet» с замкнутой конструкцией крыла компания собирается использовать легкие материалы, разработанные ранее специально для истребителей.
Новый тип крыла должен заметно увеличить важнейший параметр практически для всех летающих машин: соотношение подъемной силы к силе сопротивления среды. Помимо изменения конструкции крыльев, инженеры Lockheed Martin предлагают установить более эффективные двухконтурные турбореактивные двигатели. Такие двигатели производят тягу не только при сжигании воздушно-топливной смеси в камере сгорания (как в обычных ТРД), но и за счет расположенных в передней части вентиляторов, прокачивающих воздух. Увеличив диаметр вентиляторов на половину, можно в несколько раз повысить долю тяги, создаваемой вентиляторами без сжигания топлива.
Благодаря всем своим нововведениям «Box Wing Jet» будет потреблять в два раза меньше топлива по сравнению с современными авиалайнерами, а замкнутое крыло с повышенной подъемной силой позволит самолету садиться, снизив до минимума мощность двигателей, что, по расчетам авторов проекта, сократит и уровень шума на 35 децибел. «Box Wing Jet» может подняться в воздух до 2025 года.
Lockheed Martin Supersonic Green Machine
Но если «Box Wing Jet» представляет собой дозвуковой авиалайнер, то целью другого проекта от Lockheed Martin стало преодоление скорости звука. Не исключено, что через два-три десятилетия конкуренцию сверхзвуковому пассажирскому лайнеру Boeing составит Supersonic Green Machine («сверхзвуковая зеленая машина») – «экологичный» самолет, развивающий скорость в 1.6 Mach.
Главным преимуществом SGM стоит признать его двигатели, способные менять режим своей работы. Во время взлета или посадки они будут переключаться в режим «стандартных» турбореактивных двигателей для экономии топлива и, очевидно, снижения уровня шума. Кроме того, выбросы оксида азота из новых двигателей сократятся на три четверти.
Но основным «врагом» сверхзвуковых самолетов, ограничивший в свое время полеты Concorde над континентальной частью Европы и Америки, как мы помним, является эффект прохождения звукового барьера. «Звуковой удар» наносят ударные волны, складывающиеся из волн сжатия, которые оставляет за собой самолет, двигающийся быстрее скорости звука.
По словам Питера Коэна, главного инспектора сверхзвуковых проектов, избавиться от чудовищного эффекта звуковых ударов можно, лишь меняя силу, позицию и характер взаимодействия ударных волн. С этой задачей должен справиться инвертированный (то есть перевернутый) V-образный хвост SGM: вместо продолжительной серии громких звуковых ударов от самолета будет исходить «глухой» гул, который наблюдателю на земле покажется не громче, чем шум от пылесоса.
Airbus/EADS Concept Plane
Заслуживает нашего внимания и концепция «бионического» авиалайнера от EADS company, владеющей Airbus. Внутренняя структура самолета, на создание которого потребуется не одно десятилетие, основана на свойствах «птичьих скелетов», обеспечивающих как необходимую в полете жесткость и прочность конструкции, так и ее минимальный вес.
Салон самолета предлагают облачить в интеллектуальную мембрану, способную становиться прозрачной, чтобы открыть пассажирам потрясающие панорамные виды. Однако и сам салон является интеллектуальной системой: его интегрированная компьютерная сеть предоставит интерфейс для взаимодействия пассажира и самолета. Авиалайнер будет определять потребности людей на его борту и автоматически реагировать на них, активируя различные функции и устройства, к примеру, адаптируя форму кресел под особенности и положение тела пассажира.
Традиционное разделение самолета на бизнес- и эконом-секторы уйдет в прошлое. В Airbus намерены заменить их «персонализированными зонами». «Vitalising zone» («Оживляющая зона») предназначена для релаксации, которой будет способствовать воздух, наполненный витаминами и антиоксидантами, ароматерапия, лунный свет и даже акупунктура.
«Interactive zone», расположенная в центре салона, служит для развлечений и общения. В ней при помощи виртуальных проекций можно создавать искусственное окружение для разных сценариев: от голографических игр до виртуальных примерочных. Для тех же, кто привык работать в полете, отведена «Smart tech zone».
Поднявшись в воздух, самолет сможет менять конфигурацию крыльев, делая их длиннее и тоньше. Так достигается снижение сопротивления среды, а это хороший способ экономить топливо. U-образный хвост будет действовать как «щит», рассеивающий шум от двигателей. Кстати, сами двигатели совместят с корпусом самолета, чтобы еще заметнее снизить потребление топлива и шум, передающийся в салон. По мнению экспертов из Airbus, в будущем технологии, применяющиеся в авиационных двигателях, выйдут на столь высокий уровень, что двигатели уже больше не будут нуждаться в регулярном обслуживании, а значит, их можно интегрировать в «тело» самолета.
В Airbus также уверены, что высоко-интеллектуальная авиация будет уметь «само-организовываться» и выбирать наиболее эффективные и безопасные для окружающей среды маршруты. На пользующихся особой популярностью направлениях самолеты станут летать не поодиночке – как это происходит сейчас, а группами.
V-формация из 25 лайнеров подобно стае птиц создаст более комфортные условия для большей части самолетов, включенных в «стаю». Сопротивление воздуха внутри такой формации окажется на десятки процентов ниже, чем за ее пределами.
