Вместо нынешних шумных закрылков самолеты следующего поколения, возможно, будут снабжены крыльями с тихими адаптивными подвижными элементами, выяснил обозреватель BBC Future.
Сто с лишним лет назад братья Уилбур и Орвилл Райт подняли в небо конструкцию, ставшую не просто первым управляемым летательным аппаратом тяжелее воздуха, но и первым самолетом, в котором была реализована концепция перекашивания крыла.
Летчик в полете при помощи проволочных тросов изменял форму деревянной конструкции крыла, обтянутой материей, за счет чего обеспечивалась управляемость самолетом.
Но вскоре после этого другие пионеры авиации, в том числе известный американский авиаконструктор Гленн Кертис, предпочли другой путь.
Они стали использовать отклоняющиеся панели крыла в качестве элеронов (подвижных плоскостей на задней кромке крыла, помогающих самолету разворачиваться) – отчасти в попытке избежать проблем с братьями Райт, к тому времени запатентовавшими свое решение. Но также и потому, что постоянное отклонение деревянной рамы крыла в конечном счете могло привести к ее поломке.
С тех пор отклоняемые поверхности крыла используются по всему миру – этот принцип реализован в конструкции рулей направления и высоты, закрылков, элеронов и интерцепторов.
Отклоняемые поверхности изменяют профиль крыла или хвостового оперения, заставляя самолет двигаться в заданном пилотом направлении.
Но вскоре на смену многолетней конструкторской традиции может прийти новая концепция – специалисты в Европе и США исследуют возможность применения современных прочных, эластичных материалов и сервомоторов для создания меняющего профиль крыла по мотивам идеи Уилбура и Орвилла.
Актуальность исследований вызвана ужесточением требований к топливной эффективности самолетов перед лицом глобального потепления.
Авиастроители изыскивают возможности создания более экологически чистых летательных аппаратов с целью сократить объемы выбрасываемых в атмосферу парниковых газов.
Ожидается, что за счет применения крыльев изменяемого в полете профиля самолеты будут потреблять меньше горючего, говорит Пит-Кристоф Велкен, инженер-прочнист, работающий в бременском подразделении авиастроительной корпорации Airbus.
Кроме того, отмечает он, если удастся реализовать сопряжение нескольких органов управления разных типов – например, закрылков и элеронов – в единую конструкцию, уменьшится и вес самих самолетов.
Однако прежде чем крыло изменяемого профиля начнут применять на топливоэффективных самолетах будущего, регулярным гостем аэропортов по всему миру станет Boeing 777X.
У этого авиалайнера, который должен поступить в эксплуатацию в 2020 г., крыло будет изменять форму не в полете, а на земле.
Boeing 777X планируют оснастить крылом со складными внешними секциями, каждая длиной 3,5 м, поднимающимися вертикально для парковки и во время руления и раскладывающимися горизонтально непосредственно перед взлетом.
Boeing 777X будет напоминать палубные истребители, крыло которых складывается после посадки, чтобы разместить как можно больше самолетов в подпалубных ангарах авианосца. Однако данная технология ранее не применялась в гражданской авиации.
Идея Boeing заключается в том, чтобы оснастить двухдвигательный авиалайнер крылом сверхбольшого размаха (71,8 м).
Компьютерные симуляции показывают, что такое крыло обеспечит воздушному судну очень низкий расход топлива в крейсерском режиме полета.
А при складывании внешних секций крыла на земле его размах будет составлять всего 64,8 м, то есть будет равным размаху крыла нынешней версии Boeing 777.
Так что новый самолет безо всяких проблем впишется в нынешнюю ширину аэропортовых взлетных полос и рулежных дорожек.
Впрочем, оснащение крыла складными секциями представляет определенные технические трудности – необходимо обеспечить их надежную фиксацию в раскрытом положении в течение всего полета. Ведь если одна из двух секций не встала на замки, или ее заело в сложенном состоянии, это приведет к опасной потере аэродинамической устойчивости самолета.
До начала эксплуатации 777X остается четыре года, и на текущем этапе Boeing не слишком словоохотлив относительно того, каким образом его конструкторы собираются добиться надежности работы крыла.
Однако представители компании рассказали известному американскому авиационному изданию Aviation Week о том, что соответствующие испытания уже проводятся – включая ресурсные испытания, призванные показать, насколько эффективно система фиксации замыкания складных секций будет функционировать в условиях ожидаемого износа, вызванного эксплуатационными нагрузками.
Кроме того, композитное крыло со складными секциями должно будет выдерживать такие же предельные нагрузки, как и крылья гражданских самолетов традиционной конструкции.
Впрочем, после того как прочностные испытания другой модели производителя, Boeing 787, продемонстрировали способность его композитного крыла в течение 20 секунд, не ломаясь, находиться в таком изогнутом положении, что его оконцовка поднимается выше верхушки вертикального стабилизатора, компания уверена в том, что сможет обеспечить необходимую прочность конструкции крыла 777X.
Адаптивный профиль
А в 2025-2030 гг. авиаконструкторы, возможно, внедрят и более масштабный принцип изменения профиля крыла.
Как гласит история, Уилбур Райт как-то вертел в руках картонную коробку из-под велосипедных камер в магазинчике, которым заправлял вместе с братом, и обратил внимание на то, что сгибание стенок коробки приводит к изменению их поверхности подобно изменению профиля голубиного крыла в полете.
Братья Райт реализовали этот принцип сначала в планере, собранном ими в 1902 г., а затем, годом позже, и в конструкции знаменитого моторного Flyer.
При помощи проволок-тросов они изменяли форму “коробки” крыла биплана, управляя его полетом в трех измерениях.
В наши же дни подобный принцип изменения профиля крыла исследуется в рамках двух проектов.
В ЕС недавно завершилась 4-летняя программа Smart Intelligent Aircraft Structures (Saristu), работы по которой возглавляла штаб-квартира Airbus во французской Тулузе.
Авиастроительные компании отходят от традиционного представления о внешнем виде самолетов; на рисунке – концепция летательного аппарата схемы “смешанное крыло”, разрабатывавшейся корпорацией BoeingА в США авиастроительная компания Flexsys, расположенная в г. Энн-Арбор, штат Мичиган, участвует в более масштабном проекте совместно с НАСА и Исследовательской лабораторией ВВС США.
В программе Saristu стоимостью 51 млн евро, работу по которой координировал Велкен, был задействован ряд авиакосмических предприятий по всей Европе. В августе 2015 г. завершился первый этап продувок модели в аэродинамической трубе.
По словам Велкена, одна из основных задач программы – попытаться найти решение насущной проблемы авиастроения.
Сейчас самолеты конструируются таким образом, что их наибольшая топливная эффективность достигается при полете на больших высотах. Но с ростом интенсивности воздушного движения диспетчерам зачастую приходится отказывать экипажам в занятии наиболее удобных эшелонов.
Если инженерам удастся разработать управляющие поверхности, изменяющие кривизну профиля крыла в зависимости от режима полета, аэродинамика самолета изменится, что увеличит его топливную эффективность практически во всем диапазоне высот.
“Это заветная мечта авиаконструкторов”, – говорит Велкен.
Чтобы добиться необходимого эффекта, потребуется создать целый набор адаптивных элементов механизации крыла, включая переднюю и заднюю кромки, а также, возможно, внешние секции изменяемого профиля.
В рамках программы Saristu инженеры рассмотрели все эти варианты, а также проработали возможные методы обеспечения устойчивости конструкции крыла к попаданиям молний и защиты его от обледенения.
Однако главным объектом европейского и американского исследований были закрылки – удлиненные панели на задней кромке крыла, отклоняющиеся вниз для увеличения подъемной силы на низких скоростях при взлете и посадке.
“Закрылки традиционной формы громоздки, шумны и неспособны адаптироваться к постоянным незначительным изменениям в атмосферных и высотных условиях при перелетах на большую дальность”, – отмечает Род Хилл, один из директоров проекта Flexsys.
“В результате увеличивается лобовое сопротивление, возрастает расход топлива, и самолет менее эффективно выдерживает оптимальный режим при изменении профиля полета”.
Крыло изменяемой формы
По словам Велкена, чрезвычайно важно, чтобы испытания крыла изменяемой формы проводились на полномасштабных моделях.
Аэродинамические характеристики подобной конструкции, а также воздействующие на нее силы трения настолько сильно меняются при масштабировании, что тесты на уменьшенной модели не дадут те же результаты, что продувки макета в натуральную величину.
Именно поэтому команда Saristu разработала закрылок изменяемого профиля для гипотетического авиалайнера вместимостью 90 пассажиров – причем адаптивной у него является лишь задняя кромка шириной в 50 см.
Секцию закрылка длиной 4,9 м подвергли серии продувок в аэродинамической трубе московского Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ).
Профиль адаптивной задней кромки изменялся в зависимости от условий “полета” благодаря десяти электрическим приводам.
Результаты продувок оказались на удивление обнадеживающими: по словам Велкена, самолет, снабженный подобными закрылками, будет расходовать на 6,5% меньше топлива на рейсах стандартной протяженности по сравнению с современными воздушными судами.
А использование передних кромок и оконцовок крыла, изменяющих профиль в полете, сулит еще большую топливную эффективность.
Конструкторский гений братьев Райт снова востребованУ новой технологии имеются и другие потенциальные преимущества. Если вам когда-либо доводилось слышать заходящий на посадку самолет, завывающий подобно расстроенному музыкальному инструменту, знайте: этот звук издают вибрирующие выпущенные закрылки.
Основной плюс комбинированных адаптивных элементов механизации заключается в том, что покрывающий их прочный, эластичный полимер будет закрывать и щели между отклоняемыми поверхностями и основной конструкцией крыла.
Но найти материал для обшивки крыла, способной сохранять эластичность во всем диапазоне эксплуатационных температур – непростая задача.
“На крейсерском участке полета температура за бортом составляет -55°C, но на перроне, скажем, в аэропорту Абу-Даби она может достигать +80°C”, – говорит Велкен.
“Поэтому нам было очень важно подобрать правильный материал. Мы остановились на модифицированном варианте силиконового эластомера, изначально разработанного для космической отрасли”.
Участники американского проекта Flexsys также признают особую важность правильного выбора материала для внешнего покрытия крыла изменяемого профиля.
“Наш материал, отвечающий требованиям авиакосмических стандартов, может создавать свыше 4,9 метрической тонны подъемной силы и при этом сохранять гибкость”, – говорит Хилл.
“Он способен выдерживать диапазон температур от -54°C до +82°C, а также воздействие агрессивных химических сред; испытания подтвердили, что срок его службы в пять раз дольше, чем у материалов, используемых в конструкции нынешних коммерческих самолетов”.
Автоматизация управления механизацией крыла изменяемого профиля не должна представлять большой проблемы.
Самолеты Boeing 787 и Airbus A350, снабженные электронно-дистанционными системами управления, уже сейчас автоматически изменяют аэродинамический профиль крыла за счет постоянных коррекций изменений органов управления в ходе полета.
“Закрылки и интерцепторы движутся без вмешательства экипажа, автоматически оптимизируя расход топлива”, – говорит пилот Ричард де Креспни (написавший книгу “Рейс QF32” о том, как экипаж, возглавляемый им, успешно посадил лайнер Airbus A380 австралийской авиакомпании Qantas после того, как в результате взрыва одного из двигателей оказались перебиты 600 проводов дистанционного управления).
“Я вижу огромный потенциал в использовании крыльев изменяемой формы, – говорит Де Креспни. – Широкофюзеляжные авиалайнеры следующего поколения, которые поступят в эксплуатацию к 2050 г., должны быть примерно на 12,5% более топливоэффективными, чем самые экономичные самолеты сегодняшнего дня”.
Европейское агентство воздушного транспорта EASA уже запросило у Велкена и его коллег детальный анализ возможных отказов разрабатываемых ими элементов крыла изменяемой формы и связанных с этим опасностей.
Если управление адаптивными элементами будет утрачено на одном полукрыле, изменение профиля другого полукрыла приведет к асимметричной подъемной тяге.
“Это может привести к особенно серьезным проблемам в случае отказа одного из двигателей. Мы должны добиться того, чтобы оба полукрыла работали синхронно”, – говорит Велкен.
Хилл видит символизм в том, что идеи братьев Райт спустя столько лет снова становятся популярными.
“Открытие ими принципа изменения поверхности крыла опередило свое время. Их работа по изучению свойств конструкций из дерева и ткани помогло нам в развитии методов эффективного использования естественной гибкости современных материалов”.
То, что изобретения двух велосипедных механиков из Дейтона, штат Огайо, по-прежнему вдохновляют авиаконструкторов 100 с лишним лет спустя после первого полета, является свидетельством их гения.
И если самолетам с крыльями изменяемого профиля действительно суждено увидеть небо, это станет еще одним вкладом братьев Райт в развитие авиации.
