Авіація та глобальна атмосфера

Малюнок 7-4: Подальше потенційне зменшення опору літака.

Покращення авіаційної техніки покращило точність навігації та зробило більш ефективними шляхи польоту. Розділ 10 дещо детально розглядає цю тему.

Нормативні зміни, такі як додавання правил розширених здвоєних операцій (ETOPS), дозволили сьогодні високоефективним і надійним двомоторним літакам користуватися на маршрутах, які раніше їм заборонялися. Ці маршрути мають більші відстані поділу аеродрому; отже, можна досягти меншої дистанції польоту, що зменшує споживання палива.

7.3.7. Передові технології майбутнього

Цей підрозділ розглядає деякі досягнення в галузі аеродинамічних досліджень. Досягнення в цих сферах стають кандидатами на поступове впровадження у похідні існуючих виробничих літаків та літаків наступного покоління, як показано на малюнку 7-4. Деякі поняття, такі як вдосконалені пристрої наконечників крил та більш гладенькі площі поверхні, можна розглянути для похідних існуючих конструкцій. Також обговорюються передові технології зниження ваги, системи управління літаками та концепції літаків.

7.3.7.1. Концепції ламінарного потоку

Плавний ламінарний потік по тілу створює менше опору, ніж турбулентний потік. Однак цього важко досягти і це залежить від ряду факторів, зокрема форми та поверхні тіла. Сучасні конструкції літальних апаратів створюють різний ступінь турбулентного потоку. Досліджуються концепції пасивного управління, що стимулюють ламінарний потік. Ці поняття включають щілинні профілі або активно нагріваються/охолоджувані поверхні, але переваги все-таки потрібно довести. Якщо в майбутньому буде застосовано рушійну технологію, встановлену на крилах, опорний вентилятор (непровідні силові установки - див. Розділ 7.4.3.), Необхідно розробити ламінарні потокові аеродинамічні профілі, які могли б терпіти вплив витоку гвинта над поверхнею крила . Також можуть бути розглянуті альтернативні способи встановлення, такі як кормові вентиляторні установки, встановлені на фюзеляжі.

Системи ламінарного потоку всмоктування для крила, фюзеляжу, стабілізаторів та гондольних місць були переглянуті та оцінені. Розробка цих систем, спрямованих на утримання потоку (ламінарного) на аеродинамічних поверхнях шляхом всмоктування навколишнього повітря через

пориста шкіра - це технічний виклик високого ризику, який, ймовірно, вимагатиме більш тривалих часових рамок для повного розвитку та впровадження авіакомпанії (після 2015 року). Ключовим фактором є вага систем ламінарного потоку (та їх вимоги до потужності) у порівнянні із економією від зменшення опору за повну місію. Забруднення пористої поверхні шкіри комахами/сміттям може суттєво знизити продуктивність систем ламінарного потоку та збільшити вартість обслуговування. Робота в цій галузі на сьогоднішній день не досягла тієї межі, коли ці штрафи, разом із наслідками поломки системи або іншими ризиками, були повністю оцінені та збалансовані проти економії палива.

Малюнок 7-5: 2016 дозвуковий літак.

7.3.7.2. Інші аеродинамічні вдосконалення

Інші потенційні аеродинамічні вдосконалення, що вимагають подальшого розвитку та дослідження, включають кріплення риблет (крихітних гаїв у напрямку потоку повітря) до фюзеляжу, крила та горизонтального хвоста для зменшення ділянок турбулентного потоку; вдосконалені пасивні пристрої управління потоком (наприклад, вихрові генератори) для посилення підйому; вдосконалені крила на підвісних крилах; надкритична технологія крила для підвищення та оптимізації круїзного підйому/опору; передові методології проектування CFD; та вдосконалені методи виготовлення для поліпшення гладкості фюзеляжу та поверхні крила для зменшення опору.

7.3.7.3. Зниження ваги

Очікується, що вага конструкції планера буде продовжувати зменшуватися шляхом поступового включення вдосконалених алюмінієвих сплавів та алюмінієво-літієвих композитів для секцій первинних конструкцій (тобто фюзеляжу, крила та огородження) та композитів для вторинних конструкцій. Для первинних конструкцій процес впровадження є повільним через процес сертифікації конструкції конструкції, характеристику властивостей матеріалів та проблеми безпеки, які передбачають тривалі та дорогі програми випробувань на міцність та міцність.

Оцінки зменшення ваги, що виникли внаслідок успішної реалізації цих стратегій, застосованих до літаків із широким кузовом середнього радіусу дії, свідчать про те, що можна заощадити 2000 кг OEW. Це зниження ваги означає приблизно на 1% покращення паливної ефективності.

7.3.7.4. Авіаційні системи

"Авіаційні системи" - загальний термін, що застосовується до великої кількості підсистем, що використовуються в сучасному літальному апараті для управління повітряним судном у польоті. Усі ці системи пропонують можливості для вдосконалення, які можуть зменшити спалення палива. Підраховано, наприклад, що розширення можливостей систем керування наскрізною дротом включати активне збільшення стійкості кроку та зменшення навантаження крила пропонує потенціал для покращення загальної економічності палива на 1-3%. Розробка "повністю електричного" літака, який також усуває поточне використання повітряних кровотеч із двигунів для пневматичної та протиожеледної вторинної енергії, може заощадити паливо під час круїзу. Використання паливних елементів передової технології для заміни допоміжного енергоблоку (APU) може забезпечити економію загального місцевого/наземного спалення палива та викидів, з додатковою перевагою зменшення шуму біля терміналів. Однак у деяких випадках вартість і складність, необхідні для подолання режимів відмов цих систем, є високими, що може перешкоджати або затримувати їх використання в комерційних послугах. Застосування активного управління центром ваги - ще один потенційний засіб для підвищення ефективності використання палива в круїзних умовах. Покращення безпеки польотів може збільшити OEW.

Малюнок 7-6: MD-11, корпус із змішаним крилом та звичайне порівняння розмірів у плані.

7.3.7.5. Розширені концепції планера

Покращення аеродинамічної ефективності, таке як вищий коефіцієнт підйому/опору (наприклад, щілинне крилате крило та природний ламінарний потік), нові конструкційні матеріали та досягнення системи управління (наприклад, fly-by-wire) можуть спільно підвищити ефективність використання палива приблизно на 10%, порівняно до сучасних виробничих літаків. Літак, що представляє деякі з цих найближчих термінів (2016) передових планерних технологій, показаний на малюнку 7-5 на попередній сторінці (Condit, 1996).

У верхньому кінці шкали розмірів літака (> 600 пасажирів) можна розробити більш футуристичний концептуальний підхід, такий як змішане крило (BWB). Порівняння розміру вигляду плану між MD-11, BWB та звичайним літаком на 800 пасажирів показано на малюнку 7-6 (Liebeck та ін., 1998). Дослідження оцінювали потенціал проектування BWB. Перевага BWB перед звичайними або еволюційними конструкціями полягає в розширенні кабіни поперек, забезпечуючи тим самим конструктивне та аеродинамічне перекриття крила. Ця конструкція зменшує загальну аеродинамічну змочувану площу літака і дозволяє досягти більшого прольоту, оскільки глибоке і жорстке центральне тіло забезпечує "вільний" структурний розмах крил. Розслаблена статична стабільність забезпечує оптимальне навантаження на прольоти. Якщо технології двигуна та конструкційних матеріалів залишаються незмінними для BWB, первинні оцінки показують, що вигорання палива може бути значно зменшено порівняно з традиційними конструкціями великих транспортних засобів (Liebeck et al., 1998). Інші великі транспортні конфігурації оцінюються (McMasters and Kroo, 1998) та порівнюються з сучасними конструкціями.

На додаток до потенціалу спалення палива та зменшення викидів цієї концепції, установка двигуна та планер можуть допомогти мінімізувати зовнішній шум: впускні отвори розміщені над крилом, щоб шум вентилятора захищався величезним центральним кузовом.

Перевірка потенційних переваг спалення палива вимагатиме масштабних повномасштабних випробувань. Основні проблеми полягають у загальній структурній цілісності овального посудини під тиском, інтеграції рушія та планера, аварійному виході (евакуація пасажирів на суші та воді), прийнятті пасажирів та сумісності в аеропорту. Початкова концепція BWB могла вступити в експлуатацію після 2020 року. Однак розміри та діапазон пасажирів початкового проекту на даний момент невідомі.