Дальнемагистральный самолет

ТЕМА 1     дальнемагистральный  самолёт,  основные данные и облик

 1.0 Введение

В этой теме рассмотрены некоторые коммерческие требования и  облик нового воздушного пассажирского лайнера, способного перевозить приблизительно 600 пассажиров. Затраты и риски такого проекта огромны, но прибыль может  быть ещё больше. В представленных требованиях обсуждены некоторые единицы измерения. Проект предполагает полёт самолёта в условиях Международной Стандартной Атмосферы и это предположение будет принято по ходу всего курса. Стандартная атмосфера представлена и обсуждена в конце этой темы. Данная тема заканчивается краткой рекомендацией по поводу проблем окружающей среды.

1.1 Коммерческий облик (основные данные)

В декабре 2000 года Airbus формально объявил о продолжении постройки дальнемагистрального  самолёта, аналогичного A380, предназначенного в первоначальной версии перевозить полезный груз (555 пассажиров) на дальность 8150 навигационных миль. Первый полёт произошёл в 2004 году, а уже в 2006 году самолёт был запущен в серию. Имеются  перспективы и все возможности на создание более тяжёлых версий, перевозящих больше 555 пассажиров и больше полезного груза. В декабре 2000 года Airbus получил достаточное количество промышленных заказов, способных оправдать ожидаемую стоимость в 10 миллиардов $, с ожидаемой продажей  250 единиц самолётов.

Компания Boeing, господствующая до сих пор на этом рынке со своим Boeing 747, предложила новую версию, 747X, конкурентоспособную A380. Boeing 747-400, в настоящее время самый большой гражданский самолёт, был запущен в серию в  1989 году, но это - прототип 747-100, который поступил в эксплуатацию в 1970 году. 747-400 включил некоторые аэродинамические усовершенствования, включая усовершенствования на существующие двигатели, но было необходимо большее число радикальных усовершенствований, для того чтобы получить полное преимущество аэродинамических показателей. Принятие этих технологических решений для A380, вместе с новыми двигателями, должно привести к существенно большей эффективности самолёта с сокращением  затрат на 15 %.

В течение нескольких лет компании Boeing и промышленность, связанная с производством и выпуском Airbusа проводили отдельные и совместные обсуждения и предложения о новом большем самолете, с числом мест для пассажиров от 600 до 800. Все предложенные варианты дальнемагистрального  самолёта имеют четыре двигателя, подвешенные под крылом. Однако, в это же самое время компания Boeing объявила о модели 747 X как о самолёте, неофициально дублирующим «звуковой крейсер». Это был бы крейсерский полёт с числом Маха = 0.95 (принимая во внимание, что 747X совершает рейс с M = 0.85) с дальностью 9000 навигационных миль, но только имея 200 мест для пассажиров. В любом случае этот более высокоскоростной самолёт, в который верит вся промышленность, в конечном счете, будет непривлекателен в экономической сфере и сфере окружающей среды, хотя эта проблема и не является предметом изучения данного курса, мы всё же возвратимся и кратко обсудим её в теме 19.

1.2 Дальнемагистральный самолет

Первые десять тем этого курса посвящены гипотетическому Новому большому самолету (НБС), который представляет собой подобие летательных аппаратов, производимых Airbusом и Boeing. Конечный итог - самолёт Airbus A380-100. Отличительные характеристики в сравнении с гипотетическим Новым Большим Самолетом приведены в Таблице 1.1.

Рекомендуемые материалы

Таблица 1.1 Сравнение дальнемагистрального НБС с Airbusом A380-100

Главные и существенные различия между гипотетическим Новым большим самолётом и A380-100 - диапазон, вес и меньшая площадь крыла нового самолёта. Принятая площадь крыла - близка к той, которая была предложена Airbusом вначале. Большая площадь крыла позволяет увеличивать полезную нагрузку самолёта и также позволяет взлетать на более низких скоростях, таким образом, уменьшая шум. Однако различия довольно малы, и целью курса, в котором излагаются аэродинамические и термодинамические характеристики и решения для двигателя дальнемагистрального  гражданского самолета, является сохранение числовых значений для первоначального гипотетического дальнемагистрального  самолёта.

Сложной проблемой является отнесение самолёта к той или иной ценовой категории, это зависит от комплектации летательного аппарата и условий предлагаемых скидок. Не исключается возможность получения заказа А380 на 200 миллионов $, с ценой двигателя  порядка 12 миллионов $ за каждый. Оценивая рыночную стоимость и различия между 1 100 и 1 300 к следующим 20 годам, компания Boeing, предлагает меньшее число.

В усовершенствованиях нового самолёта конструкторы и изготовители должны конкурировать в эксплуатационных расходах и потенциальных доходах. Предложение увеличивать размер самолёта встречает специальные дополнительные ограничения на размер, который в настоящее время в крупных аэропортах позволен как  80 м,  это ограничения длины и размаха крыльев. Кроме этого есть предложения не размещать фюзеляж высоко от земли из-за трудности обработки. Разумно предположить, что крейсерское качество A380 будет около 20.

Ниже, в таблице 1.2, предложены спецификации для гипотетического дальнемагистрального  самолета, на основании которого построена первая часть этого курса, по сравнению с 747-400, а также A340-500 и A340-600. Предложенная дальность в 8000 навигационных миль даёт возможность осуществлять беспосадочные рейсы между всеми городами Северной Америки и большинством крупных городов Тихоокеанского региона, даже при сильных встречных  порывах ветра.

Таблица 1.2 Сравнение некоторых существенных параметров самолётов

При вычислении полезного груза масса одного пассажира принята за 95 кг. При анализе спецификации для нового самолёта стоит отметить, что максимальный полезный груз, составляющий 58.8 тонн, существенно отличается от максимального взлётного веса, равного 635.6 тонн. Более точно, полезный груз (полный вес пассажиров и груза) - не больше чем одна третья часть от массы топлива. Это следует из того, что относительно мелкие изменения в весе двигателя (которые составляют 5 - 6 % максимального взлётного веса) или в количестве топлива, могут иметь непропорционально больший эффект . Из всего объёма  топлива, которое несёт на себе летательный аппарат не всё его количество может быть израсходовано в полном объёме; приблизительно 15 % (38.6 тонн) должно было сохраниться как запасное при приземлении в аэропорту, где дозаправка не может быть осуществлена. На основании предыдущего опыта можно заключить, что приблизительно 4 % (около 11 тонн) топлива используется на подъёме до начальной крейсерской высоты, а большая часть топливного потребляется двигателем во время выполнения круиза в длительном рейсе.

1.3 Двигатель для дальнемагистрального  самолёта

Для того, что бы спроектировать, построить, доработать и запустить в серию (т.е. при испытаниях летательный аппарат должен быть одобрен и охарактеризован как надёжный и быть запущен в серию) требуется несколько лет. Это, кажется, занимает даже более длительный срок, чем развитие двигателя, но пока разработка самолёта не закончена, не ясно, какой двигатель необходимо использовать для данного летательного аппарата. Полные затраты на развитие нового двигателя настолько высоки, что каждый раз, когда это возможно, завод изготовитель пытается использовать (подогнать) существующий двигатель с некоторыми изменениями. На самолет Boeing 777, все три главных изготовителя предложили свой двигатель, и соревнование было жестокое. Фирма Pratt Whitney предлагала существующие большие двигатели; а General Electric разрабатывала полностью новый двигатель - GE90. Экономический источник сообщал, что на разработку двигателя GE90 было потрачено 1 миллион $ в день в течение 4 лет, всего приблизительно 1.6 миллиарда $; не выяснено, сколько дополнительных затрат и риска было вызвано остальными партнёрскими компаниями. Эта огромная сумма, может быть пояснена, если учесть, что средняя заработная плата работника равнялась 150.000 $ в год, стоимость в размере 1.6 миллиардов $ в переводе на человеческий труд составила бы более 10.000 лет. Чтобы уменьшить возможные финансовые потери и убытки, Pratt Whitney и General Electric заключили договор, целью которого стало проектирование совершенно нового двигателя для A380, под названием GP7200, для соревнования с компанией Rolls-Royce, которая предложила свой ранее выпущенный двигатель Trent 900.

Поскольку двигатели большие и тяжёлые, имеются весомые аэродинамические и структурные предпосылки для их крепления под крылом. Например, установленный на самолёте двигатель, Rolls-Royce Trent 800 (который является самым лёгким для самолётов Boeing 777) весит приблизительно 8.2 тонны. Большая часть работы по осуществлению подъёмной силы происходит благодаря крыльям, именно по этой причине и простоте установки  наиболее целесообразно размещение двигателя под крылом. Это приводит к уменьшению корневого сечения крыла, а изгибающий момент даёт возможность снижения веса всего летательного аппарата. Для новых двигателей стало тенденцией создание большей тяги, уменьшение топливного потребления и снижение уровня производимого шума. Эта тема более подробно будет раскрыта и обсуждена в Теме 7 и в Приложении.

A380 имеет четыре двигателя (по два двигателя расположенных под каждым крылом) та же самая схема принята и для Дальнемагистрального  самолёта. Раньше  было недопустимо иметь трансокеанский самолёт только с двумя двигателями, потому что они были ненадежными. Сейчас самолёты с двумя двигателями – обычное дело, они являются доминирующим типом среди пересекающих Атлантику, но имеются две причины, по которым для Дальнемагистрального самолёта преимущественным является использование четырёх двигателей. Первое, каждый самолёт должен быть способен подняться в воздух с одним полностью повреждённым двигателем. Для самолёта с двумя двигателями это означает, что необходима вдвое большая тяга для перемещения летательного аппарата в воздухе. Для самолётов с четырьмя двигателями действует то же самое правило, при использовании 3 / 4  мощности двигателей для создания максимально возможной тяги при длительном полёте на крейсерском режиме с максимальной полезной нагрузкой.

Второй причиной для монтажа четырёх двигателей является то, что на практике крыло устанавливается намного выше уровня земли (чем на летательных аппаратах, подобных 747-400), так как это привело бы к возвышению кабины экипажа, что повлекло бы за собой поднятие пассажирского отсека и привело бы к непригодности имеющихся ныне средства обслуживания аэропорта; также это привело бы к непредвиденным изменениям габаритов шасси. Если бы на Новом большом самолёте, или Airbusе A380, было установлено только два двигателя, то их форма и размеры были бы слишком большие, чтобы помещаться под крылом и соответствовать высоте и расстоянию пролёта между двигателем и землёй.                                                                                                       

                                                                                                                                           1.4 Используемые единицы

Данные в Таблице 1.1 величины приведены в единицах СИ. Это обычное явление, но поскольку производство часто находится на территории Соединенных Штатов (которые не спешат видеть преимущества единиц СИ), полезно помнить единицы перевода:

Навигационная миля  - это расстояние дуги по поверхности земли, соответствующее 1 минуте широты (между Северным и Южным полюсами), при рассмотрении поверхности земли как сферы, это эквивалентно 1 минуте долготы (восточной или западной) по экватору (длина окружности земли по экватору, вычисляется как 360 ∙ 60 навигационных миль)

Данные в Таблице 1.1 также отражают скорость крейсерского полёта и число Маха, которое определяется как отношение скорости полёта к скорости звука, соответствующей данным условиям. Везде, где  возможно, используем аэродинамические показатели и характеристики дальнемагистрального  самолёта. Безразмерное число Маха - одно из наиболее важных при определении назначения самолёта. Скорость звука определяется как:

Где T - атмосферная температура, соответствующая данным условиям (то есть статическая температура), k - отношение теплоемкостей C_P / C_V для воздуха принято 1.40 и R - газовая постоянная 0.287 кДж/кг ∙ К  . Так как C_P =( k ∙ R ) / ( k – 1 ) отсюда следует, что C_P = 1.005 кДж / кг ∙ K. Эти величины параметров атмосферы будут использоваться для характеристики газа в двигателе (Темы 1-10). Они недостаточно точны для использования в реальном проекте, особенно для характеристики элементов камеры сгорания (таких как подача воздуха и повышение температуры). Но это упрощение удовлетворяет первой части курса и облегчает дальнейший расчёт в следующих частях.

Упражнение 1.1

Самое короткое расстояние между двумя точками на поверхности земли – расстояние по дуге, которое, для совершенной сферы будет равно радиусу земли R_e умноженному на угол A, находящийся  между векторами от центра земли к точкам на поверхности.

Выразите позиции точек 1 и 2 на поверхности земли в Декартовых координатах векторов из центра земли, используя θ₁ и φ₁, для обозначения широты и долготы соответственно для точки 1 и аналогично θ₂ и φ₂ для точки 2. Используйте формулу:

.

Найдите самое короткое расстояние в навигационных милях между Лондоном (широта 51.5 ° с.ш., долгота 0) и Сиднеем в Австралии (широта 33.9 ° ю.ш., долгота 151.3 ° в.д.). Решите задачу для заданных пунктов.       

 (Ответ: 9168)

1.5 Стандартная атмосфера

Атмосфера, в которой летают самолеты, зависит от высоты: давление, температура и плотность понижаются с увеличением высоты. Температурный коэффициент на высоте зависит, прежде всего, от поглощения солнечной радиации каплями воды и последующего его отражения обратно в космос. На высоте сезонные изменения, изменения  с местоположением и временем суток менее заметны, чем на поверхности земли, поэтому считается нормальным использование стандартной атмосферы при рассмотрении летательного аппарата и работы двигателя. Температура, плотность и давление согласно Международной Стандартной Атмосфере (МСА), показаны на рисунке 1.1. Стандартные атмосферные условия над уровнем моря: T_S/ = 288.15 К, P_S/ = 101.3 кПа, ρ_S/ = 1.225 кг/м³

Стандартная температура атмосферы принята так, что уменьшается линейно с изменением высоты по 6.5 К на каждые 1000 м высоты ниже тропопаузы (которая в стандартной атмосфере принята за высоту  11 000 м. ( 36 089 футов), но остаётся постоянной выше этой высоты и составляет 216.65 K. Как было отмечено ранее, единицы СИ не являются общепринятыми в авиации, и управление воздушным движением самолёта определяется коридорами на различных высотах, назначенных в футах. Крейсерский полёт часто происходит на высоте в 31 000 футов, коридоры отделены расстоянием в 2 000 футов. Хотя этот курс основан на единицах СИ, высоты для гражданских самолётов будут даваться в футах. Приведённая ниже Таблица 1.3 может быть полезна при переводе величин:

Таблица 1.3 Обозначения соответствий Международной Стандартной Атмосфере*

* Также известна как стандартная атмосфера ИКАО – Международной организации гражданской авиации.

Рис 1.1 Международная Стандартная Атмосфера

Давление изменяется интенсивнее, чем температура и эти расхождения достигают максимального значения вблизи поверхности земли. Такое явление можно наблюдать, например, в аэропортах Северной Америки, где температура зимой достигает -40ºC, а летом доходит +40ºC (в течение одного года). Отклонения от стандартных условий часто вызваны высотой расположения аэропорта относительно уровня моря. Аэропорт города Иоганнесбурга, например, находится на высоте 5 557 футов выше уровня моря, и температура для этой высоты должна бы составить около -4.0ºC, на самом деле в жаркий день, когда температура воздуха будет равна +35ºC, в аэропорту  Иоганнесбурга она составит +31ºC.

Упражнение 1.2

Выразите максимальный взлетный вес  для ДМС в фунтах (единицах, используемых во многих авиакомпаниях мира), сделайте приблизительную оценку времени полета для дальности 8000 нм,  если бы весь крейсерский полет совершался на начальных значениях высоты и числа Маха

(Ответ: дальность = 14632 км; высота = 9448 м.; m_взл=141060фунтов; время полета≈ 15.8 часа)

Упражнение 1.3*

Найти скорость крейсерского полета в м/с и  км/час, соответствующие заданному крейсерскому числу Маха полета в начальной и конечной высоте крейсерского полета, если высота в конце полета 41000, (Р_а=17.9кПа, Т_а=216.7К).

Примечание: Управление воздушным движением обычно назначает самолетам дискретные  высоты с шагом 2000-футов: 31000, 35000 и 39000 движущимся с Востока на Запад, и 33000, 37000 и 41000- движущимся с Запада на Восток.

(Ответ: Начальная скорость на 31000 футов, 256.5 м/с, 923 км/час;

на 41000 футов, скорость 250.8 м/с, 903 км/час.)

Упражнение 1.4

Изменение величины давления с высотой h из-за гидростатических эффектов обычно выражают через зависимость:

.

            а) Для атмосферы с идеальными статическими параметрами, величина температуры понижается с увеличением высоты по постоянному закону так, что:

,

где k – константа, с размерностью (K / м).

          Покажите, что давление P на высоте H может быть написано как:

,

где P_S/ и T_S/  - статическое давление и температура на высоте уровня моря, принимающие значения 101.3 кПа и 288.15 K, соответственно.

Для международной Стандартной Атмосферы величина изменения температуре с высотой составляет 6.5 К на 1 000 м. до достижения высоты в 11 000 м, соответствующей тропопаузе. Покажите, что, при g = 9.81 м / c² и R = 287 Дж / кг · К, давление на высоте H, в метрах принимают:

,

до высоты тропопаузы, выше которой, величина давления определяется по формуле:

,

где P_T – величина давления, соответствующая тропопаузе.

б) Так как величины давления и плотности взаимосвязаны, докажите, что для давления, соответствующего высоте H, при изоэнтропическом изменении (то есть обратимом и адиабатном состояниях) P / ρ ^k = Const, примет вид:

.

1.6 Проблемы окружающей среды

Когда только началась эра развития реактивных и пассажирских самолётов, проблеме окружающей среды (вблизи аэропортов и в верхних слоях атмосферы) не отдавалось должного внимания. В конце 1960-ых годов ситуация вокруг аэропортов стала невыносимой, главным образом из-за шума и загрязнения окружающей среды. Загрязнителями являлись несгоревшие углеводороды, дым (т.е. мелкие частицы сажи, от недожжённого углерода) и оксиды азота. Со временем были приняты меры, по устранению этой проблемы, дабы соответствовать требованиям международного соглашения с инструкциями о процентном содержании эмиссии в воздухе около аэропортов и  шуме от взлетающих и приземляющихся летательных аппаратов.

Все шумы летательных аппаратов с новыми двигателями должны удовлетворять требованиям международного соглашения, которые в настоящее время, задают уровень , ниже которого шум дозволен. Шум аэропорта, который главным образом определяется, как шум двигателя самого большого самолёта, не должен достигать Лондонских жилых кварталов. Стандарты выброса вредных веществ  и шумов, которые различны при взлёте и посадке, устанавливает ведомство, расположенное в Цюрихе. Проблемы окружающей среды, количество вредных эмиссий в атмосфере и различные типы шумов рассматриваются в разделе 11.5 данного курса.

Рекомендация для Вас - 16 Стилизация в декоративной композиции.

Проблема уровня выбросов загрязняющих веществ в атмосферу новыми двигателями до недавних пор не имела актуальности. Компания General Electric использовала камеру сгорания с двумя кольцами, одно из которых работает постоянно, а второе срабатывает на максимальном режиме на двигателях марки GE90, установленных также на CFM-56, но пока другие компании избегают подобного нововведения. Регулирование шума, как правило, приводящее одновременно к снижению уровня затраченного топлива, с недавнего времени приобрело лидирующее положение в сфере усовершенствования двигателей. Преимущественно это относится к самолётам с реактивными двигателями, которые до сих пор являются главным источником шума, и никакой метод не может понизить уровень этого шума, как прямое снижение реактивной скорости. Такой путь, приводящий  к увеличению числа двигателей для создания эквивалентной тяги и их габаритов, описывается в теме 7.

Резюме темы 1

Новые двигатели имеют высокую стоимость. Существует риск того, что спроектированные двигатели не будут выпускаться в серийном производстве. К сожалению, для проектирования и доработки двигателя необходим больший промежуток времени, чем для проектирования конструкции планера и корпуса летательного аппарата. Новый дальнемагистральный самолёт, о котором идёт речь в первых 10 темах этого курса, схож с проектом Airbus А380. Такой большой самолёт, предназначенный для длительной эксплуатации, будет иметь четыре двигателя, располагающихся под крыльями.

Международная стандартная атмосфера, используемая для расчёта характеристик самолёта, позволяет представить температуру, давление и плотность как функции от высоты. Температура падает по линейной зависимости пропорционально увеличению высоты (по 6.5 К на 1 км) до высоты в 11 км, выше которой она остается постоянной до достижения отметки в 20 км.

Дозвуковой гражданский воздушный транспорт обычно не летает выше 41 000 футов (12.5 км), хотя коммерческие реактивные самолеты летают на высоте до 51 000 футов (15.5 км).

В настоящее время проблемы окружающей среды вокруг аэропорта становятся всё более значимыми. Возможно, в будущем, предметом регулирования станут серьёзные эффекты эмиссии в верхних слоях атмосферы. Первое, на что обращают внимание при проектировании двигателя – это уже не дальность полёта или оптимальный расход топлива, а ограничения шума в процессе взлёта и посадки.