Требования к экономической эффективности создаваемых самолетов гражданской авиации нового поколения
Содержание:
- Вес пустого самолета
- Аэродинамическое качество
- Удельный расход топлива двигателя
- Рейсовая скорость (Vp)
- Комфорт самолета
- Уровень шума
- Надежность и безопасность
В статье приводятся требования к экономической эффективности самолетов нового поколения и предлагаются пути кардинального улучшения ее показателей за счет их внедрения в широкую эксплуатацию.
Каждый вновь создаваемый самолет в своем классе должен быть лучше предыдущего. Это очевидная истина. Но еще в недалеком прошлом была практика проектирования самолетов «одного параметра», когда ставилась задача достигнуть высокого значения какой-либо важной характеристики, например, скорости или дальности в ущерб другим, так как не получалось достичь предельно выгодных значений для нескольких из них. Это особенно очевидно у военных самолетов: для истребителей, в первую очередь, нужна скорость, для бомбардировщиков - дальность, для разведчиков - высота. И мало интересовало, какой ценой это преимущество достигалось.
В гражданской авиации были те же тенденции: увеличение скорости, дальности и др. Для различных самолетов их важность чередовалась, но улучшение одного параметра делало совершенно не очевидным улучшение самолета в целом. Только гармоничное сочетание многих параметров приводит к улучшению экономики самолета.
В последние годы улучшение этих характеристик стало строиться на базе экономического критерия.
Как известно, эффективность транспортной авиации состоит из двух слагаемых:
1) транспортной эффективности:
,где
Gk - коммерческая нагрузка, т;
L - дальность перевозки груза (пассажиров), км;
Gm - масса израсходованного топлива;
2) экономической эффективности или себестоимости тонно-километра (пассажиро-километра).
В основу транспортной эффективности положена производительность рейсовая (GkL) или часовая (GkУ км/час).
Первая применяется для оценки количества рейсов, вторая - основной критерий при подсчете налета часов и количества воздушных судов (ВС).
Транспортная эффективность не в полной мере раскрывает все расходы при транспортировке груза или пассажиров, потому не определяет экономичности самолета в целом, так как не учитывает себестоимость эксплуатации и т.д.
Наиболее полно этим условиям соответствует экономическая эффективность. Есть и другие комплексные критерии оценки совершенства и эффективности самолетов. По ним авиакомпании проводят оценку самолетов, сравнивая величины затрат за весь срок их службы.
При одинаковой дальности полета все факторы, от которых зависит экономическая эффективность, в основном можно разделить на три группы: две группы - технические показатели, третья - экономические параметры.
Первая группа:
1. Вес пустого снаряженного самолета.
2. Аэродинамическое качество.
3. Удельный расход топлива.
4. Рейсовая скорость.
5. Коммерческая нагрузка.
6. Дальность полета и др.
Вторая группа:
1. Безопасность полетов.
2. Соответствие экологическим нормам.
3. Комфорт пассажиров, дизайн салона.
4. Надежность конструкции и оборудования, ресурсы и сроки службы.
5. Эксплуатационная технологичность и организация системы технического обслуживания и обеспечения запасными частями.
6. Адекватность технологическим системам обработки грузов в аэропортах.
В зависимости от уровня летно-технических характеристик и эксплуатационной технологичности определяются стоимостные параметры, формирующие себестоимость эксплуатации ВС:
1. Стоимость ВС, авиадвигателей и авиационного оборудования; условия приобретения за счет заемных средств.
2. Летные расходы, ставки аэропортовых и аэронавигационных сборов, стоимость наземного, технического обслуживания, бортового питания, размеры оплаты персонала, обязательного страхования, установленные отчисления агентствам системам бронирования и т.д.
Анализ влияния каждого из перечисленных факторов на экономическую эффективность показал, что оно далеко не одинаково. Факторы первой группы долгое время были более эффективны и находились в отношении 8:2:2:0,8 и т.д. То есть при улучшении характеристик на один и тот же процент экономическая эффективность от веса пустого самолета улучшается в 8 раз, от аэродинамического качества - в 2 раза, от расхода топлива - в 2 раза, а от рейсовой скорости всего - в 0,8 раза.
Отсюда следовал важнейший для конструкторов принцип - стремиться уменьшить вес пустого самолета, т.е. вес конструкции, двигателя, систем и оборудования. Это самый эффективный способ улучшить экономику самолета. Каждый конструктор в ОКБ знает, что лишний килограмм массы конструкции за все время эксплуатации самолета приносит убыток в один килограмм золота.
В последние годы факторы второй группы стали не менее важными факторов первой группы.
Все перечисленные факторы влияют на характеристики самолета, зависят друг от друга и, как правило, взаимно противоречивы - улучшение одного ухудшает другой. Они достигли высокого уровня, их дальнейшее совершенствование в рамках классических схем становится проблематичным. Улучшать экономику самолета становится все труднее. Поэтому нужны новые неординарные технические решения.
Как отмечают аналитики, одной из характерных особенностей научно-технического прогресса является наличие фаз эволюционного и революционного (скачкообразного) развития техники. Скачок наступает при переходе к использованию качественно новых явлений, а между скачками наступают периоды относительно плавного эволюционного развития.
В этом процессе эволюции четко различаются три фазы.
В начальной фазе происходит зарождение новой техники и рост ее функциональных параметров, причем скорость роста небольшая, но непрерывно увеличивающаяся.
В центральной фазе идет интенсивное развитие техники. Однако темпы роста ее функциональных параметров постепенно замедляются, наступает точка перегиба кривой, после которой скорость приращения параметров уменьшается. Это обусловлено влиянием появившихся сдерживающих факторов для данного вида техники.
Заключительная фаза - фаза морального старения, когда исчерпываются возможности дальнейшего совершенствования данного вида техники с использованием старых принципов.
Только принципиально новые решения, которые устраняют влияние сдерживающих факторов, приводят к скачкообразному росту характеристик.
Такими скачками в авиации в разные периоды ее развития были убирающиеся шасси, металлический планер, реактивный двигатель, стреловидное и треугольное крылья и т.д. Каждое вновь родившееся решение помогало самолетам рывком улучшить в основном одну характеристику - скорость полета. Поршневые двигатели постоянно увеличивали свою мощность, и наступил момент, когда весь прирост мощности тратился на преодоление прироста лобового сопротивления, в связи с увеличением миделя двигателя. Наступил сдерживающий фактор, не позволяющий в авиации увеличить скорость. Он скачкообразно был преодолен появлением реактивного двигателя. Далее появилось волновое сопротивление на крыле. Оно было устранено стреловидным крылом.
Но эти новые технические решения ухудшали экономику: реактивный двигатель был не экономичный, стреловидное крыло тяжелее и сложнее в производстве.
Решались вопросы, связанные с одной характеристикой - скоростью. Скачок последовал при создании турбовинтового двигателя. Он улучшил расход топлива, что увеличило теперь уже следующую характеристику - дальность полета самолетов и, конечно, экономику.
Аналогичная картина складывалась и в области аэродинамики. Ученым и конструкторам удалось получить высокое аэродинамическое качество (Ка=17). Они сумели не снижать его величину, постоянно увеличивая скорость самолетов. В последние годы наступил момент, когда увеличить скорость, не уменьшив аэродинамическое качество, стало невозможно, несмотря на исключительные конструкторские ухищрения, высокую частоту поверхности планера и т.д.
Очевидно, что наступила фаза морального старения старых, классических аэродинамических схем. И здесь нужны новые решения, которые уберут аэродинамические барьеры и приведут к скачку в аэродинамике.
Но рождение аэродинамического и других скачков затормозилось с появлением новых сдерживающих факторов, в частности экономического.
Общеизвестно, что создание более эффективных самолетов связано с поиском и исследованиями новых конструкций и технологий. Это требует больших финансовых затрат. Появление новых самолетов приведет к списанию раньше срока самолетов, не выработавших свой ресурс, что чревато большими материальными потерями.
Западные фирмы недавно обновили свой парк, появились новые самолеты с ресурсом в 25 - 30 лет. Чтобы иметь такой большой ресурс, надо вложить в конструкцию дополнительный вес и летать с этим лишним весом весь этот большой срок и не сметь думать о списании этих самолетов раньше времени. Это заставляет западные фирмы осторожно относиться к нововведениям. По мнению ведущих экспертов, развитие воздушного транспорта в ближайшие 25 лет будет носить в основном эволюционный характер, нежели революционный. Вероятнее всего, что самолеты фирмы «Боинг» и «Эрбас», которые покинут ворота сборочных цехов в 2025 г., будут выглядеть так же, как и те, что взлетают и садятся в аэропортах сегодня. Разработчики новой техники скорее озабочены развитием существующих самолетов, нежели разработкой новых конструкторских решений.
Таким образом, на пути создания более эффективных самолетов возник экономический барьер, который включает в себя следующий узел противоречий:
1) проблемы, связанные с поиском новых передовых решений;
2) очень тяжелое для конструкторов решение - отказ от традиционных схем;
3) экономические потери из-за прерываний опционов на серийные поставки и списания самолетов раньше срока выработки назначенного ресурса в 25-30 лет.
Образованию этого барьера способствовало и научно необоснованное установление ресурса в 30 лет. Отсюда осторожность к новшествам, наметившаяся в наши дни у западных фирм. Определенную долю в этот процесс внесло и отсутствие конкуренции со стороны России.
Чтобы научно прогнозировать те области техники, где должны появиться новые скачки, необходимо комплексно проанализировать все факторы, от которых зависит экономическая эффективность современного самолета.
Для повышения экономической эффективности конструкторы, в первую очередь, использовали самый мощный фактор - снижение веса пустого самолета. Для этого постоянно увеличивали пассажировместимость самолетов.
За последние 40 лет взлетный вес магистральных самолетов увеличился в 4 раза, а коммерческая пассажирская загрузка в 10 раз, что увеличило экономическую эффективность самолетов, так как с увеличением взлетного веса растет весовая отдача.
Пассажировместимость фюзеляжей дошла до 220-250 человек при компоновке 6 кресел в ряд с одним проходом посередине салона. Полученный в начале этого процесса положительный эффект достиг своего максимума. Появились проблемы, связанные с жесткостью самолетов, динамикой управления, удлинением стоек шасси, трудностями при эвакуации пассажиров во время аварийных ситуаций и т.д. С какого-то момента стал увеличиваться относительный вес пустого самолета, так как напряжения от изгиба растут пропорционально квадрату длины фюзеляжа. У пассажиров, находящихся в таком фюзеляже, появилось неприятное ощущение «туннельности», что привело к дискомфорту и, в итоге, к уменьшению пассажирозагрузки.
Стало очевидно, что вместимость таких самолетов достигла своего предела. Они не удовлетворяют требованиям дальнейшего увеличения комфортабельности.
Появился барьер «вместимости». Западные фирмы начали решать задачу, что называется «в лоб», пошли на увеличение диаметра фюзеляжа, с размещением 9 кресел в ряд с 2-мя проходами по схеме 3 + 3 + 3. Диаметры таких фюзеляжей перевалили за 6 м. Наша промышленность реализовала аналогичное решение, создав Ил-86 и Ил-96-300.
Такие фюзеляжи не решили проблему крайнего у окна пассажира, который при выходе беспокоит 2-х пассажиров и, самое главное, фюзеляжи стали более тяжелыми. Таким образом, удовлетворив частично требования комфорта, увеличив вместимость до 300 пассажиров, все равно за счет увеличения веса пустого самолета ухудшили экономическую эффективность, что превратилось в главную проблему аэробусов.
Устранить проблему сдерживающего фактора - увеличения вместимости с помощью аэробусов не удалось - вместимость увеличилась, а экономика ухудшилась.
Следующий по значимости параметр в борьбе за экономическую эффективность - аэродинамическое качество (Ка). В этом направлении ученые и конструкторы достигли большого совершенства, получив Ка, равное 17-18 единиц при крейсерской скорости 850-900 км/час. В 1935 году на самолете АнТ-25 было получено Ка около 17, но при скорости 170-200 км/час. За 70 лет оно увеличилось примерно на 1 ед. при увеличении скорости в 4 раза. Дальнейший рост Ка прогнозировать в рамках традиционных схем не представляется возможным, несмотря на то, что созданы новейшие суперкритические профили, а поверхность планера стала близкой зеркальной. Налицо появление нового аэродинамического барьера.
Удельный расход топлива двигателя
По значимости удельный расход топлива приравнивается к аэродинамическому качеству. Двигатели превратились в сложнейшие агрегаты, процесс совершенствования продолжается постоянно, но всему приходит конец.
За 50 лет реактивные двигатели уменьшили удельный расход топлива более чем в 2 раза, доведя его до менее 0,6 кг/кгсч. Перед нами новый сдерживающий фактор, который предстоит или устранять, предложив новые принципиальные решения, или принимать и довольствоваться достигнутым удельным расходом.
Увеличение рейсовой скорости ведет к увеличению часовой производительности (G км х V км/час), но до определенного предела. С какого-то момента с увеличением Vp растут скорости отрыва и посадки, длина взлетно-посадочной полосы, возрастает время маневра в воздухе в районе аэродрома, увеличивается радиус разворота, увеличивается тем самым расход топлива, усложняется пилотирование, усложняется и утяжеляется взлетно-посадочная механизация, резко снижается безопасность при взлете и посадке.
До 80% всех аварий совершается именно на этих режимах. Вероятность аварий при посадке пропорциональна V2noc. При увеличении Vвзл возрастают ограничения по взлету из-за метеоусловий. В результате понижается регулярность и прибыльность полетов. Все это привело в последние годы к тенденции небольшого снижения рейсовой скорости с 950 до 800 км/час.
Требования по увеличения комфорта выходят в наши дня на передовые рубежи. Здесь должен быть разумный компромисс между тенденцией к росту уровня требований комфорта и стремлением к повышению экономической эффективности.
Любое удовлетворение требований комфорта приводит к увеличению веса пустого самолета, но в то же время делает самолет более привлекательным для пассажиров, что приводит к росту пассажирозагрузки и к повышению экономической эффективности эксплуатации.
Характеристиками, определяющими комфортабельность пассажирских мест, являются ширина кресел, шаг их установки, количество воздуха, приходящего на 1 пассажира, свежий воздух, хорошее питание и т.д. Все это снижает степень использования объема фюзеляжа, увеличивает его диаметр, вредное сопротивление, потребную тягу двигателя, расход топлива и, в результате, растет вес пустого самолета и уменьшается экономическая эффективность. Возник барьер комфортабельности.
Проблема уровня шума в последние годы приняла для отечественных самолетов угрожающие масштабы. Нормы по шумам Международной организации гражданской авиации (ИКАО) постоянно снижаются. Последние требования Главы 4 Приложения 16 Конвенции о международной гражданской авиации не позволяют нашим самолетам летать за границу.
При нахождении двигателей на корме уровень шума в кабине понижается. При расположении их под крылом на пилонах имеет место эффект усиления шума и увеличения его длительности, так как крыло является своеобразным отражателем шума.
Проблему внешнего шума начали решать установкой на двигателях шумоглушителей, но результат оказался недостаточным. Стали устанавливать шумопоглощающие панели в гондолах и увеличили длину каналов. Все это приводит к увеличению веса. Так, только одни шумопоглощающие панели на двигатели ПС-90 весят 25 кг.
Увеличение уровня надежности и безопасности положительно влияет на экономическую эффективность, так как привлекает пассажиров и ведет к увеличению загрузки. Высокий коэффициент пассажирской загрузки увеличивает производительность самолета и приводит к повышению рентабельности. Надежность оказывает влияние на себестоимость эксплуатации, уменьшается количество потребных запчастей, увеличивается регулярность рейсов.
Защита двигателей от попадания посторонних предметов повышает надежность важнейшего агрегата самолета - двигателя.
Учитывая высокую стоимость двигателей, а также время, необходимое для замены вышедшего из строя двигателя, самолеты, у которых обеспечена защита двигателей, имеют существенно меньшие прямые эксплуатационные расходы.
По исследования Рыбинского КБ моторостроения от 30 до 50% всех двигателей, потребных для эксплуатации парка самолетов, выходят из строя из-за попадания посторонних предметов. В настоящее время ни один пассажирский самолет не имеет по-настоящему надежной защиты двигателей. Для увеличения надежности систем конструкторы дублируют агрегаты, магистрали, что опять ведет к увеличению веса пустого самолета.
В результате, очевидно, что все основные факторы второй группы могут быть улучшены в основном за счет увеличения веса пустого самолета, что существенно ухудшает экономическую эффективность.
Попытки решить проблему, улучшая какую-то одну характеристику самолета, должного эффекта не приносят. А конструкция диктует, что самолеты будущего должны удовлетворять все возрастающему количеству летных, эксплуатационных и экономических требований. Удовлетворение этих противоречивых требований приводит к необходимости разработки новых концепций проектирования.
В ОКБ Экспериментального машиностроительного завода им. В. М. Мясищева разработано семейство самолетов вместимостью от 12 до 300 пассажиров на базе единой для всего семейства принципиально новой аэродинамической компоновки с несущим фюзеляжем и верхним расположением двигателей. Многолетние поисковые и расчетно-конструкторские работы над этой компоновкой сопровождались экспериментальными исследованиями на моделях в аэродинамических трубах ЦАГИ и СибНИА. Достигнуты высокие летно-технические, экономические и эксплуатационные характеристики.
Благодаря новой компоновке удалось улучшить характеристики почти всех факторов первой и второй групп (кроме удельного расхода топлива двигателя, так как схема затрагивает вопросы планера и аэродинамики).
Если воспользоваться образным сравнением, то удалось сделать следующее: каждый агрегат на самолете стал выполнять свои прямые функции, избегая наносить вред соседу и, по возможности, посильно помогая ему.
Рассмотрим реализацию этого принципа на примере фюзеляжа. Фюзеляж, выполняет свои основные функции по размещению пассажиров, экипажа, грузов и соединяет через себя крыло, оперение, шасси. Перенос двигателей с крыла в хвостовую часть создает идеальные условия для их работы. При этом уменьшился шум в кабине и на местности, убраны тяжелые пилоны, стала легче мотогондола. Крыло стало аэродинамически чистым, на 100% можно использовать механизацию, нет опасности касания земли двигателями и возможного при этом пожара, исчез разворачивающий момент при отказе одного двигателя, стали легче самолетные системы, так как вспомогательная силовая установка и двигатели расположены рядом, распредустройства и генераторы тоже рядом - все это уменьшило вес пустого самолета.
Трудовые затраты для замены двигателя, его агрегатов и оборудования значительно снижены по сравнению с затратами на аналогичные операции для самолетов с двигателями, расположенными под крылом.
Для этого фюзеляж приобрел форму эллипса, что кроме сказанного, дало возможность сделать два прохода вместо одного, уменьшив длину. Также отпала необходимость в центроплане, исчез эффект «туннельности», стало легко переоборудовать салон в 2-х и 3-х классную компоновку, упростилась конструктивно-силовая схема шасси с возможностью базирования на грунтах.
Фюзеляж помог крылу полностью «отдаться» аэродинамике. Но, кроме того, он взял на себя и часть подъемной силы крыла, особенно это оказалось полезно на больших углах атаки, когда фюзеляж разгрузил крыло на 20%. Эти частичные функции крыла помогли и фюзеляжу разгрузиться от массовых сил: при посадке создав под собой воздушную «подушку», фюзеляж существенно уменьшил нагрузки на шасси и сделал процесс посадки более мягким, что тем самым увеличило надежность. Аэродинамическое качество увеличено на 3-4 единицы, уменьшены взлетно-посадочные скорости со всеми вытекающими отсюда преимуществами.
В единой компоновке удалось интегрально, положительно на базе экономического критерия увязать все факторы, влияющие на экономическую эффективность. Сам этот факт говорит о том, что получено не рядовое, а качественно новое решение.
Специалисты ОКБ считают, что начать строительство надо с регионального самолета на 50-58 пассажиров (Рис. 1, 2, 3, 4).
Увеличить rukhlinskiy1.gif (12кб)
Рис. 1. Общий вид самолета М-60ГП
Увеличить rukhlinskiy2.gif (18кб)
Рис. 2. Компоновка самолета М-60ГП (экономический класс)
Увеличить rukhlinskiy3.gif (15кб)
Рис. 3. Компоновка самолета М-60ГП (смешанный класс)
Увеличить rukhlinskiy4.gif (16кб)
Рис. 4. Компоновка самолета М-60ГП (грузопассажирский вариант)
Он будет конкурентоспособным благодаря следующим преимуществам:
- сокращению расхода топлива на 30%;
- естественной без дополнительных устройств защите двигателей от засасывания посторонних предметов, как на земле, так и в воздухе;
- возможности базирования на слабо подготовленных грунтовых аэродромах укороченных размеров, что дает возможность успешно использовать самолет в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока;
- отсутствию разворачивающего момента при отказе одного двигателя;
- возможности совершать посадку на запасной аэродром в радиусе 300 км даже при отказе всех двигателей;
- комфорту, которого не удалось получить ни у одного самолета в мире;
- более низкому уровню шума, как в салоне, так и на местности;
- возможности полета на незагруженных эшелонах свыше 12 км;
- меньшим взлетно-посадочным скоростям;
- простоте взлетно-посадочной механизации и др.
Комплекс этих преимуществ обеспечит лидерство нашей гражданской авиации на ближайшие годы.