cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-2-72-90caht-2173Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGКонцептуальная оценка топливной эффективности пассажирских самолетов c переходом на композитные крыльяConceptual assessment of the fuel efficiency of passenger aircraft with the transition to composite wingsКретовА. С.KretovA. S.

Кретов Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры проектирования самолетов

Нанкин

Anatoly S. Kretov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Aircraft Design Chair 

Nanjing

kretovac@mail.ruТиняковД. В.TinyakovD. V.

Тиняков Дмитрий Васильевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры гражданской авиации

Нанкин

Dmytry V. Tinyakov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Civil Aviation Chair

Nanjing

tinyakov_dm@mail.ruШатаевП. А.ShataevP. A.

Шатаев Павел Александрович, магистр науки и техники, соискатель

Казань

Pavel А. Shataev, Master of Science, External Doctorate Student 

Kazan

pashataev@yandex.ruНанкинский университет аэронавтики и астронавтикиКитайNanjing University of Aeronautics and AstronauticsChinaКазанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. ТуполеваРоссияKazan National Research Technical University named after A.N. TupolevRussian Federation2023020520232627290Copyright © Кретов А.С., Тиняков Д.В., Шатаев П.А., 20232023Кретов А.С., Тиняков Д.В., Шатаев П.А.Kretov A.S., Tinyakov D.V., Shataev P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2173

Одним из показателей успешности любого нового самолета является его топливная эффективность, влияющая как на дальность, так и на экономичность, поскольку в прямых эксплуатационных расходах затраты на топливо составляют около 30 %. На основе анализа чувствительности взлетной массы к проектным изменениям рассматривается проблема улучшения базовых самолетов по топливной эффективности. Особенностью предлагаемых проектных изменений является применение композитных крыльев большего удлинения, позволяющих повысить топливную эффективность за счет снижения индуктивного сопротивления. Для обоснования применения такого подхода рассмотрены две задачи. Первая – это переход на конструкции крыльев из композитных материалов, что позволит увеличить удлинение крыла без потери жесткости; вторая – применение (при необходимости) устройств, уменьшающих размах крыла, связанных с ограничениями в аэропорту. Предложена методика оценки массы композитных крыльев на основе универсальной весовой формулы В.А. Комарова, которая была уточнена за счет применения интегрального коэффициента, учитывающего особенности распределения массы в конструкции, тип силовой увязки конструктивных элементов и их прочностные характеристики. Для упрощения размещения самолетов с крыльями большого размаха в существующей инфраструктуре аэропортов рассмотрено использование складывающихся законцовок крыла, выполнен принципиальный анализ конструкции поворотного узла законцовок, проведена оценка влияния устройства складывания на массу пассажирского самолета. Верификация предложенного подхода осуществлена на примере семейства самолетов компании Boeing B777. Выполнен численный анализ применения композитных крыльев для самолетов Ил-96, Ту-214 и SSJ-100, а также рассмотрен эффект использования винглетов на самолете МС-21.

 One of the success indicators for any new aircraft is its fuel efficiency, influencing both range and cost-effectiveness, as fuel costs amount to 30% of direct operating costs. Based on the analysis of take-off mass response to design changes, a solution to the basic-type aircraft improvement in terms of fuel efficiency is considered. The feature of proposed redesigning is the use of a higher aspect- ratio of an airfoil allowing for fuel efficiency to be increased by reducing the induced drag. Two solutions are considered to substantiate this approach. The first one is the transition to composite wing structures, which will allow for a high aspect ratio of an airfoil without losing rigidity. The second one is the application (if necessary) of devices, reducing the wingspan, caused by the airport restrictions. The methodology for assessing the mass of composite wings based on the universal weight formula by V.A. Komarov which was specified by applying an integral factor considering the features of mass distribution in the structure, the structural adaptation of structure elements and their strength performance, has been proposed. To simplify the arrangement of aircraft with large-span wings in the available airport layout, the application of folding wingtips was considered. The principal analysis of the wingtip swiveling unit structure was performed. The assessment of the folding device effect upon the mass of a passenger aircraft was completed. The proposed approach was verified based on the Boeing company of B777 aircraft family. The numerical analysis of the composite wing application for the IL-96, Tu-214 and SSJ-100 was performed, and the winglet use effect on the MC-21 aircraft was studied. 

пассажирский самолеттопливная эффективностьвзлетная масса самолетpassenger aircraftfuel efficiencytake-off mass of aircraftReferencesКретов А.С., Глухов В.В. Альтернативное топливо в транспортной авиации и оценка эффективности его применения // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 3. С. 4–13.Kretov, A.S., Glukhov, V.V. (2021). Alternative fuel in transport aviation and estimation of its application efficiency. Russian Aeronautics, vol. 64, no. 3, pp. 365–375. DOI: 10.3103/S1068799821030016Антуфьев Б.А. и др. Влияние компоновочной схемы на массу силовой конструкции перспективных магистральных пассажирских самолетов большой дальности // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1996. № 1. C. 9–15.Antufiev, B.A. et al. (1996). Influence of the layout scheme on the mass of the load structure of promising long-range passenger aircraft. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 9–15. (in Russian)Погосян М.А., Лисейцев Н.К., Стрелец Д.Ю. и др. Проектирование самолетов: учебник для вузов / Под ред. М.А. Погосяна. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Инновационное машиностроение, 2018. 864 с.Poghosyan, M.A., Liseytsev, N.K., Sagittarius, D.Yu. et al. (2018). Aircraft Design: Textbook for Universities, in Pogosyan M.A. (Ed.). 5th ed. pererab. i dop. Moscow: Innovatsiommoye mashinostroyeniye, 864 p. (in Russian)Raymer D.P. Aircraft design: A conceptual approach. 6th ed. Publisher: American Institute of Aeronautics & Ast, 2018. 1062 p.Raymer, D.P. (2018). Aircraft design: A conceptual approach. 6th ed. Publisher: American Institute of Aeronautics & Ast, 1062 p.Torenbeek E. Advanced aircraft design: Conceptual design, analysis, and optimization of subsonic civil airplanes. Chichester: John Wiley and Sons, 2013. 440 p.Torenbeek, E. (2013). Advanced aircraft design: Conceptual design, analysis, and optimization of subsonic civil airplanes. Chichester: John Wiley and Sons, 440 p.Кретов А.С., Глухов В.В. О применении интегральной компоновочной схемы для «криогенных» самолетов транспортной категории // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2022. № 1. С. 11–23.Kretov, A.S., Glukhov, V.V. (2022). Application of integrated layout for “cryogenic” transport category aircraft. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 11–23. (in Russian)Ma Y., Elham A. Twin-fuselage configuration for improving fuel efficiency of passenger aircraft [Электронный ресурс] // Aerospace Science and Technology. 2021. Vol. 118, no. 2021. ID: 107000. DOI: 10.1016/j.ast. 2021.107000 (дата обращения: 01.03.2022).Ma, Y., Elham, A. (2021). Twinfuselage configuration for improving fuel efficiency of passenger aircraft. Aerospace Science and Technology, vol. 118, no. 2021, ID: 107000. DOI: 10.1016/j.ast.2021.107000 (accessed: 01.03.2022).Бюшгенс Г.С. и др. Аэродинамика и динамика полета магистральных пассажирских самолетов. Москва-Пекин: Издательский отдел ЦАГИ – Авиа-Издательство КНР, 1995. 772 с.Bushgens, G.S. et.al. (1995). Aerodynamic and Dynamic of Long-Haul Aircraft. Proceedings of the TsAGI and Avia PRC. MoscowBeijing: Izdatelskiy otdel TsAGI – AviaIzdatelstvo KNR, 772 p. (in Russian)Рябков В.И., Тиняков Д.В. Метод формирования геометрических параметров несущих поверхностей самолетов транспортной категории на основе частных критериев и интегральных показателей их эффективности // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2011. Т. 52. С. 41–48.Riabkov, V.I., Tiniakov, D.V. (2011). The method of forming the geometric parameters of lifting surfaces of aircraft transport category based on particular criteria and integral indicators of their effectiveness. Otkrytyye informatsionnyye i kompyuternyye integrirovannyye tekhnologii, vol. 52, pp. 41–48. (in Russian)Тиняков Д.В. Интегрированное формирование геометрических параметров системы несущих поверхностей на этапе предварительного проектирования самолетов транспортной категории // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2012. Т. 53. C. 27–35.Tiniakov, D.V. (2012). Integrated generation of the lift system surfaces geometric parameters on the preliminary designing stage of transport category airplanes. Otkrytyye informatsionnyye i kompyuternyye integrirovannyye tekhnologii, vol. 53, pp. 27–35. (in Russian)Куприков М.Ю., Максимов С.В. Влияние инфраструктурных ограничений на облик перспективного дальнемагистраль ного самолета // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1999. № 1. С. 52–55.Kuprikov, M.Yu., Maksimov, S.V. (1999). Influence of infrastructure restrictions on the appearance of a promising long-range aircraft. Izvestiya vyshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 52–55. (in Russian)Kretov A. Sensitivity factors of aircraft mass for the conceptual design // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2021. Vol. 93, no. 9. Pp. 1470–1477. DOI: 10.1108/ AEAT-11-2020-0256Kretov, A. (2021). Sensitivity factors of aircraft mass for the conceptual design. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, vol. 93, no. 9, pp. 1470–1477. DOI: 10.1108/AEAT-11- 2020-0256Дракин И.И. Влияние изменений весовых и аэродинамических характеристик конструкций на полетный вес летательного аппарата // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1960. № 1. C. 52–62.Drakin, I.I. (1960). Influence of changes in the weight and aerodynamic characteristics of structures on the flight weight of an aircraft. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 52–62. (in Russian)Политковский В.И., Бадягин А.А. О коэффициенте увеличения стартовой массы ЛА // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1966. № 1. C. 161–164.Politkovsky, V.I., Badyagin, A.A. (1966). On the Coefficient of Increasing the Launch Mass of the Aircraft. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 161–164. (in Russian)Гоголин В.П. Определение коэффициента роста изменений взлетного веса при реализации изменений веса конструкции // Труды КАИ. 1973. Вып. 160. С. 11–14.Gogolin, V.P. (1973). Determination of the coefficient of growth of changes in take-off weight during the implementation of changes in the weight of the structure. Trudy KAI, issue 160, pp. 11–14. (in Russian)Гоголин В.П. К задаче разрешения противоречий между весом и сопротивлением частей самолета // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1974. № 1. С. 13–16.Gogolin, V.P. (1974). On the problem of resolving contradictions between the weight and drag of aircraft parts. Izvestiya vysshykh uchebnykh zavedeniy. Aviatsionnaya tekhnika, no. 1, pp. 13–16. (in Russian)Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К. и др. Проектирование самолетов: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. 648 с.Yeger, S.M., Mishin, V.F., Liseytsev, N.K. et al. (2005). Aircraft design: Textbook for Universities. Moscow: Mashinostroyeniye, 648 p. (in Russian)Kundu A.K. Aircraft design. New York: Cambridge University Press, 2010. 648 p. DOI: 10.1017/CBO9780511844652Kundu, A.K. (2010). Aircraft design. New York: Cambridge University Press, 648 p. DOI: 10.1017/CBO9780511844652Дмитриев В.Г. О создании ближнесреднего магистрального самолета нового поколения // Полет. Общероссийский научнотехнический журнал. 2012. № 7. С. 3–12.Dmitriyev, V.G. (2012). The approach to the construction of the medium haul aircraft of the next generation. All-Russian ScientificTechnical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 7, pp. 3–12. (in Russian)Green J.E. Greener by Design – the Technology Challenge // The Aeronautical Journal. 2002. Vol. 106, no. 1056. Pp.57–113. DOI: 10.1017/S0001924000095993Green, J.E. (2002). Greener by Design – the Technology Challenge. The Aeronautical Journal, vol. 106, no. 1056, pp. 57–113. DOI: 10.1017/S0001924000095993Чернышев С.Л. Новый этап применения композиционных материалов в авиастроении // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2013. № 1. С. 3–10.Chernyshev, S.L. (2013). New stage of application of composite materials in aircraft manufacturing. Problemy mashinostroyeniya i avtomatizatsii, no. 1, pp. 3–10. (in Russian)Замула Г.Н., Колесник К.А. Весовая и топливная эффективности применения композиционных материалов в авиаконструкциях // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 2. С. 12–19.Zamula, G.N., Kolesnik, K.A. (2018). Weight savings and fuel efficiency due to composites application in aerostructures. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 2, pp. 12–19. (in Russian)Комаров В.А. Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2000. № 1. C. 31–39.Komarov, V.A. (2000). Mass analysis of aircraft structures: Theoretical foundations. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 1, pp. 31–39. (in Russian)Гуменюк А.В., Комаров В.А. Критерий силового совершенства конструкции крыльев // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2003. № 6. C. 24–30.Gumenyuk, A.V., Komarov, V.A. (2003). Wing load-bearing upgrade criteria. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 6, pp. 24–30. (in Russian)Комаров В.А., Лукьянов О.Е. Многодисциплинарная оптимизация параметров крыла грузового самолета // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 3. С. 3–15.Komarov, V.A., Lukyanov, O.E. (2018). Multidisciplinary optimization of the cargo airplane wing parameters. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 3, pp. 3–15. (in Russian)Кретов А.С., Шатаев П.А. К оценке массы фюзеляжа самолета при переходе на композиционные материалы // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2020. № 3. С. 17–26.Kretov, A.S., Shataev, P.A. (2020). Preliminary assessment of the weight of the aircraft fuselage as a result of the transition to composite materials. Russian Aeronautics, vol. 63, no. 3, pp. 386–396. DOI: 10.3103/S1068799820030034Микеладзе В.Г., Титов В.М. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет: cправочник. М.: Машиностроение, 1982. 149 c.Mikeladze, V.G., Titov, V.M. (1982). Basic geometric and aerodynamic parameters of aircraft and missiles: Handbook. Moscow: Mashinostroyeniye. (in Russian)Ярыгина М.В., Попов Ю.И. Формирование весовой формулы складного крыла // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2012. № 2. C. 8–12.Yarygina, M.V., Popov, Yu.I. (2012). Development of the weight formula for a folding wing. Russian Aeronautics, vol. 55, no. 2, pp. 120–126. DOI: 10.3103/ S106879981202002Попов Ю.И., Ярыгина М.В. Методика весового анализа складного крыла самолета палубного базирования [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2011. № 43. 23 с. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=24860 (дата обращения: 01.03.2022).Popov, Yu.I., Yarygina, M.V. (2011). Methodoffolding wing weightanalysis. Trudy MAI, no. 43, 23 p. Available at: https:// trudymai.ru/published.php?ID=24860 (accessed: 01.03.2022). (in Russian)Вейссхаар Т., Комаров В.А., Шахов В.Г. Телескопические крылья: весовая и аэродинамическая эффективность // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2009. № 2. С. 10–18.Weisshaar, T., Komarov, V.A., Shakhov, V.G. (2009). Telescopic wings: weight and aerodynamic efficiency. All-Russian Scientific-Technical Journal "Polyot" ("Flight"), no. 2, pp. 10–18. (in Russian)Тиняков Д.В. Определение углов геометрической крутки местных хорд трапециевидного крыла на основе коэффициента роста индуктивного сопротивления // Авиационнокосмическая техника и технология. 2014. № 2 (109). С. 39–45.Tiniakov, D.V. (2014). The adjusted method of the determination of the angles of geometrical twist of trapezoidal wing based the induced drag growth factor. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya, no. 2 (109), pp. 39–45. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.