Концептуальная оценка топливной эффективности пассажирских самолетов c переходом на композитные крылья

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.

1. Кретов 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.

2. Антуфьев 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.

3. 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.

4. Raymer D.P. Aircraft design: A conceptual approach. 6th ed. Publisher: American Institute of Aeronautics & Ast, 2018. 1062 p.

5. Torenbeek E. Advanced aircraft design: Conceptual design, analysis, and optimization of subsonic civil airplanes. Chichester: John Wiley and Sons, 2013. 440 p.

6. 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.

7. 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).

8. Бюшгенс Г.С. и др. Аэродинамика и динамика полета магистральных пассажирских самолетов. Москва-Пекин: Издательский отдел ЦАГИ – Авиа-Издательство КНР, 1995. 772 с.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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-11-2020-0256

13. Дракин 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.

14. Политковский В.И., Бадягин А.А. О коэффициенте увеличения стартовой массы ЛА // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1966. № 1. C. 161–164.

15. Гоголин В.П. Определение коэффициента роста изменений взлетного веса при реализации изменений веса конструкции // Труды КАИ. 1973. Вып. 160. С. 11–14.

16. Гоголин В.П. К задаче разрешения противоречий между весом и сопротивлением частей самолета // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 1974. № 1. С. 13–16.

17. Егер С.М., Мишин В.Ф., Лисейцев Н.К. и др. Проектирование самолетов: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. 648 с.

18. Kundu A.K. Aircraft design. New York: Cambridge University Press, 2010. 648 p. DOI: 10.1017/CBO9780511844652

19. Дмитриев В.Г. О создании ближнесреднего магистрального самолета нового поколения // Полет. Общероссийский научнотехнический журнал. 2012. № 7. С. 3–12.

20. Green J.E. Greener by Design – the Technology Challenge // The Aeronautical Journal. 2002. Vol. 106, no. 1056. Pp.57–113. DOI: 10.1017/S0001924000095993

21. Чернышев С.Л. Новый этап применения композиционных материалов в авиастроении // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2013. № 1. С. 3–10.

22. 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.

23. Комаров В.А. Весовой анализ авиационных конструкций: теоретические основы // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2000. № 1. C. 31–39.

24. Гуменюк А.В., Комаров В.А. Критерий силового совершенства конструкции крыльев // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2003. № 6. C. 24–30.

25. Комаров В.А., Лукьянов О.Е. Многодисциплинарная оптимизация параметров крыла грузового самолета // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 3. С. 3–15.

26. 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.

27. Микеладзе В.Г., Титов В.М. Основные геометрические и аэродинамические характеристики самолетов и ракет: cправочник. М.: Машиностроение, 1982. 149 c.

28. Ярыгина М.В., Попов Ю.И. Формирование весовой формулы складного крыла // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2012. № 2. C. 8–12.

29. Попов 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).

30. Вейссхаар Т., Комаров В.А., Шахов В.Г. Телескопические крылья: весовая и аэродинамическая эффективность // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2009. № 2. С. 10–18.

31. 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.