Як сучасні конструкції крил літаків економлять гроші авіакомпаній

Авторство: Shutterstock, Simple Flying

Крила є життєво важливою частиною аеродинамічних характеристик літака. Їхня конструкція змінювалася протягом багатьох років і може суттєво змінитися в майбутньому, якщо крила з перемир'ям або змішані корпуси крил виявляться успішними. У цій статті розглядатимуться крила дозвукових комерційних літаків, але не надзвукових літаків, таких як Boom Overture з його дельтаподібним крилом. Найважливіший спосіб, яким крила економлять кошти авіакомпаній, полягає у зменшенні опору та, отже, витрати палива.

Однак, є й інші фактори, такі як вартість матеріалів, вага крил, вимоги до технічного обслуговування крил та їх довговічність. Ранні проблеми з тріщинами у стратегічному транспортному літаку C-5 Galaxy компанії Lockheed є прикладом того, як погано спроектовані крила можуть збільшити вартість літака. Давайте розглянемо деякі способи, за допомогою яких проектування сучасних крил може допомогти заощадити кошти авіакомпаній, підвищуючи паливну ефективність літака.

Збільшення використання передових матеріалів для зменшення ваги

Авторство: Shutterstock

Один з ключових способів покращення льотних характеристик та ефективності літака – це зменшення його ваги шляхом збільшення використання легких передових матеріалів. Хоча Airbus A380 був великим літаком, він не був особливо новим, оскільки більшість літаків досі виготовлялися з алюмінію. Крила старих комерційних літаків зазвичай виготовлялися з алюмінію.

У той час як A380 приблизно на 25% складається з сучасних матеріалів, у чистому Airbus A350 цей показник зріс приблизно до 70%, а у Boeing 787 Dreamliner – приблизно до подібного рівня. Honeywell зазначає, що виробники зараз частіше використовують вуглецеві композити в крилах, оскільки вони легші за алюмінієві сплави. Це може скоротити витрату палива на 5% порівняно з металевими крилами.

Майбутній Boeing 777X є еволюційним оновленням старішого Boeing 777-300ER, і як такий, він має певні конструктивні компроміси порівняно з літаком «чистого аркуша», таким як 787. Лише близько 30% літака виготовлено з сучасних матеріалів, хоча це особливо стосується крил , які тепер виготовлені з легших та аеродинамічніших композитних крил.

Збільшений розмах крил

Авторство: Shutterstock

З часом крила літаків стали довшими. Airbus переробив крило Airbus A330/A340 для A330neo. Крило було подовжено з 197,5 футів до 210 футів, що робить його майже таким же довгим, як розмах крил A350, який становить 212,4 фута. Boeing 777-300ER має розмах крил 212,7 футів, а на новому Boeing 777X він буде подовжений до 235,4 футів. Збільшений розмах крил допомагає покращити аеродинамічні характеристики літака.

За оцінками, нові, довші, легші та краще оптимізовані крила A330neo пропонують покращення витрати палива на 4% , але основною проблемою є правила ICAO Code E та Code F, які обмежують розмах крил літаків до 213 футів та 262 футів відповідно. Сучасні широкофюзеляжні двореактивні літаки мають крила, що відповідають вимогам Code E, тоді як Airbus A380 максимально відповідає вимогам Code F. Boeing 777X обходить правила Code E, впроваджуючи складні законцівки крил, що дозволяє їм бути на 11 футів довшими.

Виберіть літак

Розмах крил (за даними Boeing та Airbus )

Боїнг 787

Аеробус А330

Аеробус A330neo

Аеробус А350

Боїнг 777X

Аеробус А380

197 футів

197,5 футів

210 футів

212,4 фути

235,4 фути

262,5 футів

Розмах крил 777X становить 235 футів, але це має деякі недоліки. Механізм складання додає ваги, а крило потребує посилення, що, мабуть, додає ще більше ваги. Мабуть, найголовніше, що складні законцівки крил – це нова конструкція, і FAA може вимагати додаткових випробувань, щоб бути впевненим у цій технології. Випуск Boeing 777X було відкладено до 2027 року, і незрозуміло, чи пов'язано це з законцівками крил, чи з іншими міркуваннями FAA. Airbus також розглядає можливість використання складних крил для своїх майбутніх літаків.

Пристрої на кінчиках крил

Авторство: Shutterstock

Одним із помітних досягнень у конструкції крил стало впровадження законцівок крил. Крила відчувають так званий «ефект кінчика» або «кінцевий ефект», коли відбувається постійний розлив повітря вгору навколо кінчика крила. Це створює опір, але цьому можна протидіяти, збільшуючи висоту підйомної системи шляхом додавання вертикального стабілізатора або крила. Окрім зменшення витрати палива, законцівки крил можуть збільшити дальність польоту, зменшити довжину злітного поля, зменшити шум у польоті та збільшити крейсерську швидкість.

За оцінками, пристрої на законцовках крил підвищують паливну ефективність літаків на 4-6%, а першим комерційним авіалайнером, який впровадив такі пристрої, був Airbus A310-300 у 1985 році. Існує кілька типів пристроїв на законцовках крил, включаючи огорожі на законцовках крил, змішані законцовки крил, скосені законцовки крил та розділені законцовки крил. Масивний A380 має огорожі на законцовках крил, які зазвичай зустрічаються на менших крилах з кількох причин , однією з яких було дотримання правил Кодексу F.

Типи пристроїв на кінці крил

Виберіть типи літаків

Огорожі з кінчиками крил

Змішані крильця

Зігнуті кінчики крил

Розділені крильця

A320ceo, A300-600, A380

A320neo, A330neo, A350

Боїнг 777/777X, 787, 747-8

Боїнг 737 MAX

Airbus надає перевагу огорожам на законцовках крил та змішаним вінглетам, тоді як Boeing надає перевагу нахиленим законцовкам крил та розділеним вінглетам. Embraer E-Jet E2 також має нахилені законцовки крил, і кожна конструкція має свій набір переваг і недоліків. Деякі краще забезпечують оптимальні переваги на крейсерському польоті, тоді як інші краще оптимізовані для зльоту та набору висоти.

Загальні інженерні вдосконалення

Авторство: Shutterstock

Окрім вищезазначених факторів, крила зазнали різних інших удосконалень із розвитком технологій. Наприклад, під час проектування нового крила для Airbus A330neo, Airbus зміг візуалізувати, моделювати та оптимізувати нові крила за допомогою 3D-обчислювальної гідродинаміки. Нові крила, встановлені на A330neo, також гнучкіші, ніж старі крила, що дозволяє їм крутитися та згинатися під час польоту.

Airbus зміг спроектувати крило A330neo зі співвідношенням сторін 11, що є найвищим показником серед усіх комерційних літаків, що виробляються сьогодні. Airbus також розробив ці крила для кращої інтеграції двигуна/гондоли/пілона. Варто зазначити, що старі двомоторні A330 та їх чотиримоторні A340 мали спільне крило, за винятком інженерних змін для встановлення одного або двох двигунів.

Це означало, що крило як на A330, так і на A340 було неоптимальним для обох. На противагу цьому, A330neo має крило, оптимізоване для двореактивного двигуна. Крила також оптимізовані для того, що, як очікується, буде найпоширенішим варіантом у сімействі. Наприклад, крило Boeing 787 є більш оптимальним для варіанту 787-9. Це проблема для Airbus A380-800, крило якого було оптимізовано для майбутнього, запланованого, розширеного A380-900, який так і не з'явився .

Змішаний корпус крила та крила з фермовими кріпленнями

Фото: JetZero

Один радикальний спосіб покращити характеристики крила — поєднати його з корпусом літака за допомогою змішаної конструкції крила-фюзеляжу. Сучасні комерційні літаки мають традиційну трубчасту конструкцію, але це може змінитися. Стартап-компанія JetZero будує реактивний літак зі змішаним крилом-фюзеляжем для ВПС США у партнерстві з Northrop Grumman і планує випустити версію літака як комерційний пасажирський літак .

JetZero стверджує, що його майбутній літак Z4 з повнорозмірним крилом, який може похвалитися низьким опором та малою вагою, використовуватиме до 50% менше палива, ніж існуючі комерційні реактивні літаки. Літак розробляється як літак середнього розміру, і очікується, що він матиме дальність польоту 5000 морських миль. Час покаже, чи виявиться конструкція успішною, чи навіть революційною. Наразі літак залишається на стадії проектування, хоча United Airlines, Alaska Airlines та Delta Air Lines інвестували в цей реактивний літак.

Тим часом NASA працює над розробкою трансзвукових крил з фермовими кріпленнями. Ці крила створюють менший опір порівняно із сучасними крилами і, отже, дозволяють літаку спалювати менше палива. Однак одним із недоліків є те, що така конструкція може зробити крило більш схильним до обмерзання. NASA зараз працює над вирішенням проблеми обмерзання та розробкою системи захисту від обмерзання .

Сучасні крила отримують вигоду від багатьох еволюційних удосконалень

Авторство: Shutterstock

Крила значно змінилися протягом багатьох років. Аеродинамічні характеристики покращилися завдяки кращій оптимізації форми крила, довжини крила, ваги крила, законцовок крила тощо. Залишається незрозумілим, чи принесе майбутнє подальші еволюційні вдосконалення, чи відбудеться суттєве покращення поточної конструкції, таке як крила з фермовими кріпленнями. Оскільки змінюються двигуни, розроблені для літаків, то й крило потребує оновлення, щоб нести ці двигуни.

Як варіант, галузь може звернути в новому напрямку з літаками зі змішаним крилом. Також незрозуміло, чи окупляться очевидні вдосконалення, такі як складні законцівки крил Boeing 777X . Хоча конструкція пропонує покращені аеродинамічні покращення, вона також збільшує складність крила, що потенційно збільшує витрати на обслуговування, і це пов'язано зі збільшенням ваги. Це не перший випадок, коли Boeing розглядає можливість складних крил, але раніше компанія відкидала цю ідею як занадто складну та ризиковану.

Конструкція може сприяти затримці сертифікації цього типу, і якщо Boeing не зробить її правильно, це може призвести до збільшення часу простою літака після введення в експлуатацію. Якщо Boeing все ж таки зробить своє нове крило правильно, це може допомогти авіакомпаніям заощадити на авіаційному паливі та забезпечити значну перевагу над конкурентами Airbus A350. Крило літака може суттєво впливати на те, які варіанти сімейства літаків є більш популярними, ніж інші.