Чому Boeing 737 MAX має таку шалену швидкість набору висоти

Авторство: Shutterstock

Boeing 737 MAX був створений як найновіша та найкраща версія найпопулярнішого реактивного літака в довгій та багатогранній історії Boeing. Літак містить безліч технологій 21-го століття, які випереджають його попередників на стрімкі кроки. Хоча його початковий введення в експлуатацію було затьмарено трагедією через помилки та розробку програмного забезпечення, інженерні рішення, що впровадили аеродинаміку, силові установки та інші технології, зробили його одним з найуспішніших вузькофюзеляжних літаків в історії.

Щоб конкурувати з паливоекономічним Airbus A320neo, Boeing встановив на існуючий планер 737 більші та паливоекономічніші двигуни. Оскільки 737 розташований низько до землі, нові двигуни довелося розмістити вище та далі попереду на крилах, що змінило аеродинаміку літака.

Ця зміна конструкції призвела до небажаної тенденції закидання носа під великими кутами атаки, особливо на низьких швидкостях і високій тязі, що потенційно могло призвести до аеродинамічного зриву. Хоча літак все ще був стабільним з інженерної точки зору, він не відповідав бажаним якостям керованості та «відчуттям» попередніх моделей 737, що було вимогою для авіакомпаній використовувати ті ж самі кваліфікації пілотів та уникати дорогого додаткового навчання на симуляторі.

Розміщення двигуна: головний фактор?

Літак 737 MAX сертифікований як стабільний за нормальних умов польоту з працюючою системою покращення характеристик маневрування (MCAS). Гондоли двигунів, розташовані в передній частині та під великими кутами атаки, створюють підйомну силу перед крилами, що ще більше піднімає ніс. Згідно з Форбсом, професор аеронавтики Массачусетського технологічного інституту Р. Джон Хансман пояснює :

«При великих кутах атаки гондоли створюють аеродинамічну підйомну силу. Оскільки двигуни розташовані далі попереду, підйомна сила прагне підняти ніс, що призводить до подальшого збільшення кута атаки. Це посилює себе та призводить до тенденції до пікірування, яка, якщо її не виправити, може призвести до зриву».

Це називається нестабільним або дивергентним станом. Слід зазначити, що багато високопродуктивних літаків мають таку тенденцію, але це неприйнятно для літаків транспортної категорії, де існує вимога, щоб літак був стабільним і повертався до стаціонарного стану, якщо до органів керування не прикладаються жодні сили.

Система MCAS була спеціально розроблена для маскування цієї властивої їй нестабільності та забезпечення відчуття та характеристик літака як у старіших, природно стабільних моделей 737 під час сертифікації, що дозволило уникнути додаткових вимог до навчання пілотів. Вона також була розроблена для автоматичного опускання носа літака, коли він виявляв великий кут атаки (AoA).

Додаткові крила при високому AoA

Авторство: Shutterstock

Двигуни на 737 MAX встановлені далі попереду та вище на крилі порівняно з попередньою моделлю 737NG, щоб забезпечити достатній дорожній просвіт для вентиляторів більшого діаметра. Переднє розташування та великий розмір гондол двигунів 737 MAX створюють момент пікірування в зоні вильоту завдяки аеродинамічному ефекту, коли сама гондола генерує підйомну силу попереду центру ваги літака.

Підйомна сила від гондоли піднімає ніс літака вгору, що ще більше збільшує кут атаки. Це створює ще більшу підйомну силу від гондоли, посилюючи початковий висхідний тангаж. Якщо це не виправити, це продовжуватиме збільшувати кут атаки, що потенційно може призвести до аеродинамічного зриву.

При куті атаки під час крейсерського польоту цей ефект мінімальний. При великому куті атаки, наприклад, під час зльоту, крутого повороту або під час наближення до звалювання, повітря, що обтікає велику трубчасту гондолу двигуна та її пілон, поводиться як крило. Потік повітря вдаряється об нижню частину великої гондоли, створюючи спрямовану вгору силу або підйомну силу. Таким чином, вона фактично стає крилом у цей момент.

Оскільки підйомна сила, що створюється гондолами двигунів, виникає попереду центру ваги літака, вона діє як сила на одному кінці гойдалки, піднімаючи ніс вгору. Така характеристика керованості є неприйнятною для комерційних транспортних літаків, які згідно з правилами повинні мати природну стійкість або тенденцію до повернення до стаціонарного стану.

Достатньо потужності для будь-якої місії

Авторство: Shutterstock

Boeing 737 MAX має дуже конкурентну швидкопідйомність на ринку вузькофюзеляжних комерційних літаків, і загалом вважається, що він має невелику перевагу в початкових характеристиках набору висоти порівняно зі своїм основним конкурентом, сімейством Airbus A320neo. Основною причиною покращених характеристик 737 MAX, включаючи швидкопідйомність, є використання нових двигунів CFM LEAP-1B .

Нові двигуни також набагато економічніші з точки зору споживання палива, з більшими вентиляторами, розробленими для обтікання більшої кількості повітря, що покращує загальну продуктивність, включаючи спалювання палива та ефективність тяги. Ця ефективність призводить до кращої продуктивності підйому та дальності польоту. Характеристики 737 MAX, особливо його швидкопідйомність, роблять його дуже надійним в аеропортах з коротшими злітно-посадковими смугами або в аеропортах, розташованих на великих висотах, або в жаркому кліматі з більшим пасажирським та вантажним навантаженням.

Нові двигуни мають більший діаметр вентилятора – 69,4 дюйма порівняно з 61 дюймом у 737 Next Generation, з вищим коефіцієнтом двухконтурності 9:1 у порівнянні з 5,1:1 у NG. 737 MAX також має на 15-20% вищу початкову швидкість набору висоти, ніж сімейство 737NG. Max швидше піднімається вгору, що підвищує ефективність польоту та дозволяє виконувати більш надійні операції в складних умовах аеропорту.

Неймовірно висока ефективність круїзу

737 MAX популярний завдяки своїй здатності дуже швидко набирати висоту польоту, що економить авіакомпаніям гроші на паливі та означає, що пасажири можуть швидше розслабитися під час польоту. Він пропонує переконливий баланс вантажопідйомності та дальності польоту для багатьох профілів польотів. У ньому запроваджено нові передові технології розділених кінчиків крил , які ще більше зменшують опір та збільшують підйомну силу, сприяючи загальним покращенням характеристик на всіх етапах польоту, включаючи набір висоти.

Більшість погодних явищ, що викликають турбулентність, таких як шторми та хмарні шари, відбуваються на менших висотах, які зазвичай знаходяться нижче 30 000 футів. Краща швидкість набору висоти 737 MAX дозволяє йому швидше проходити крізь ці турбулентні шари та швидше досягати стабільного повітря у верхніх шарах атмосфери, або «ідеальної точки».

Найбільшим покращенням комфорту, пов'язаним з висотою, є здатність уникати турбулентності. Усе сімейство 737NG та MAX сертифіковане для максимальної висоти польоту 41 000 футів, що трохи вище за типову висоту польоту сімейства A320, яка становить близько 39 800 футів. Ця вища стеля забезпечує більшу експлуатаційну гнучкість у пошуку оптимальної крейсерської висоти, щоб уникнути негоди або сильного зустрічного вітру.

Потягуючи газ на повній швидкості

Завдяки новим двигунам та вдосконаленим крилам, 737 MAX досягає приблизно на 14-20% кращої паливної ефективності, ніж його попередник. Підвищена ефективність призводить до збільшеної дальності польоту. Наприклад, 737 MAX 8 має дальність польоту приблизно 3550 морських миль (6570 км), що на понад 500 морських миль більше порівняно з типовою дальністю польоту 737-800, яка становить близько 3010 морських миль.

Специфікації

Боїнг 737 МАКС 8

Боїнг 737 МАКС 9

Місця (двокласні)

Максимальна кількість місць

Дальність: морські милі (кілометри)

Довжина: метри (фути-дюйми)

Розмах крил: метри (фути-дюйми)

Двигун

162 – 178	178 – 193
210	220
3500 (6480)	3300 (6110)
39,52 (129 футів 8 дюймів)	42,16 (138 футів 4 дюйми)
35,9 (117 футів 10 дюймів)	35,9 (117 футів 10 дюймів)
LEAP-1B від CFM International	"

Можливості дальності польоту дозволяють авіакомпаніям літати прямими маршрутами, що може дещо скоротити загальний час польоту. А завдяки досягненню стабільної високої крейсерської висоти та тривалішому перебуванню на ній на маршрутах з більшою дальністю польоту, літак підтримує стабільну герметичну атмосферу в салоні протягом більшої частини часу польоту. Загальна ефективність допомагає оптимізувати весь профіль польоту для плавності та швидкості.

Трагічна історія MCAS

Компанія Boeing не розкривала пілотам інформацію про існування системи MCAS у посібниках з льотної льотної експлуатації та не вимагала навчання на симуляторі щодо потенційних несправностей системи, припускаючи, що пілоти можуть впоратися з цією подією за допомогою існуючих процедур балансування на виліт. Система MCAS покладалася на вхідні дані лише від одного датчика кута атаки. Якщо цей датчик виходив з ладу та надавав помилкові дані, система неодноразово та агресивно змушувала ніс літака опускатися.

Початкова конструкція MCAS мала значні повноваження щодо переміщення горизонтального стабілізатора та могла багаторазово активуватися, що ускладнювало для пілотів протидію помилковим вводам системи, навіть за допомогою ручного керування. Розслідування виявили слабкий нагляд з боку FAA, що дозволило інженерам Boeing виконувати значну частину сертифікаційної роботи та не ретельно вивчило зміни до MCAS.

Ці фактори разом призвели до трагічних катастроф рейсу 610 авіакомпанії Lion Air у жовтні 2018 року та рейсу 302 авіакомпанії Ethiopian Airlines у березні 2019 року, внаслідок яких загинуло 346 людей і було призупинено експлуатацію флоту 737 MAX у всьому світі. Затримки у виробництві після поновлення сертифікату безпеки дозволили Airbus перевершити Boeing зі своїм сімейством A320, претендуючи на титул найбільш виробленого реактивного лайнера в історії. Однак гонка ще далеко не закінчена, і ці дві моделі й донині йдуть пліч-о-пліч.