Чому Boeing побудував 737 MAX із шевронами двигунів?
Авторство: Shutterstock
Комерційна авіація значно змінилася протягом багатьох років. Якщо озирнутися на перше покоління реактивних літаків, їхня конструкція та силові установки дуже відрізнялися від тих, що ми бачимо сьогодні. Вони справді забезпечували дальність польоту та продуктивність, але були надзвичайно гучними та відображали період, коли конструктори зосереджувалися переважно на забезпеченні тяги, дальності польоту та швидкості, а не на шумі чи впливі на навколишнє середовище.
Сучасні реактивні лайнери розповідають іншу історію. Вони є більш досконалими в усіх відношеннях, і однією з областей, на якій виробники приділяють особливу увагу, є зниження шуму від літаків . Оскільки аеропорти ставали більш завантаженими та розширювалися на навколишні райони, сусідні громади ставали менш толерантними до реву літаків, що злітали.
Регулятори відреагували запровадженням суворих обмежень, яких виробники були змушені дотримуватися. Цей тиск змінив конструкцію літаків та двигунів , що призвело до низки інновацій, спрямованих на зменшення шуму в джерелі. Серед найінноваційніших змін – шеврони – ті зазубрені краї, які можна побачити на задній частині деяких авіаційних двигунів.
Проста відповідь: шум, правила та ефективність
Авторство: Фото: Рудзенка | Shutterstock
Якщо ви уважно розглядали Boeing 737 MAX , то, можливо, помітили ці шеврони. Вони не є декорацією; вони виконують функціональну функцію з багатьма перевагами. Щоб зрозуміти, чому вони існують, варто повернутися до ранніх днів ери реактивних літаків. Перші реактивні двигуни забезпечували потужність, необхідну для комерційних польотів, але також були надзвичайно гучними. Гарячі вихлопні гази виривалися на високій швидкості та стикалися з холоднішим байпасним повітрям та навколишньою атмосферою.
Різниця в температурі та швидкості створювала турбулентність і закручені вихори, які й спричиняли значну частину шуму. Конструктори того часу зосереджувалися на тязі та продуктивності, а не на зменшенні цього реву. Однак з часом громади поблизу аеропортів стали менш толерантними до постійного шуму реактивних літаків, що змусило регуляторів запровадити суворі обмеження.
За часів Boeing 727 та оригінального McDonnell Douglas DC-9 літаки мали відповідати лише стандартам Stage 2. До кінця 1970-х років це змінилося з введенням правил Stage 3, які встановлюють максимальні рівні шуму під час зльоту, заходу на посадку та на узбіччі злітно-посадкової смуги. Сьогодні вимоги ще суворіші; Федеральне управління цивільної авіації (FAA) вимагає, щоб усі нові реактивні літаки та великі турбогвинтові літаки відповідали стандартам Stage 5.
Шеврони як наступний крок у зменшенні шуму
Тож виробникам не залишалося нічого іншого, окрім як шукати нові способи зменшення шуму без збільшення ваги літака. Найбільшим покращенням стали двигуни з високим ступенем двоконтурності. Ці двигуни використовують частину енергії реактивних вихлопних газів для живлення великого вентилятора спереду, який проштовхує набагато більший об'єм повітря з меншою швидкістю, ніж вихлопні гази з гарячого ядра.
Коли це повільніше байпасне повітря змішується зі швидшим струменевим потоком, турбулентність стає менш сильною, а вихори слабшими, що зменшує шум на цілих 30-50%. Але навіть у конструкціях з високим байпасом обмеження шуму продовжували ставати суворішими. Щоб відповідати наступному етапу норм, виробникам знадобилися подальші вдосконалення. Шеврони стали одним із таких рішень.
Ці зазубрені краї в задній частині двигуна допомагають ефективніше контролювати турбулентність, зменшують шум біля джерела, а також дозволяють виробникам зменшити використання товстої ізоляції всередині фюзеляжу. Boeing додав їх до 737 MAX з тих самих причин: щоб утримувати шум у межах норми, підвищувати ефективність та відповідати сучасним екологічним стандартам.
Як шеврони працюють для зменшення шуму двигуна
Авторство: Shutterstock
Ще на початку 2000-х років Boeing співпрацювала з General Electric та NASA для розробки зубчастих шевронних повітроводів. У той час мали набути чинності нові правила FAA Stage 4, і виробникам довелося шукати ефективніші способи зниження шуму під час зльоту та посадки. Дослідження NASA показали, що V-подібна задня кромка може змінити форму повітряного потоку в задній частині двигуна, а випробування підтвердили, що це може знизити рівень шуму без значних аеродинамічних втрат.
Самі шеврони – це пилкоподібні візерунки на задній кромці гондоли або сопла. Вони роблять змішування гарячого вихлопного повітря та холоднішого байпасного повітря менш агресивним. Без них два потоки стикаються з дуже різними швидкостями та температурами, створюючи сильні вихори та високий рівень шуму. З шевронами це змішування розбивається на менші, більш контрольовані вихори, що зменшує турбулентність та знижує загальний шумовий слід.
Це, як пояснив Петтер Горнфельдт, пілот 737 MAX, який також має популярний авіаційний канал на YouTube під назвою Mentour Pilot, знижує шум під час зльоту до шести децибелів , чого достатньо для дотримання суворих обмежень аеропорту. Є також практичні переваги. Оскільки шеврони зменшують шум у джерелі, вони усувають потребу в такій же щільній ізоляції всередині фюзеляжу.
Менша вага означає меншу витрату палива, підвищену ефективність та менший вплив на навколишнє середовище. Для Boeing ці переваги зробили шеврони правильним вибором для 737 MAX: конструкція забезпечувала відповідність літака суворішим нормам щодо шуму, а також підтримувала цільові показники ефективності, важливі для авіакомпаній.
Експерти визнають, що шеврони були пов'язані з компромісами
Авторство: Shutterstock
Дійсно, ці шеврони дали американському виробнику літаків явні переваги у зменшенні шуму та дотриманні суворіших стандартів, але вони також принесли певні труднощі. Розробка конструкції зайняла роки спроб і помилок, і цей процес виявив кілька компромісів, які експерти відкрито визнали. Під час етапу розробки інженери іноді виявляли, що певні налаштування насправді погіршували проблему.
Дослідник NASA Джеймс Бріджес пізніше визнав, що команда « не мала передової діагностики, інструментів та аналітичних даних, щоб зрозуміти, що саме ми зробили, щоб погіршити ситуацію, а не покращити. Іноді суть ідеї могла спрацювати, але спосіб її реалізації зрештою спричиняв більше шуму ». Крім того, ще однією проблемою була довговічність. Шеврони піддаються впливу високих температур і постійної вібрації, а ранні версії страждали від розтріскування та втоми.
Щоб краще зрозуміти ці ефекти, Boeing та Rolls-Royce запустили програму Quiet Technology Demonstrator, в рамках якої літак 777-300ER було оснащено понад 100 мікрофонами, а ще 200 розмістили на землі для збору даних про різні пакети шумозаглушення. Але загалом найбільшою проблемою для виробника є те, як шеврони впливають на продуктивність. Вони ефективно зменшують шум, але ті ж вихори, які згладжують потік вихлопних газів, також додають опір і зменшують тягу.
У своєму відео на YouTube Гернфельдт зазначив, що шеврони зменшили тягу двигуна приблизно на 0,5%. На папері це звучить незначно, проте в галузі, де рентабельність така мала, навіть піввідсотка може мати значення. Вплив найбільше відчувається на літаках, які щодня виконують кілька короткомагістральних рейсів, таких як 737 MAX, оскільки двигуни проводять більше часу з високою тягою під час зльоту та набору висоти.
Які літаки мають шеврони?
Авторство: Shutterstock
Навіть з урахуванням цих компромісів, шеврони запропонували Boeing очевидні переваги, і компанія широко їх впровадила. Кожен варіант 737 MAX має шеврони на своїх двигунах CFM LEAP-1B, і всі Boeing 787 Dreamliner оснащені ними, незалежно від того, чи оснащені вони двигунами Rolls-Royce Trent 1000, чи GE GEnx. Крім того, 747-8 також має їх, і на відміну від інших моделей, він використовує шеврони як на гондолах, так і на соплах.
Фактично, на 787 ці шеврони навіть дозволили американському виробнику літаків позбутися близько 600 фунтів (272 кг) ізоляції боковини, що заощадило вагу та підвищило ефективність. У поєднанні з передовою аеродинамікою літака це дало Dreamliner значну перевагу як один з найбільш паливоекономічних широкофюзеляжних літаків свого покоління. Дані ch-aviation показали, що у 2025 році понад 3000 літаків Boeing, що літають сьогодні, оснащені шевронами.
|
389 |
|
677 |
|
128 |
|
9 |
|
3 |
|
1454 |
|
272 |
|
34 |
|
107 |
|
9 |
Примітно, що Boeing не переніс шеврони на свою найновішу програму далекомагістральних перевезень, 777X . Натомість компанія співпрацювала з GE над розробкою GE9X із системою сопел з низьким опором. Така конструкція забезпечує еквівалентне зниження шуму без зниження тяги, пов'язаного з шевронами, а також приблизно на 20% легша за старіші сопла.
У 2014 році Террі Біжхолд, головний інженер проекту програми 777X, розповів Aviation Week : « Ми замінюємо шеврони новою технологією конструкції сопел. Вона забезпечує еквівалентний рівень шуму для салону та пасажирів, але легша за вагою та має менший опір » .
Тим часом Airbus ніколи не використовував шеврони на своїх літаках. Конструкція Boeing була запатентована, що перешкоджало конкурентам використовувати її до закінчення терміну дії патенту у 2021 році. Навіть після цього європейський виробник літаків не виявив жодного інтересу. Його інженери дійшли висновку, що компроміси не варті того. Головний інженер Airbus A350, Дугі Хантер, розповів FlightGlobal : « Ми не отримали переваги в шумі від шевронів, і існує певний штраф за витрату палива, тому ми їх не застосовували » .
Чи є інші способи зменшення шуму авіаційних двигунів?
Авторство: Shutterstock
У 1990-х роках NASA провело серію комп'ютерних симуляцій, в яких досліджувало різні методи зниження шуму двигуна, і пізніше дійшло висновку, що зубчасті краї на гондолі теоретично є найефективнішим доповненням до конструкції. Але виробники та дослідники досліджували кілька інших методів.
Один із перевірених методів – це конструкція сопла. Наприклад, двигун General Electric GE9X на Boeing 777X досягає зниження шуму без погіршення тяги, пов'язаного з шевронами. Двигуни з високим ступенем двухконтурності – ще один варіант. Переміщуючи більший об'єм повітря з меншою швидкістю, вони зменшують турбулентність, яка створює значну частину шуму. Крім того, широко використовуються акустичні прокладки – звукопоглинальні матеріали, розміщені всередині гондоли для поглинання частини шуму.
Майбутній 777X також має це; літак має стільникоподібну обшивку, що складається з тисяч маленьких отворів, які поглинають шум. Крім того, дослідники працюють над легшими та ефективнішими матеріалами. В Університеті Бата команда розробила аерогель з оксиду графену та полівінілового спирту, який може значно зменшити шум без збільшення ваги.
Він важить лише 4,6 фунта (2,1 кг) на кубічний метр, що є найлегшою звукоізоляцією з коли-небудь створених. Провідний дослідник Мікеле Мео пояснює : « Нам вдалося отримати таку надзвичайно низьку щільність, використовуючи рідку комбінацію оксиду графену та полімеру, які формуються зі збитих повітряних бульбашок та лиються методом заморожування… Він твердий, але містить багато повітря, тому немає жодних погіршень ваги чи ефективності для досягнення значних покращень комфорту та шуму ». Випробування показують, що це може знизити шум двигуна до 80%, або на 16 децибел.
Шеврони принесли переваги, але не без компромісів
Авторство: Shutterstock
Можливо, у найближчі роки ми побачимо ще більше інновацій, оскільки технології продовжують розвиватися. Прогрес, досягнутий з часів першого покоління реактивних лайнерів, показує, наскільки еволюціонували конструкція літаків, силові установки та експлуатаційні пріоритети. Сьогодні виробники працюють над підвищенням ефективності, продуктивності та екологічної відповідності способами, про які попередні конструктори навіть не думали.
Зниження шуму стало ключовою частиною цього зрушення. Громади поблизу аеропортів вимагали тихіших літаків, і регулятори відреагували на це суворими стандартами, які змінили спосіб виготовлення двигунів. Серед рішень, що з'явилися, були шеврони, які пропонували практичний спосіб зменшення шуму в джерелі, а також дозволяли знизити вагу, що підвищувало ефективність.
Саме цей баланс переваг є причиною, чому Boeing вирішив додати їх до 737 MAX, після їх попереднього використання на 787 та 747-8. Водночас, компроміси, включаючи аеродинамічні обмеження , пояснюють, чому вони відсутні на 777X, який натомість спирається на новіші технології сопел та облицювання.
Джерело інформації: Simple Flying