Подбор ДМС для начального этапа проектирования ГТД

Оценив авиационный рынок самолетов, мы выяснили, какие дальнемагистральные лайнеры используются на данный момент. Их основные параметры сведены в таблицу 1 (в дальнейшем они будут использоваться для предварительных расчетов), с указанием количества модификаций.

Таблица 1-Эксплуатируемые дальнемагистральные самолеты (ДМС)

Название самолета	Разраб.	Год эксплуатации	Взлет. масса, кг	Дальн. полета, км	Кол-во пасса-жиров	Часовой расход топлива, кг\ч	Кр. скорость полета, км\ч
Boeing 777  (9 мод.)	The Boeing Company	М1 с 1993 М9 с 2013	340000	14236	360	6900	905
Ил-96 (2 мод.)	ОКБ Ильюшина	М1 с 1993 М2 с 2009	260000	9000	368	7650	870
Airbus А-340  (2 мод.)	Airbus	М1 с1993 М2 с 2002	273000	15185	407	7550	880
Boeing 747 (3 мод.)	The Boeing Company	М1с 1969 М3с 2011	398392	12940	450	10633	977
Gulfstream G550	Gulfstream	2003	41277	12500	19	1500	850
Bombardier Global Express	Bombardier Aerospace	1995	41957	9360	19	-	904
Falcon 7X	Dassault Aviation	2005	31752	11020	19	-	904
Airbus А380	Airbus	2007	560000	15200	525	12500	900
CR929 (3 мод.)	ПАО «ОАК» /  Comac	2027 (план)	245000	12000	277	-	908

Продолжение таблицы 1

Boeing 787 (3 мод.)	The Boeing Company	М1 с 2011 М3 с 2018	254011	13223	287	15900	902
Airbus А350 -900	Airbus	2014	268000	15000	315-440	5800	903

В результате исследования рынка ДМС сделан вывод, что наиболее новейшей является модель самолёта CR929, а самой поздней из эксплуатируемых Boeing 747-100. По взлетной массе первое место занимает Airbus А380, а последнее Falcon 7X. Проводя анализ дальности полета, можно сделать вывод, что для полета на самые дальние расстояния лучше выбирать Airbus А380, а летательным аппаратом, более близким к среднемагистральным полетам оказался Ил-96. Самое большое число пассажиров может принять Airbus А380, плюсы которого мы уже отмечали, а наименьшее число мест в Gulfstream G550, Falcon 7X и Gulfstream G550. Сравнение ЛА по часовому расходу достаточно затруднительно, так как для некоторых самолетов эти данные не находятся в открытом доступе. Критическая скорость полета наибольшая у Boeing 777, что хорошо, а наименьшая у Gulfstream G550.

Однако, данные параметры менее важны для данной работы. Поэтому следующим этапом работы является рассмотрение количества необходимых двигателей для самолета. Долгое время на конструкцию авиалайнеров оказывали влияние мировые законодательные ограничения, согласно которым двухмоторные самолеты не могли прокладывать маршрут на удалении более 1 часа крейсерского полета от близлежащего подходящего для посадки аэропорта. По этой причине все дальнемагистральные самолеты, совершающие полеты над океанами, конструировались с тремя и четырьмя двигателями. Использование на самолете большего количества двигателей не означало, что будет потребляться огромное количество топлива. Под этим подразумевалось, что последствия отказа двигателей будут не столь катастрофичны, а что шанс взлететь, при отказе силовых агрегатов, становится выше.

Усилиями фирмы Boeing по продвижению своей двухмоторной модели Boeing 767 в середине 80-х были введены нормы ETOPS [5], благодаря которым двухмоторные самолеты могли удаляться от ближайших аэропортов на 90, 120, 180 и более минут. Это позволило производителям разрабатывать крупные двухмоторные дальнемагистральные самолеты такие как: Boeing 777 и Airbus A330, которые по причине своей экономичности стали повсеместно вытеснять самолеты с количеством двигателей более двух [6]. По заявлению Boeing: «расход топлива, аэродинамическое сопротивление и вес силовой установки самолета с двумя мощными двигателями значительно меньше, чем у такого же самолета с тремя или четырьмя двигателями поменьше.»

Вариант с использованием одного двигателя небезопасен, так как иногда происхо-дит отказ во время полета, а современный авиалайнер должен продолжать полет при данной нештатной ситуации (чего он сделать не может при наличии лишь одного силового агрегата).

Наличие трех двигателей в авиалайнере также крайне нежелательно, они располагаются сзади, что уменьшает шум в салоне и разворачивающий момент при отказе двигателя, но создает проблемы с «затенением» стабилизатора и двигателей на больших углах атаки и с задней центровкой, что приводит первоначально к помпажу и отказу боковых двигателей, затем отказу среднего, и к резкому уменьшению эффективности руля высоты (самолёт попадает в режим глубокого сваливания и далее — плоского штопора, из которого без специального оборудования не выводится) [7].

Поэтому на практике (и в данной работе) наиболее благоприятным вариантом будет самолет с двумя ГТД.

Также нами был рассмотрен не только классический вариант установки двигателя под крылом на пилонах, но и расположение авиаагрегата в хвостовой части или над крылом.

При расположении авиаагрегата над крылом происходит эффект Коанда, который должен приводить к приросту подъемной силы от обдува крыла двигателями, но на незначительную величину (около 5%), при этом если тяжелые ГТД будут на фюзеляже, сила притяжения будет стараться как бы "сложить" самолет, давая большую нагрузку на планер. Именно поэтому данная схема используется крайне редко.

Большее распространение получили самолеты с двигателями в хвостовой части. В этом случае крыло можно сделать более тонким и аэродинамически более совершенным, а при отказе двигателя будет меньшее радиальное смещение. Однако, в данной конфигурации задняя часть перетяжелена, что ограничивает размеры и число двигателей — в сложных случаях приходится предусматривать хвостовую опору, а самолёт чувствителен к распределению нагрузки. А самым большим недостатком является затрудненный путь к топливному баку, который располагается в крыле.

Именно поэтому самым оптимальным на данный момент вариантом расположения являются самолеты с авиаагрегатами под фюзеляжем. В этом случае получается более простая и легкая система подачи топлива и проще регулировать центр тяжести самолета в полете, так как масса ГТД находится практически в центре. Двигатели под крыльями работают эффективнее, поскольку находятся в "невозмущенном потоке" - вне завихрений воздуха, которые образуются в полете возле фюзеляжа. Во время полета самолет "опирается" на воздух целиком, и крыльями, и фюзеляжем, и хвостовым оперением, а чем равномернее будет распределена нагрузка по всей площади, тем лучше для всех узлов и сочленений. Исходя из этого выбираем эту оптимальную схему установки.

Составим таблицу с основными двигателями, эксплуатируемыми на ДМС в настоящее время для самых востребованных, а также перспективных ЛА в настоящее время. Для удобства параметры были заменены следующими символами n-число двигателей, - суммарная степень повышения давления, -тяга взлетная/крейсерская, - расход воздуха, m- степень двухконтурности, l-длинна, d- диаметр (таблица 2).

Таблица 2 - Характеристики двигателей

Название самолета	Двигатель	n		, кН	, кН	, кг/c	m	l/d,мм
Boeing 777 (9 мод.)	GE90-115B	2	42	514	77.9	1379	8,14	7290/ 3404
	PW 4098	2	38,6	436	-	-	6,3	4570\ 3500
Ил-96 (2мод.)	ПС-90А	4	35,5	156,9	34,3	504	4,5	4964\ 1900
Airbus А-340 (2 мод.)	CFM56-5C	4	37,4	139 -151	34.8	465	6,6	2616\ 1730
	RR Trent 500	4	35	275,3	-	-	7,6	46890\ 2470
Boeing 747 (3 мод.)	Pratt & Whitney JT9D-3А	4	26,7	203,73	-	-	-	3260\ 2340
	PW 4062 GE CF6-80C2B5F	4	31,8	275,6	-	-	5,31	4270\ 2690
	General Electric GEnx-2B67	4	52,4	295,81	-	-	8,0	4310\ 2659
Airbus А380	Engine Alliance GP7270	4	43,9	311	-	-	9	4740\ 3160

Продолжение таблицы 1

На основании анализа необходимых параметров (количества двигателей и тяги) можно сделать вывод, что наиболее удачными для моделирования являются самолеты Boeing 747, CR 929 и Airbus A340, с модификациями 400ER,600 и 500 соответственно.

Рассмотрим положительные стороны каждого летательного аппарата. Boeing 747 (рисунок 1) имеет высокую экономичность, что делает его одним из самых распространённых в мире широкофюзеляжных пассажирских самолётов.

Рисунок 1- Boeing 747

Преимущество CR 929 (рисунок 2), в том, что данный самолет является перспективной разработкой сразу двух стран: России и Китая.

 Рисунок 2- CR929-600

Его цена определена в 113,5—117,8 млн долларов; в первый год он должен быть на 20 % дешевле конкурентов [8]. Компоненты данного летательного аппарата на настоящий момент готовы предоставлять более чем 100 поставщиков, что указывает на высокую популярность рассматриваемой модели.

Последний самолет Airbus A340 (рисунок 3) имеет высокий уровень звукоизоляции и высокие технические характеристики, которые можно увидеть в таблице 1.

Рисунок 3- Airbus A340

Все три выбранных самолёта имеют различных производителей из разных стран, их строение сильно отличается друг от друга, что позволяет дать большой охват оценки ДМС.