NASA собрало урожай фантастических лайнеров будущего

В октябре 2008 года NASA выделило $12,4 миллиона нескольким объединённым командам институтов и промышленных гигантов на проработку передовых концепций самолётов — Fundamental Aeronautics Program.

Специалистам было предложено проработать эскизные проекты экономичных, чистых и тихих пассажирских лайнеров различной вместимости, как дозвуковых, так и сверхзвуковых. Аппараты должны были опираться на существующие и находящиеся на стадии лабораторных опытов технологии.

И вот пришла пора подвести итоги: своё видение крылатых машин будущего представили Массачусетский технологический институт (MIT), компании Lockheed Martin, GE, Northrop Grumman и Boeing, а также ряд их партнёров (в их числе известная нам Aurora Flight Sciences), подготовившие для NASA обстоятельные доклады на сотни страниц.

Все участники программы действовали сходным образом. Вначале инженеры набросали множество эскизов самолётов с самыми разнообразными конфигурациями фюзеляжа и крыльев, типом и расположением двигателей. Диапазон был от почти традиционных схем до форм, напоминающих аппараты инопланетян. Далее проводился анализ преимуществ и недостатков тех или иных вариантов, численное моделирование свойств конструкций и постепенный их отсев (иллюстрации Northrop Grumman, Boeing, MIT).

NASA попросило своих партнёров обрисовать самолёты поколения N+3, то есть уходящие на три поколения дальше существующих ныне коммерческих лайнеров. Основные цели: сокращение уровня шума на 71 децибел против существующих авиационных норм, 75% сокращения выбросов окислов азота и более чем 70-процентное снижение расхода топлива!

Авторы представили множество аппаратов различного облика, однако по большей части такие формы и конфигурации можно было увидеть в исследованиях и моделях на протяжении последней пары десятков лет.

А дело в том, что большая часть изменений будет скрыта внутри. "Стоя рядом с самолётом, вы не сможете почувствовать разницу, но улучшения будут революционными", — говорит Ричард Валс (Richard Wahls) из исследовательского центра Лэнгли (Langley Research Center).

Сплавы с памятью формы, керамические и композиционные материалы, углеродные нанотрубки и волоконно-оптические системы, самовосстанавливающаяся "кожа", гибридные силовые установки, складывающиеся крылья, сдвоенные фюзеляжи и даже иллюминаторы с виртуальной реальностью — размах прогнозов впечатляет. И ведь тут нет ничего несбыточного.

Специалисты рассмотрели прогнозы по распределению пассажиропотоков в больших и малых городах, параметры аэропортов, развитие систем управления воздушным движением, исследования по системам контроля за аэродинамическими потоками и силами, шумом и вибрациями, проекты перспективных двигателей, эволюцию авионики и шасси. Едва ли не всё самое интересное, что было придумано в отрасли за последнее время, было отобрано для самолётов 2035 года (иллюстрации Northrop Grumman, Boeing, MIT).

Важное уточнение: работа команд вовсе не сводилась к прорисовке картинок на компьютере. Учёные и инженеры прорабатывали самые разные аспекты конструкции машин, особенности их производства и эксплуатации, словом — обосновывали свои мечты, делая упор не столько на внешний эффект, сколько на содержание.

Потому-то некоторые из проектов по первому впечатлению совсем не тянут на поколение N+3. Таков, к примеру, "Тихий эффективный коммерческий транспорт с низким уровнем выбросов" (Silent Efficient Low Emissions Commercial Transport — SELECT), представленный Northrop Grumman. Этот 120-местный аппарат изображён на рисунке под заголовком.

Самое интересное тут расположено "под кожей": передовая керамика и нанотехнологические материалы, реактивные движки с ультравысокой степенью двухконтурности... Этому самолёту нужна взлётная полоса всего в 1,5 километра, что расширяет список доступных ему аэропортов и разгружает, по замыслу Northrop Grumman, крупные воздушные узлы. Дальность полёта SELECT — 3 тысячи километров, скорость — 0,75 Маха.

Концепт GE: 20 мест, турбовинтовые движки нового поколения, овальный фюзеляж с очень хорошей общей и местной аэродинамикой, топливные элементы для питания бортового оборудования, скорость 0,55 М и дальность 1500 км. Будущий ультратихий и экономичный король ближних трасс? (иллюстрация NASA/GE Aviation)

Кстати, многие специалисты согласились, что совсем небольшое (на 5-10%) снижение максималки при повышении средней высоты полётов дозвуковых среднемагистральных лайнеров вкупе с движками нового поколения (о них ещё скажем) — и есть ключ к радикальному снижению расхода горючего. Но, конечно, одними этими мерами обойтись нельзя.

Так, некоторые проекты опирались на гибридную (смешанную) несущую систему: промежуточный вариант между классическим сочетанием "удлинённый фюзеляж плюс тонкие крылья" и самолётом-крылом.

Двигатели при этом инженеры располагали в задней верхней части корпуса — это снижает уровень шума. Не зря именно такую схему компания Boeing тестировала в небе ещё несколько лет назад.

По такому же принципу задуман аппарат Hybrid Wing Body H-Series от MIT и его партнёров — Aurora Flight Sciences и Pratt & Whitney. Вместимость этого самолёта — 354 пассажира, дальность полёта 14 тысяч км, скорость — 0,83 Маха.

Его интегрированные двигатели с верхними воздухозаборниками располагают системами управления пограничным слоем, высокой степенью двухконтурности, передовыми камерами сгорания из новых материалов, соплами с изменяемым сечением, и более того, — с управляемым вектором тяги.

H-Series. По оценкам MIT, этот аппарат сможет частично удовлетворить жёстким требованиям программы: он будет "всего" на 46 децибелов тише современных лайнеров аналогичного класса, и "только лишь" на 54% экономичнее, зато выброс окислов азота будет ниже на 81% (иллюстрация NASA/MIT/Aurora Flight Sciences).

Ещё любопытнее другой проект MIT — Double Bubble D8. Его фюзеляж представляет собой пару сращённых продольно классических фюзеляжей — сочетание прочности, лёгкости и невиданного простора.

Три турбовентиляторных двигателя (со сверхвысокой степенью двухконтурности, куда без этого) отнесены в хвост. Довольно узкие и вытянутые "чистые" крылья обеспечивают D8 практически ламинарное обтекание. Композитные материалы везде, где только возможно, дают низкий вес всей конструкции.

Бортовой мониторинг состояния всех систем и корпуса, управление пограничным слоем в ключевых точках — задумок тут немало. И хотя внешне этот аппарат ближе к классическим самолётам, нежели H-Series, и у D8 фюзеляж тоже даёт некоторую часть подъёмной силы.

Результаты же (в теории) впечатляют: шум — минус 60 дБ против теперешних норм, окислы азота — минус 87%, расход топлива — минус 71% в сравнении с традиционными лайнерами той же вместимости.

В Double Bubble 180 пассажиров смогут переместиться на 5555 километров со скоростью 0,74 М (иллюстрация NASA/MIT/Aurora Flight Sciences).

Но наиболеее радикальный проект в плане сокращения расхода горючего представила Boeing. Она провела собственную мини-программу Subsonic Ultra Green Aircraft Research — SUGAR (то есть исследование "ультразелёных" лайнеров), в ходе которой набросала пять разных концепций.

Самая примечательная получила имя собственное Volt. Такое же название носит известный гибридный автомобиль, и это не случайно — у воздушного "Вольта" тоже гибридная силовая установка.

Лезвия двигателя SUGAR Volt (а его предусмотрено два варианта — с закрытым внешним контуром и с открытым винтом-вентилятором) будут раскручивать сразу два источника: газовая турбина, как на обычных турбореактивных движках, и встроенный в неё же 5500-сильный электромотор, который должен получать энергию от бортовых топливных элементов и/или ультраёмких батарей.

Volt сможет на разных этапах полёта использовать только керосиновую, только электрическую или обе тяги сразу, а в среднем это должно привести к снижению расхода топлива на 88%.

Чрезвычайно узкое и вытянутое крыло с подпорками в духе старинных моделей должно обеспечить SUGAR Volt очень высокое аэродинамическое качество и низкий вес конструкции. Скорость – 0,79 М, дальность – 6500 км, число пассажиров – 154. Ещё одна любопытная особенность: крылья этого лайнера смогут складываться на стоянке для экономии места у здания аэропорта (иллюстрация NASA/Boeing).

Кроме экномичных тихоходов компания Boeing разработала и концепцию сверхзвукового пассажирского лайнера 2035 года — Icon-II. По заданию NASA такой аппарат должен вмещать сто с лишним пассажиров и летать с крейсерской скоростью 1,6 М на расстояние 5-9 тысяч километров.

Основной же целью данной части программы являлась проработка облика скоростного лайнера, который был бы значительно экономичнее и намного тише сверхзвуковиков-предшественников. Этих целей Boeing и достигла, во всяком случае на бумаге, по результатам моделирования и оценки своего проекта.

Пассажирский сверхзвуковой лайнер Icon-II. Его ударная волна на сверхзвуке должна быть настолько слабой, что можно будет разрешить полёты таких лайнеров с крейсерской скоростью не только над океанами, но и над сушей (иллюстрация NASA/Boeing).

Аналогичной задачей занималась и команда, ведомая Lockheed Martin. Её "зелёный сверхзвуковик" отличают необычное расположение двигателей, фюзеляж веретенообразной формы, плавно перетекающий в хвост с оперением типа "перевёрнутое V" (появившееся, к слову, ещё в проекте QSST).

Никаких данных о возможной реализации такого проекта пока нет. Но задел, наработанный в рамках программы NASA, не пропадёт. Главное, что специалисты показали — в общих чертах ясно, как сделать новые лайнеры намного эффективнее предыдущих. А заодно и эффектнее, посмотрите хотя бы на шедевр от Lockheed Martin.

Зелёный сверхзвуковой лайнер поколения N+3 Lockheed Martin рисовала при содействии ряда институтов и компаний, в частности всё того же двигателестроительного гуру GE, помимо собственной работы над чистым самолётом поучаствовавшего едва ли не во всех исследованиях коллег (иллюстрация NASA/Lockheed Martin Corporation).

Специалисты NASA отметили, что ещё предстоит определить и уточнить ряд технологий, которые сделают реальными все эти фантазии. Кроме того, хотя инженеры и учёные очень старались, расчёты показали, что ни в одном проекте никому ни удалось взять обозначенные NASA планки по шуму, экономичности и выхлопу одновременно. Представленные машины были особенно сильны только в какой-то одной дисциплине.

Потому исследования по авиации будущего, проводимые на средства NASA, будут продолжены. Вероятно, один или два дополнительных контракта, развивающие начатую нынешним проектом тему, будут заключены на 2011 год, — сообщает агентство.

NASA намерено вкладывать деньги в самые перспективные идеи, так что, как говорит его представитель Джейвон Шин (Jaiwon Shin), подобные работы клиентов позволят определиться со сценарием будущего и быть в русле тенденций.