Уменьшение расхода топлива

Одно из важнейших направлений развития гражданских самолетов связано с задачей уменьшения расхода топлива. Успешное решение этой задачи определяется выбором типа двигателя и достижением максимальной эффективности системы "планер-двигатель" с учетом взаимного влияния элементов силовой установки и конструкции планера. Выбор места расположения двигателя на самолете, учет при проектировании влияния характеристик и геометрии входных (воздухозаборников) и выходных (сопел) устройств на аэродинамику самолета позволяют получить высокое аэродинамическое качество самолета и повысить его топливную эффективность. В то же время характеристики входных и выходных устройств существенно влияют на расходные характеристики двигателя.
Задача уменьшения удельных расходов топлива двигателей для перспективных гражданских самолетов должна решаться в первую очередь за счет совершенствования широко применяемых в настоящее время двигателей традиционных двухконтурных схем на базе перспективных конструкционных материалов, совершенствования рабочих процессов двигателя и конструкции всех узлов и элементов силовой установки.
Применение усовершенствованных двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) с большой и сверхбольшой (увеличенной до 12-20) степенью двухконтурности, увеличенной до 40-45 степенью повышения давления и повышенной температурой газов перед турбиной позволит снизить на 10-15% удельный расход топлива в крейсерском полете.
Появление в эксплуатации разрабатываемых в настоящее время турбовинтовентиляторных двигателей различных схем позволит уменьшить удельный расход топлива еще на 15-20%.
Необходимость существенного сокращения расхода топлива заставила рассматривать в качестве возможного варианта возврат к более широкому использованию турбовинтовых двигателей.

Борьба за повышение топливной эффективности связана с ограниченными ресурсами углеводородного топлива (керосина) на Земле. Естественно, встает проблема о возможности замены этого топлива другими видами, например метаном, который в виде сжиженного природного газа дешев и имеется в большом количестве. Однако наиболее перспективным топливом может быть водород, запасы которого на Земле практически неограниченны. Водород имеет примерно в 2,8 раза большую удельную теплоту сгорания, чем керосин (12·10⁷ Дж/кг против 4,3·10⁷ Дж/кг), но объемная теплота сгорания даже у жидкого водорода в 4 раза меньше. Вследствие этого при том же потребном запасе энергии объем топливных баков на самолете должен быть в 1,5 раза больше, чем объем баков для авиакеросина. К тому же баки должны быть рассчитаны на большое внутреннее давление и иметь мощную теплоизоляцию, так как температура кипения водорода равна -253°С.

Наличие водорода на борту предъявляет особо жесткие требования к герметичности топливной системы, поскольку водород чрезвычайно пожаро- и взрывоопасен. Все это значительно осложняет создание пассажирских самолетов на водородном топливе. Оценки специалистов показывают, однако, что самолет на жидком водороде может быть на 25% легче и на 30% дешевле, его двигатели будут более долговечными и надежными, чем у самолета, работающего на керосине, при одинаковой грузоподъемности и дальности полета. Кроме того, такой самолет обладает исключительной экологической чистотой.

Начавшиеся 15 апреля 1988 года летные испытания экспериментального самолета Ту-155 (рис. 21.3), использующего водород в качестве топлива, подтвердили целесообразность разработки серийного самолета, работающего на криогенном топливе. Размещенный в правой гондоле экспериментальный водородный двигатель НК-88, разработанный под руководством академика Н.Д. Кузнецова, может использовать в качестве горючего и сжиженный природный газ.

Рис. 21.3. Укрупненная компоновочная схема самолета Ту-155: 1 - двигвтель НК-88; 2 - герметичный отсек экспериментального топливного отсека; 3 - топливный бак с жидким водородом; 4 - контрольно-записывающая аппаратура; 5 - рабочие места экспериментаторов

По результатам экспериментов на самолете Ту-155 сделаны проработки самолета Ту-156 с тремя двигателями НК-89, работающими и на сжиженном газе, и на керосине. Топливные баки для сжиженного газа расположены под крылом, баки для керосина размещены в кессонах крыла.

* * *

Здесь следует особо отметить, что эта глава написана Сергеем Михайловичем Егером еще в начале 80-х годов. Мы позволили себе внести в нее только небольшие дополнения относительно современного состояния исследований СПС второго поколения и самолетов на криогенном топливе, которые только подтверждают правильность и актуальность прогнозов, сделанных Сергеем Михайловичем.
Успешное решение проблем, изложенных в этой главе (а они далеко не полностью охватывают весь комплекс вопросов, которые приходится решать проектировщикам), возможно только совместными усилиями различных специалистов, участвующих в проектировании самолетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прогресс большинства отраслей техники идет настолько быстрыми темпами и оказывает такое огромное влияние на окружающую человека среду, что затруднительно прогнозировать эти тенденции более чем на несколько лет вперед. Еще сложнее себе представить, как будут жить люди в мире следующего столетия, однако с большой долей достоверности можно предполагать, что это столетие будет характеризоваться все возрастающим использованием разнообразных летательных аппаратов в различных транспортных операциях. Это определяет потребность общества в непрерывном интенсивном развитии теории и практики проектирования летательных аппаратов, появившихся, по существу, только в начале нашего века.
Однако первые инженерные разработки в области авиации (чертежи, расчеты, эксперименты) были проведены еще в XV веке итальянцем Леонардо да Винчи. Этот пионер авиационного проектирования был великим живописцем, скульптором, архитектором, выдающимся ученым и инженером своего времени.
И наше время, время стремительного развития науки и техники, время громадных технических возможностей, требует от специалистов, работающих в авиакосмической промышленности, не только досконального знания своего дела, но и широкой инженерной и общей эрудиции.
К настоящему времени во многих передовых отраслях техники, а в авиации особенно, сложилась парадоксальная ситуация. Самолеты, разрабатываемые в разных странах, зачастую без малейшего обмена информацией, оказываются очень похожими друг на друга по своему облику и техническим характеристикам. Эта ситуация тем не менее легко объяснима. В авиации достаточно хорошо разработаны методики формализации процесса поиска оптимального решения. Кроме того, функциональность в авиации проявляется чрезвычайно явно.
"Смотришь иногда на эскиз будущей машины и чувствуешь: что-то режет глаз. И, как правило, это несоответствие, казалось бы чисто эстетическое, отражает существо дела, ошибку или неточность в проекте" (Генеральный конструктор О.К. Антонов, цит. по кн.: След в небе. - М.: Политиздат, 1971, с. 217).
"К авиации, вообще ко всяким летучим устройствам и их создателям люди относятся почему-то с особенным интересом. Почему? Потому, прежде всего, что летательный аппарат красив наивысшей в технике красотой - целесообразностью. Не один лишь архиталантливый Туполев, а и любой опытный авиатор почти безошибочно судит о самолете по совершенно вроде бы не техническому критерию: "смотрится" машина или "не смотрится"" (Главный конструктор Р.Л. Бартини, цит. по кн.: Чутко И. Красные самолеты.: - М.: Политиздат, 1978, с. 82).
В замечательной книге "Планета людей" Антуан де Сент-Экзюпери дает удивительно емкую оценку конструкции как эстетического предмета: "Кажется, будто все труды человека - создателя машин, все его расчеты, все бессонные ночи над чертежами только и проявляются во внешней простоте; словно нужен был опыт многих поколений, чтобы все стройней и чеканней становилась колонна, киль корабля или фюзеляж самолета, пока не приобрели наконец первозданную чистоту и плавность линии груди или плеча. Кажется, будто работа инженеров, чертежников, конструкторов к тому и сводится, чтобы шлифовать и сглаживать, чтобы облегчить и упростить механизм крепления, уравновесить крыло, сделать его незаметным - уже не крыло, прикрепленное к фюзеляжу, но некое совершенство форм, естественно развившееся из почки, таинственно слитное и гармоничное единство, которое сродни прекрасному стихотворению" (цит. по кн.: Антуан де Сент-Экзюпери. Военный летчик. - М.: Художественная литература, 1977, с. 44).
Для проектировщика понимание красоты тем более важно, что, несмотря на большие успехи в формализации процесса проектирования, проектирование сейчас - это в равной мере и наука и искусство.
Одну из задач настоящего учебника авторы видят в том, чтобы ознакомить Вас в самом первом приближении с таким сложным инженерным объектом, как летательный аппарат, показать его целесообразность и красоту, помочь Вам в освоении во многом интернационального профессионального языка (слэнга, англ. slang) проектировщиков.
И если это знакомство поможет Вам в работе с литературой, вначале с популярной и достаточно простой (небольшой список ее приведен в конце учебника), а затем и со специальной, побудит Вас к самостоятельной и упорной учебе, авторы будут считать свою задачу выполненной.