Валентин Киселев,
профессор МАИ, лауреат Государственной премии СССР
Нынешнее разнообразие самолетов гражданской авиации поистине вызывает удивление. И зачастую даже у людей, близких к авиации. Самолеты отличаются размерами, типами, числом и местом расположения двигателей, компоновкой частей самолета, основными характеристиками. Даже самолеты одной фирмы подчас выглядят очень разными, как, например, Ту-154 с тремя двигателями на хвостовой части фюзеляжа и его современный собрат Ту-204 с двумя двигателями, расположенными по размаху крыла, иди известные Ил-62 и Ил-86. Чтобы разобраться во всех различиях и объяснить их, целесообразно рассмотреть пассажирские реактивные самолеты начиная с их первого поколения.

de Havilland D.H.106 CometПионерами в гражданской реактивной авиации стали англичане. В 1952 г. начала выполнять регулярные рейсы на линии Лондон — Йоганнесбург реактивная «Комета». Это было историческое событие в авиатехнике. Даже специалисты находились под впечатлением необычного вида реактивного лайнера — заостренного носа, акулоподобных отверстий воздухозаборников двигателей в корне крыла, отсутствия воздушных винтов… Правда, «Кометам» не повезло. Усталостное разрушение гермокабины в зоне выхлопа из сопел двигателей привело к катастрофе. Причины были обнаружены только после длительных исследований. До их выявления и устранения полеты «Комет» были приостановлены. (Более ранней и более успешной была эксплуатация пассажирских турбовинтовых самолетов «Вайкаунт».)

Ту-104В 1956 г. на линию Москва — Иркутск вышел первенец отечественных гражданских реактивных самолетов — знаменитый Ту-104. Пассажирские реактивные самолеты первого поколения, конечно, создавались на основе разработок и опыта, накопленного при эксплуатации реактивных военных самолетов. Известно, что Ту-104 являлся модификацией бомбардировщика Ту-16 (коренное отличие состояло в новом фюзеляже с пассажирской гермокабиной). Создатели «Комет», бесспорно, использовали опыт проектирования английских бомбардировщиков серии «V» («Виктор», «Велиэнт», «Вулкан»). «Комета» имела четыре, а Ту-104 — два двигателя, которые располагались в корне крыла (в месте его сочленения с фюзеляжем) точно так же, как и у перечисленных бомбардировщиков. Но такое удачное компоновочное решение плохо согласовывалось с требованиями комфорта в пассажирской кабине и приводило к значительному шуму и вибрациям в ней. Двигатели, расположенные рядом с бортом пассажирской кабины, могли привести к ее разгерметизации от вероятного разрушения лопаток турбины или компрессора, вызвать пожар. Применение этой компоновки для бомбардировщиков объяснялось лучшей аэродинамикой: двигатели лучше вписывались в крыло, уменьшалось сопротивление самолета. Однако снижение комфорта и безопасности пассажирских самолетов представлялось неприемлемым. Поэтому компоновочные решения, реализованные французами на реактивном пассажирском самолете «Каравелла» (главный идеолог проекта Пьер Сатрэ) и удачно ими разрекламированные, были восприняты как революционные и очень актуальные. У «Каравеллы» не было военных прототипов. Это была оригинальная разработка, но она появилась позже английских и наших первенцев (начало эксплуатации — 1960 г.). «Изюминка» была в том, что французы расположили два турбореактивных двигателя в хвостовой части фюзеляжа (по его бокам). В результате крыло получилось «аэродинамически чистым», а пассажирская кабина -выведенной из зоны наибольшего звукового давления двигателей (плоскость вращения турбины, компрессора и область струи газов из сопла). Снижение шума и вибраций кардинально решали проблемы комфорта пассажиров.

Caravelle FinnairСилу воздействия французского примера можно оценить по тому факту, что почти все самолетостроительные фирмы «клюнули» на это решение и все второе поколение пассажирских реактивных самолетов было создано не без влияния «Каравеллы» — с двигателями на хвостовой части фюзеляжа. Назовем эту компоновку ДнФ (двигатели на фюзеляже). В Англии компоновки ДнФ имели: ВАС 111 (2 двигателя), DH-121 (3 двигателя), «Виккерс» VC-10 (4 двигателя), у нас — Ту-134 (2 двигателя), Ту-154 (3 двигателя), Ил-62 (4 двигателя), Як-40 и Як-42 (3 двигателя). Даже американские проектировщики после очень удачных для своего времени пассажирских Боингов 707 и Дугласов 8 с четырьмя двигателями, расположенными на пилонах по размаху крыла (жизнь показала большую выгоду такой компоновки, назовем ее ДнК -двигатели на крыле), не удержались и отдали дань компоновке ДнФ — Боинг 727 (3 двигателя), ОС-9 (2 двигателя). «Загипнотизированные» французами, не все фирмы должным образом оценили и недостатки, которые, как оказалось, присущи компоновке ДнФ. Поэтому многие из них проявились слишком поздно. По непонятным причинам потерпели катастрофу в полете ВАС 111, Ту-134. Трудные исследования выявили причину: попадание самолета в так называемый , затяжной, «замкнутый», срыв при выходе самолета на за-критические углы атаки в 25-30° и выше. Самолет как бы «запирался»в этом положении с задранным носом, терял скорость, сваливался в штопор. Выход на закритические углы случался при попадании самолета в мощный восходящий поток, порыв воздуха. Такие мощные порывы на больших высотах весьма редки, но каждый самолет, как правило, в них попадает. Однако, как выяснилось, только самолеты с двигателями на хвостовой части фюзеляжа оказались неустойчивыми на этом режиме. На закритических углах атаки с мотогондол срывается спутная струя воздуха, которая попадает на горизонтальное оперение и делает его неэффективным. А горизонтальное оперение у компоновки ДнФ, как известно, располагается на вершине киля (если его устанавливать на фюзеляже, то оно попало бы в струю газов из сопла двигателей). Так называемое Т-образное хвостовое оперение еще и тяжелее обычного. Существенное утяжеление конструкции является значительным недостатком самолетов с ДнФ. Кроме тяжелого хвостового оперения, самое большое утяжеление имеет фюзеляж, на котором крепится силовая установка, загружающая его. Как оказалось, на самолетах с ДнФ преимущества «аэродинамически чистого» крыла снижались за счет увеличения аэродинамического сопротивления, обусловленного взаимовлиянием (интерференцией) мотогондол и хвостовой части фюзеляжа.

Ил-86Другой недостаток связан с большой разбежкой центровки самолетов с ДнФ. Расположенные сзади двигатели приводят к смещению назад центра тяжести (цт) самолета. Смещается назад и крыло. В результате фюзеляж и пассажирская кабина оказываются разделенными крылом на неравные части — длинную носовую и короткую хвостовую. При этом наличие коммерческой нагрузки (пассажиры, багаж, груз) перемещает цт вперед относительно крыла, а ее отсутствие (перегоночный вариант, неполная загрузка) приводит к перемещению цт самолета назад. В итоге расстояние между крайними положениями цт превысило у самолетов с ДнФ все ранее известные пределы. Как решить эту проблему? Первые создатели таких самолетов — конструкторы «Каравеллы» и Ил-62 — решили идти привычным путем. Пусть истинная разбежка огромна, но летать самолет должен только при умеренном ее значении, характерном для прежних самолетов с двигателями на крыле, следовательно, необходимо компоновать крыло и главные стойки шасси относительно переднего положения цт (полная загрузка). Что же будет, когда пассажиры выйдут и цт переместится назад? Самолет перевернется на хвост? Чтобы этого избежать, на Ил-62 применили дополнительную хвостовую стойку шасси, на которую опирается пустой самолет. Как-то во время испытаний Владимир Коккинаки забыл убрать хвостовую опору перед взлетом и при разбеге сломал ее. Он комментировал это происшествие так: «Отлетает всё, что не нужно самолету». Пилоты не любят непонятных усложнений… У «Каравеллы» роль хвостовой опоры играл бортовой пассажирский трап в хвостовой части фюзеляжа (после высадки пассажиров самолет опирается на него, пока топливозаправщик не зальет горючее в крыльевые баки). Это на земле, а как лететь, если цт переместится назад и самолет окажется неустойчивым в полете? На Ил-62 предусмотрен балластный бак в носовой части фюзеляжа, в который при отсутствии коммерческой нагрузки заливается … вода. Ведь топливо не следует размещать в фюзеляже по соседству с пассажирской кабиной — это пожароопасно. На «Каравелле» в перегоночном полете в носовые багажники грузят балласт. Это, если можно так сказать, решение проблемы «по-французски». Оно связано с эксплуатационными трудностями, опасностями ошибиться при использовании балласта. В крейсерском полете самолет летает при малых разбежках центровки, что требует меньших балансировочных нагрузок на горизонтальное оперение и меньших его размеров.

Ил-96Вероятно, указанные ограничения не устраивали английских создателей VC-10, DH-121, ВАС 111. Они захотели решить проблему кардинально — обеспечить возможность полета при всех имеющихся огромных разбежках центровки. При этом надо компоновать крыло и главные стойки шасси относительно заднего положения цт (самолет без нагрузки). В этом случае самолет никогда не перевернется на хвост и всегда будет устойчивым в полете. Но проблема возникает при полной загрузке самолета. Она состоит в том, что огромное плечо главных стоек шасси относительно цт затрудняет отрыв передней стойки шасси при взлете самолета. Трудно и балансировать самолет в полете: требуются большие усилия на горизонтальном оперении и углы его отклонения, что увеличивает сопротивление в полете. Эти проблемы решаются только за счет существенного увеличения площади (и массы) горизонтального оперения. Для примера сравним близкие по размерам самолеты: скомпонованный «по-французски» Ил-62 имеет площадь горизонтального оперения, составляющую 14,7% от площади крыла, а скомпонованный «по-английски» VC-10 — 23%.

Перечисленные сложности и недостатки существенно поколебали привлекательность компоновки ДнФ, и последующее поколение пассажирских реактивных самолетов было создано под лозунгом отказа от нее и перехода к компоновке ДнК. «Застрельщиком» здесь выступила фирма «Боинг», которая следующий за Боингом 727 самолет, причем меньших размеров, выполнила с двумя двигателями, расположенными под крылом (по его размаху). Это был Боинг 737. Фирма сознательно пошла на опасность, связанную с низким расположением воздухозаборников двигателей над поверхностью ВПП. Конечно, все последующие самолеты: гигантский Боинг 747, магистральные Боинг 757, Боинг 767 и самый современный Боинг 777 — имели двигатели на крыле. Для многих конструкторов отказ от компоновки ДнФ в пользу ДнК не был столь однозначным и был связан со многими колебаниями. Так, наш аэробус Ил-86 вначале проектировался с четырьмя двигателями на хвостовой части фюзеляжа, как предыдущий Ил-62 (был построен макет). И только более глубокий анализ весовых и эксплуатационных характеристик, а также пример зарубежных фирм вынудили проектировщиков принять правильное решение: ведь большие размеры аэробуса позволяли безболезненно разместить двигатели на пилонах под крылом. За рубежом также наблюдались колебания и ошибки. Так, англичане вначале решили не участвовать в создании европейского трехсотместного аэробуса А 300, а построить свой ВАС 311 с такими же размерами и характеристиками, но с привычной для фирмы ВАС компоновкой ДнФ, которую имел предыдущий стоместный самолет второго поколения ВАС 111. Худшие весовые характеристики способствовали принятию решения об отказе от проектирования ВАС 311.

Ту-204СТаким образом, если сравнивать две основные компоновки ДнК и ДнФ, то ДнК характеризуется более легкой конструкцией, зато «аэродинамически чистое» крыло обеспечивает ДнФ несколько более высокое аэродинамическое качество. Но нужно учесть, что соотношения преимуществ и недостатков этих компоновок зависят от размеров самолетов и дальности полета. Весовые преимущества ДнК возрастают с увеличением размеров сравниваемых самолетов. С другой стороны, степень утяжеления конструкции самолетов с ДнФ снижается с уменьшением их размеров. Это объясняется тем, что самолеты малых размеров имеют меньшую степень нагруженности конструкции и большие избытки прочности. Поэтому у них увеличение нагруженности фюзеляжа в силу расположения на нем двигателей частично реализуется за счет имеющихся избытков прочности и в меньшей степени, чем у больших самолетов, утяжеляет конструкцию. Влияние аэродинамических преимуществ на экономическую эффективность эксплуатации самолета растет с увеличением дальности полета. Самолет с более высоким аэродинамическим качеством требует меньшей тяги двигателей при прочих равных условиях, а значит, меньшего веса и стоимости потребного топлива. В процессе проектирования выбирается двигатель меньшей размерности. Поэтому существуют области более выгодного применения той или иной компоновки. Например, для многоместного самолета больших размеров, но летающего на средние или малые дальности (аэробус), очевидно, что более выгодной будет компоновка с двигателями на крыле, так как обеспечивает максимальный выигрыш за счет более легкой конструкции, а худшая (чем у ДнФ) аэродинамика существенно не снизит экономичность из-за умеренной дальности полета. Таковы европейский аэробус А300 В и наш Ил-86. С другой стороны, небольшие (маломестные), но летающие на большую дальность самолеты, очевидно, более предпочтительны с компоновкой ДнФ, так как при большой дальности аэродинамические преимущества скажутся максимально, а утяжеление конструкции будет невелико из-за малых размеров самолета. Это так называемые административные (деловые) самолеты, которые во всем мире выполняются преимущественно по этой компоновке.

Boeing 747 LuftHansaВ то же время нельзя заранее отдать предпочтение той или иной компоновке для небольших самолетов малой дальности. В этом случае утяжеление от ДнФ невелико (ограничены размеры), а аэродинамические преимущества при малой дальности существенно не сказываются. Примеры таких самолетов с ДнК: Боинг 737, VFW 614, ВАе 146, Emb-145; с ДнФ: Ту-134, Як-40, ДС-9, ВАС 111, F28. Для многоместного самолета больших размеров, летающего на максимальную дальность, трудно априори предпочесть конкретную компоновку, так как если ДнФ будет иметь преимущества за счет более высокого аэродинамического качества, то и утяжеление будет значительным по сравнению с более легкой, но с меньшим качеством компоновкой ДнК. Другими словами, каждая из компоновок использует свои преимущества, то есть они конкурируют «на равных». Практика подтверждает это. Таковы дальние многоместные Ил-62, VC-10 (ДнФ) и Боинг 747, Ил-96, А340 (ДнК). Следует также отметить, что современные успехи в области аэродинамической компоновки двигателей на пилонах под крылом привели к существенному повышению аэродинамического качества самолетов с такой компоновкой и к подавляющему использованию ее для пассажирских самолетов большой и средней дальности (Ту-204; Боинг 757, 767, 777; А310, 320, 330, 340).

В то же время делать вывод, что компоновка ДнФ отжила свой век, по мнению автора, явно преждевременно, особенно для самолетов малых размеров, где только она позволяет поднять двигатели на достаточную высоту над землей.

(Окончание следует)

DIGESТ

Passenger airplanes: ways of development

Today’s vast variety of aircraft types in the Russian civil fleet is amazing. The airplanes are of all sorts and sizes, having vastly different designs, performance, number and location of engines. The article gives a historical analysis of passenger airplane development from the first generation designs to the aircraft of today.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (5,00 из 5, оценило: 1)
Загрузка...