Moderné civilné lietadlá určené pre komerčných leteckých dopravcov musia vykazovať nielen vysoké výkonové charakteristiky, ale vyznačujú sa aj nízkymi prevádzkovými nákladmi. Pri vytváraní nových vzoriek takéhoto zariadenia sa berie do úvahy potreba znížiť všetky základné náklady a neustále vznikajú nové možnosti zníženia nákladov na údržbu a lety. Zaujímavú verziu vložky, ktorá môže vykazovať mimoriadnu účinnosť, navrhli tento rok organizácie NASA a DLR. Sľubný koncepčný projekt sa nazýva eRay.
Americký národný úrad pre letectvo a vesmír (NASA) a Nemecké centrum pre letectvo a vesmír (DLR) významne prispievajú k rozvoju letectva vo všetkých veľkých kategóriách vrátane komerčného letectva, ktoré je zodpovedné za prepravu osôb a tovaru. Špecialisti týchto organizácií neustále hľadajú nové nápady, prichádzajú s novými návrhmi a testujú ich. V lete tohto roku obe organizácie predstavili koncept sľubného lietadla, ktoré dokáže vykazovať vysoké výkonové charakteristiky so zvýšenými ekonomickými ukazovateľmi.
Nový projekt s predbežným názvom eRay sa pripravoval s rezervou do budúcnosti. Pri formulovaní požiadaviek boli zohľadnené prognózy vývoja komerčného letectva do roku 2045. Aktuálne predpovede ukazujú, že do tejto doby vo vyspelých a rozvojových krajinách osobná a nákladná doprava výrazne porastie. V tejto súvislosti bude potrebný rozvoj siete letísk a riešenie rôznych organizačných problémov. Na podporu dopravy bude navyše potrebná nová letecká technológia s charakteristickými schopnosťami. Pokiaľ ide o svoje vlastnosti, mal by prekonať existujúce vzorky.
NASA a DLR sa domnievajú, že komerčné lietadlá budúcnosti by mali byť o 60% úspornejšie ako súčasné. Mal by byť schopný pracovať na malých letiskách a mal by sa vyznačovať zníženým hlukom a jednoduchou obsluhou. Autori nového projektu vo svojom výskume a správe o ňom použili ako druh referencie existujúce sériové lietadlo Airbus A321-200. Sľubný eRay mal mať podobné parametre kapacity a nosnosti, ale zároveň vykazovať výhody vo všetkých ostatných oblastiach.
Koncept eRay ešte nie je určený na plnohodnotný dizajn s následným spustením výroby a prevádzky zariadení. V tomto ohľade sa špecialisti vedeckých organizácií nedokázali obmedziť a použiť tie najtrúfalejšie nápady, ktoré ešte nie sú pripravené na implementáciu do praxe. Práve použitie takýchto riešení umožnilo vyriešiť zadané úlohy a „vytvoriť“novú verziu lietadla budúcnosti.
Podľa najoptimistickejších predpovedí bude lietadlo eRay o 30% ľahšie ako sériový A321. Účinnosť elektrárne sa zvyšuje o 48%. Celková energetická účinnosť dosky stúpa o 64%. Je potrebné poznamenať, že na dosiahnutie takýchto výsledkov museli vedci a dizajnéri nielen predstaviť nové nápady, ale tiež opustiť svoje obvyklé riešenia. V dôsledku toho sa navrhovaná vložka výrazne líši od moderných predstaviteľov svojej triedy.
Projekt eRay navrhuje výstavbu konzolového dolnoplošného lietadla so zdvihnutým krídlom. K dispozícii je chvostová jednotka vrátane iba stabilizátora s veľkým priečnym V. Kýl nie je k dispozícii. Pôvodným spôsobom, kvôli potrebe zlepšiť účinnosť, bol vyriešený problém usporiadania prvkov elektrárne. Jeho jednotlivé jednotky sú umiestnené v rôznych častiach krídla, ako aj v chvoste trupu.
Trup lietadla vo všeobecnosti pripomína jednotky existujúcich strojov. Navrhuje sa konštrukcia celokovovej konštrukcie s veľkým predĺžením s aerodynamickým tvarom. Príďová časť je daná pod kokpit a technické miestnosti, za ktorými je veľký salón so sedadlami pre cestujúcich. Pod priestorom pre cestujúcich je objem nákladu - predovšetkým pre batožinu. Chvostová časť musí obsahovať jeden z motorov elektrárne.
Navrhuje sa pristátie zametaných lietadiel k trupu. Krídlo získava optimálny profil a na väčšine jeho povrchu nie sú žiadne prvky schopné narušiť tok. Na predných a zadných hranách krídla je zaistená mechanizácia tradičného typu. Na koncoch konštruktéri umiestnili dvojicu bypasových prúdových motorov s potrebným vybavením.
Namiesto tradičnej empeny používa projekt eRay neobvyklý systém. Na zadnom konci trupu je nainštalovaný kužeľovitý prstencový kanál pre tlačnú vrtuľu elektrárne. Na bokoch tohto kanála projektanti umiestnili dve stabilizačné roviny inštalované s výrazným priečnym V. Kýl nie je. Ovládanie vybočenia by sa malo vykonávať zmenou ťahu krídlových motorov alebo pomocou mechanizmu krídla.
Podľa výpočtov NASA a DLR možno tri štvrtiny zvýšenia energetickej účinnosti dosiahnuť iba prostredníctvom aerodynamiky. Napríklad 13% z celkového zvýšenia účinnosti zaisťuje laminárne prúdenie okolo trupu. Rozpätie krídiel na 45 m zvýši o ďalších 6%. Opustenie kýlu skracuje povrch draku a znižuje odpor vzduchu.
Úloha obmedziť „extra“plytvanie energiou je však vyriešená nielen vďaka aerodynamike. Uvažovalo sa teda o možnosti odstránenia bočných okien v priestore pre cestujúcich. V tomto prípade je konštrukcia trupu výrazne zjednodušená, čo vedie k jeho nižšej hmotnosti a zodpovedajúcemu zníženiu požiadaviek na motory. Takáto inovácia sa však nepovažuje za povinnú, pretože cestujúcim sa to nemusí páčiť. Je nepravdepodobné, že by dopravca chcel dosiahnuť energetickú účinnosť, ale zostať bez zákazníkov.
Projekt eRay počíta s vybavením lietadla hybridnou elektrárňou. Krídlo by malo byť vybavené prúdovými motormi, ktoré generujú ťah z plynov, a tiež poháňať dvojicu elektrických generátorov. Elektrická energia cez potrebné prevodníky musí byť dodávaná do batérií, ako aj do chvostového motora. Hlavnou výhodou takejto elektrárne je schopnosť flexibilne meniť všeobecné parametre ťahu, aby sa získala optimálna spotreba paliva zodpovedajúca súčasnému letovému režimu.
NASA a DLR vidia dvojicu obtokových prúdových motorov ako základ pre elektráreň pre eRay. Výrobky s dostatočným výkonom a zmenšenými rozmermi sa navrhujú umiestniť do koncov krídel. V rámci projektu bola študovaná aplikácia motorov so systémom výmenníkov tepla, ohrievajúcich prichádzajúci atmosférický vzduch plynmi za turbínou. V niektorých režimoch vám to umožní znížiť spotrebu paliva o 20%.
Odborníci z týchto dvoch organizácií preskúmali existujúce elektrické zariadenia požadovaných typov a urobili určité závery. Ukázalo sa, že existujúce generátory, batérie a motory umožňujú postaviť elektráreň pre eRay, ale jej vlastnosti budú zďaleka žiaduce. Na získanie optimálnych parametrov sú potrebné nové technológie a riešenia. Uvažuje sa najmä o možnosti využiť vplyv supravodivosti, ktorý môže ovplyvniť parametre elektromotora.
Existujúce akumulátory tiež neumožňujú vytvoriť lietadlo s požadovanými parametrami. Technológie na úrovni roku 2010 poskytujú hustotu energie rádovo 335 W * h / kg. Očakáva sa, že do roku 2040 tento parameter narastie na 2 500 W * h / kg. V krátkodobom horizonte sa však treba spoliehať na batérie so skromnejšími vlastnosťami okolo 1 500 W * h / kg. Podľa prepočtov bude kombinovaná elektráreň s elektrickými a prúdovými motormi poskytovať dobu letu najmenej 6-7 hodín a dosah viac ako 6 000 km.
Správa o koncepčnom projekte eRay prináša zaujímavé čísla ukazujúce potenciál takejto techniky. Pri riešení rovnakého problému konštruktéri vypočítali hlavné ukazovatele výkonu rôznych zariadení. Lietadlo A321 by pri výkone „referenčného“letu v dosahu 4 200 km malo celkovo spotrebovať necelých 84,5 MW energie. Na to potrebuje 15881 kg paliva. Lietadlo minie 2,36 litra paliva na prepravu jedného cestujúceho na 100 km. U nádejného lietadla eRay dosahuje podľa prepočtov celková spotreba energie 39,57 MW - to je 5782 kg paliva. Na prepravu cestujúceho na 100 km potrebujete iba 0,82 litra paliva. Sľubný stroj je teda za daných podmienok účinnejší o 65,3% ako sériový model.
Jednou z možností, ako zvýšiť energetickú účinnosť, je rozumné využitie priestoru v kabíne pre cestujúcich. NASA a DLR ponúkajú tri možnosti pre pilotný kokpit s rôznymi kapacitami. V prvom rade uvažujeme s kabínou ekonomickej triedy, vytvorenou na základe kabíny A321. V tomto prípade sú sedadlá inštalované v radoch 3 + 3 so stredovou uličkou. V tejto konfigurácii lietadlo prepravuje 200 ľudí. V konfigurácii Premium Economy sa kapacita miest na sedenie zvýši na 222 pasažierov, pre ktoré sa používajú rôzne sedadlá a optimalizuje sa distribúcia dostupných objemov. Bol tiež vypracovaný variant so salónmi troch tried. Biznis trieda pojme 8 miest na sedenie, kým „economy“a „economy-slim“pojme 87 a 105 pasažierov.
V navrhovanej forme má lietadlo eRay dĺžku 43,7 m. Rozpätie krídel je v základnej konfigurácii 38 m alebo v rozšírenej 45 m, čo predstavuje určité zvýšenie energetickej účinnosti. Hmotnosť prázdneho lietadla je stanovená na 36,5 t. Maximálna vzletová hmotnosť je 67 ton. Užitočné zaťaženie je asi 25 ton, z toho 21 ton pasažierov a 4 tony batožiny. Letový výkon závisí od prvkov použitej elektrárne. Vo všeobecnosti by mali byť na úrovni existujúcich modelov komerčného letectva.
***
Koncept eRay, ktorý tento rok predstavili vedúce výskumné organizácie v USA a Nemecku, je v skutočnosti ďalším pokusom nájsť spôsoby, ako ďalej rozvíjať osobné letectvo. Ako je správne uvedené v správe o projekte, v budúcnosti budú existovať nové požiadavky na komerčné letectvo a dopravcovia budú potrebovať nové modely zariadení so špeciálnymi schopnosťami. Hľadanie riešení tohto problému neprestáva a projekt eRay opäť ponúka originálne nápady toho či onoho druhu.
V projekte NASA a DLR boli hlavným cieľom zvýšenie energetickej účinnosti a zlepšenie aerodynamiky, čo by malo pozitívne ovplyvniť celkovú efektivitu lietadla. Na získanie týchto charakteristík je navrhnutý špeciálny dizajn draku, ktorý kombinuje dobre zvládnuté a nové riešenia, ako aj neobvyklú hybridnú elektráreň založenú na odlišných komponentoch. Výpočty ukazujú, že optimálna spotreba energie paliva v kombinácii so zlepšenou aerodynamikou by mala zvýšiť letový aj ekonomický výkon zariadenia.
Všetky tieto výsledky však zatiaľ zostávajú „na papieri“. Koncept vložky eRay, rovnako ako ostatné vývojové akcie tohto druhu, má vážnu chybu a jej autori si to dobre uvedomujú. V súčasnej dobe a v blízkej budúcnosti si návrhári nebudú môcť uvedomiť všetky výhody navrhovaného konceptu. Dosiahnutie stanovených cieľov je brzdené nedostatkom potrebných technológií. Myšlienka prúdového motora s výmenníkmi tepla a výkonom do generátora preto potrebuje ďalšie rozpracovanie a praktické testovanie. Batérie s požadovanými vlastnosťami ešte nie sú k dispozícii a charakteristický aerodynamický vzhľad lietadla musí potvrdiť jeho schopnosti v priebehu rôznych štúdií.
Vývoj technológie potrebnej na stavbu skutočného lietadla eRay je nákladný a časovo náročný. Autori projektu si to dobre uvedomujú, a preto zvažujú perspektívne lietadlo v kontexte leteckého vývoja v najbližších desaťročiach - až do roku 2040-45. Veria, že do tejto doby bude veda vytvárať potrebné komponenty a vykonávať všetok požadovaný výskum, ktorý umožní implementáciu nových konceptov: eRay alebo iných projektov.
Koncepčný projekt eRay NASA / DLR - vzhľadom na svoj konkrétny účel - nemožno považovať za úspech ani neúspech. Jeho cieľom bolo určiť cesty pre rozvoj civilného komerčného letectva a nájsť optimálny dizajn, ktorý spĺňa požiadavky budúcnosti. Vedci a inžinieri týchto dvoch krajín súčasnú otázku starostlivo preštudovali a predstavili vlastnú verziu odpovede. Je dosť možné, že koncom tridsiatych rokov lietadlá podobné súčasnému eRay skutočne vzlietnu. Rozvoj letectva však môže ísť aj inými cestami, a preto budúce lietadlá budú mať podobnosť s inými konceptmi našej doby.
