Компания «Штатские самолёты Сухого» проводит испытания регионального лайнера Sukhoi Superjet 100, оснащённого новыми, горизонтальными законцовками крыла. Проект позволит аэроплану стать более привлекательным для потенциальных клиентов. Результатом проведения масштабного комплекса наземных и лётных испытаний станет сертификация самолёта SSJ100 с горизонтальными законцовками покрывала и возможность их опциональной установки не только на новые воздушные суда, но и на уже эксплуатируемые самолёты по желанию заказчика.
По словам президента ГСС Александра Рубцова (бриффинг на авиасалоне Dubai Airshow 2017), труды по созданию линейки «суперджетов» ведутся согласно разработанным планам предприятия и в соответствии со спросом на мировом рынке. И уже в ближайшее время в аэропорту Лондон-Сити завяжутся летные испытания обновленного лайнера, который даже внешне будет отличаться от базовой версии.
Сесть среди небоскребов
Лондон. Зона Доклендс. Здесь в 1987 году был открыт новый международный аэропорт столицы Великобритании. Он стал уже пятым в районе Большого Лондона. За шесть десятилетий до него, в 1929 году, отворили аэропорт Хитроу, затем в 1938-м — Лутон, в 1942-м — Станстед, а в 1958-м — Гатвик. Лондон-Сити хоть и был самым новым, но оказался и самым махоньким по размеру международным аэропортом Лондона. Размер определяло место: если остальные четыре находились в пригородах, то новичок раскинулся в самом городе — итого в девяти километрах к западу от Тауэр Бридж. Почти прямо по оси взлётно-посадочной полосы находится один из крупнейших крытых стадионов в Европе — «Манеж O2», рядом — жилые и офисные небоскрёбы.
Место оказалось очень удобным: не нужно долго добираться до города. Но из-за высотных домов, находящихся в непосредственной близости от этой лондонской воздушной гавани, пришлось вводить многочисленные ограничения на условия взлёта и посадки самолётов в аэропорту Лондон-Сити. Так, угол глиссады здесь составляет 5,5°. Это заметно круче, чем стандартные во всем мире 3° для захода на посадку пассажирских авиалайнеров. Чтобы садиться тут, аэрокомпании-эксплуатанты, использующие местную ВПП длиной всего 1 508 м, вместе с производителями авиатехники были вынуждены внести изменения в программное обеспечение своих аэропланов и доработать их тормозные системы.
Одна из авиакомпаний, активно использующая аэропорт Лондон-Сити, — ирландская CityJet. В 2015 году она заказала 15 аэропланов SSJ100. Шесть уже поставлены. Но в основном они используются партнёрами CityJet, поскольку пока не могут совершать взлёты и посадки в Лондон-Сити. Для рейсов в зона Доклендс требуется получить дополнение к сертификату типа, позволяющее выполнять снижение по глиссаде 5,5° и посадку на полосу длиной 1,5 км. Ожидается, что после проведения необходимых испытаний процесс сертификации для получения позволения на полёты в этот аэропорт завершится уже в 2018 году.
Среди модификаций, вводимых на SSJ100 для обеспечения его эксплуатации в Лондон-Сити, помимо изменений в программном обеспечении и доработок тормозных систем, ГСС разработала новоиспеченные законцовки крыла. Они позволят улучшить взлётно-посадочные характеристики Суперджета и его управляемость. По расчётам конструкторов, установка нового типа законцовок приведёт также к снижению расхода топлива на 3%! Для нынешней авиатехники это очень существенный результат, улучшающий конкурентную привлекательность SSJ100.
Немного аэродинамики и истории
Как известно из аэродинамики, подъёмная сила образуется из-за разности давлений под и над крылом. Но из-за той же разности давлений доля воздуха перетекает через край крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху. При этом возникает концевой вихрь. На его образование тратится энергия движения аэроплана: возникает сила
так называемого индуктивного сопротивления. Концевой вихрь плох ещё и тем, что из-за него подъёмная сила по площади крыла распределяется неритмично: ближе к концу крыла она ниже. Это в целом снижает аэродинамические характеристики летательного аппарата.
Для уменьшения индуктивного сопротивления на концах крыла устанавливают либо плоские пластины, либо загнутые вверх законцовки. Собственно, идея лежала на поверхности, а потому до неё очень быстро дошли конструкторы ещё до основы эры практической авиации. В 1897 году некий английский инженер Фредерик Ланчестер (Frederick Lanchester, 1868–1946) запатентовал концевые пластины на крыле как метод управления вихрями, возникающими на крышках крыла. В 1970-х годах плоские пластины на концах крыла получили название «шайбы Уиткомба».
Влияние винглетов на уменьшение индуктивного сопротивления
Ричард Уиткомб (Richard Whitcomb, 1921–2009) был авиационным инженером в районы аэродинамики, работал в Исследовательском центре им. Сэмюэла Лэнгли американского аэрокосмического агентства NASA. Он одним из первых исследовал влияние различных конфигураций законцовок крыла на аэродинамику самолёта. Уиткомб искал способ снизить расход топлива на самолётах в ответ на резкое увеличение стоимости углеводородов после нефтяного кризиса 1973 года. Он сконструировал плоскую законцовку покрывала, которая располагалась перпендикулярно к плоскости крыла. Конечно, такой элемент увеличивал лобовое сопротивление самолёта, зато ограничивал развитие концевого вихря, снижая мочь индуктивного сопротивления.
Подобные пластины уже с конца 1930-х годов ставили на крыльях самолётов, но не на концах, а на поверхности консоли. Они служили тому же — препятствовали перетеканию воздушного потока от фюзеляжа к крышкам крыла, мешая развитию концевого срыва. Но считалось, что гребни служили для улучшения поперечной устойчивости самолёта со стреловидным крылом на больших углах штурмы. Перенос такого «гребня» Уиткомбом на самый край крыла дал существенно больший эффект.
Уиткомб не остановился на своем первоначальном проекте. Родилась идея вместо перпендикулярной пластины сделать загнутую наверх под определенным углом законцовку крыла, за которой впоследствии закрепилось название «крылышко» — по-английски winglet. Если правильно спрофилировать и ввести винглет, то можно не только блокировать поток воздуха от нижней поверхности крыла к верхней, но и создать на конце крыла вихрь, который будет взаимодействовать с концевым бурей крыла и ослаблять его. Кроме того, такие законцовки позволили увеличить удлинение крыла, почти не изменяя при этом его размах. Они же в итоге позволили улучшить топливную экономичность аэропланов, заодно повысив дальность полёта.
Первые испытания «крылышка» NASA совместно с ВВС США провели в 1979–1980-х годах в Летном исследовательском центре им. Хью Драйдена (ныне середина носит имя астронавта Нила Армстронга), расположенном в калифорнийской пустыне на территории базы ВВС США Эндрюс. В качестве испытуемого выступил реактивный четырехдвигательный военно-транспортный аэроплан KC‑135. Такой большой лайнер выбрали в том числе потому, чтобы заметнее было преимущество нововведения: на небольших самолетах отловить эффект было бы сложнее. Практика подтвердила теорию. Вдогонку за KC‑135 в роли испытуемых использовали два пассажирских широкофюзеляжных гиганта — L‑1011 компании Lockheed и DC‑10 фирмы McDonnell Douglas.
Винглет — шарклет
Два основных всемирных производителя самолётов — компании Boeing и Airbus — не остались в стороне. Начиная с 1985 года фирма Boeing впервые стала устанавливать винглеты на своих пассажирских широкофюзеляжных Boeing 747–400. В 1991 году фирма Aviation Partners Inc. (API), среди учредителей какой был бывший глава аэродинамического отдела Boeing Луис Гратцер (Louis Gratzer), разработала так называемое «смешанное крылышко» (blended winglet). В его конструкции покрывало плавно переходит в винглет, загибаясь вверх по дуге большого радиуса. API запатентовала изобретение, которое вскоре было использовано в рамках модернизации аэроплана Gulfstream II, дав экономию топлива около 7%. Столь масштабная экономия за счёт всего лишь изменения формы законцовки, не требовавшая переделки итого самолёта или ремоторизации, оказалась беспрецедентной в истории авиации.
Бизнес-джет Gulfstream II
В конце 1990-х годов Boeing стал предлагать фирмам, эксплуатирующим аэропланы семейства Boeing 737NG, установку своих винглетов как на уже используемых самолётах при их модернизации, так и на вновь заказываемых. Как показал дальнейший опыт эксплуатации B737NG, экономия топлива для них в итоге применения «крылышек» составила достаточно внушительные 4–5%.
Airbus к тому времени использовал на большинстве своих самолётов плоскую «шайбу Уиткомба», подававшую около 1,5% экономии топлива. Впервые такую законцовку поставили в 1985 году на А310–300. Затем «шайбы» появились на A300–600, всех образах семейства A320 и, наконец, на A380. Покупать смешанные винглеты у API Airbus, видимо, не собирался, либо, наоборот, API не желало делиться своим проектом с европейским производителем — основным конкурентом Boeing. Airbus занялся собственными изысканиями, которые вылились в очень схожую конструкцию. Её назвали шарклет (sharklet), что можно перевести как «акулий плавник». В середине 2000-х их стали устанавливать на модернизированные аэропланы семейства A320 Enhanced, а также на семейство широкофюзеляжных A330/A340, на новые A350 и А320NEO.
Конкурентная борьба винглетов и шарклетов в самом пылу. Компания API после начала испытаний «акульих плавников» обвинила Airbus в нарушении прав интеллектуальной собственности, обратившись в суд. Рассмотрение исков всё ещё продолжается.
Тем порой свои варианты загнутых законцовок появились уже во всем мире. В России они ставились на серийные дальнемагистральные самолёты Ил‑96, на всё семейство среднемагистральных Ту‑204/214, на многоопытные Су‑80 и Ту‑334. Винглеты стали ставить и на более лёгкие региональные самолёты — бразильский Embraer ERJ‑190 и канадский Bombardier CRJ‑200. В Китае был создан вариант с аэродинамическими законцовками аэроплана Xian Y‑7 (модификация Ан‑24). Оригинальные законцовки с тремя вертикальными «крылышками» стоят на китайском Y‑5C (модификация Ан‑2).
Под ирландские требования
Базовая версия SSJ100 создавалась с обыкновенными законцовками, поскольку выигрыш в экономии топлива от аналогов винглетов для самолётов лёгкого класса не настолько велик, как на средне- и особенно дальнемагистральных лайнерах. Однако вариант «крылышек» всё равновелико рассматривался. Например, ещё в феврале 2013 года заместитель главного конструктора ГСС по аэродинамике Александр Долотовский рассказал интернет-изданию «АвиаПорт», что проведённые в 2012 году продувки в аэродинамической трубе ЦАГИ им. Жуковского показали существенное улучшение характеристик: расход топлива сократится минимум на 3%, а кроме того, улучшатся взлётно-посадочные характеристики.
Многоопытный SSJ100 с одним из вариантов винглетов, фото (с) Суперджет (SSJ-100): реальность против домыслов
Заключение контракта с CityJet потребовало проведения таких доработок. «Винглеты являются непременным требованием аэропорта Лондон-Сити к воздушным судам», — пояснил после подписания контракта на поставку российских самолётов тогдашний исполнительный директор компании Superjet International Назарио Каучелья (Nazario Cauceglia). В свою очередность, руководство ГСС тогда же сообщило, что новые законцовки станут стандартом для новых SSJ100 и будут доступны для установки на уже эксплуатируемые воздушные суда.
«Авиация России» уже сообщала, с чем связано заявка аэропорта Лондон-Сити по обязательному наличию у принимаемых самолётов винглетов. Оно основано на необходимости снизить влияние спутных струй, образующихся позади приземляющегося аэроплана, которые могут повредить черепицу крыш расположенных рядом с аэропортом домов, находящихся в непосредственной близости от траектории посадки лайнеров. Руководство аэропорта влечётся снизить выплаты компенсаций владельцам пострадавших зданий, а винглеты уменьшают интенсивность спутных струй. Подробнее — на сайте аэропорта London City.
После этапа разработки новоиспеченные законцовки прошли всесторонние стендовые испытания. Применение саблевидных законцовок в конструкции привело к изменению нагрузок, влияющих на крыло во время полёта. Следственно, потребовалось усиление его отдельных областей, а также их новые испытания. Такие статические испытания консоли крыла для будущей установки горизонтальных законцовок завершились в июне 2017 года в научно-экспериментальном середине «Авиатест» (Рига, Латвия). Испытания проводились для проверки прочности конструкционных элементов посредством применения проектной нагрузки к мачте крыла и законцовок. После выгрузки тестового объекта не было замечено никаких деформаций или повреждений.
Испытания саблевидных гребневых законцовок. Жуковский, ЛИИ им. Громова, декабрь 2017 г.
Сертификационные наземные частотные испытания планера по основному изменению типовой конструкции «Внедрение горизонтальных законцовок крыла» проходят в ЦАГИ. Итоговыми тестами станут лётные испытания в летно-испытательном комплексе ГСС в Жуковском. Как помечают в ГСС, «внедрение законцовок на SSJ100 станет ещё одним шагом на пути повышения дальности полёта бизнес-версии самолёта до 7 тыс. км». Сертифицированные летом 2017 года добавочные топливные баки уже позволили увеличить дальность полёта до 6 тыс. км.
По материалам журнала ОАК «Горизонты», №4 (16), 2017 г.
Фото: Посадка самолёта в аэропорту Лондон-Сити, глиссада составляет 5,5° / © Марина Лысцева, http://fotografersha.livejournal.com