Новое поколение легких самолетов
предпосылки создания и характеристики

Анализ потребности общества в удобном высокоэффективном транспортном средстве для междугородных поездок, а также современное развитие науки и техники дают возможность сделать вывод о появлении в ближайшем будущем нового поколения легких самолетов, характеристики которых позволят конкурировать не только с самолетами нынешнего поколения, но и с другими видами транспортных средств. Это обстоятельство обусловливает существенное увеличение численности персональных самолетов в развитых странах мира и необходимость пересмотра роли легкой авиации в транспортных системах будущего.

Введение

GROB GF-200 имеет признаки легкого самолета нового поколения
С незапамятных времен человек стремился к познанию мира. Эта его особенность привела сначала к созданию, а затем развитию транспортных средств. К началу 21 века скорости перемещения пассажирского транспорта превысили две тысячи километров в час, дальность стала достаточной, чтобы совершать за одну поездку не только внутриконтинентальные, но и межконтинентальные путешествия. Тем не менее столь весомые цифры не дают оснований сегодня утверждать о том, что транспорт достиг совершенства. Поездки (рассматривается междугородный транспорт) занимают больше времени и менее комфортны, чем хотелось бы большинству, часто неудобны по времени и все еще чрезмерно дороги. Представленный ниже анализ показывает, что на сегодняшний день имеют место не только все социальные и экономические предпосылки создания нового, качественно более высокого вида междугородного транспортного средства, но и необходимые условия его возникновения, обусловленные современным уровнем развития науки и техники.
Таким видом транспортного средства может стать легкий самолет нового поколения, главным отличием которого от самолетов настоящего поколения можно считать наличие у него комплекса летно-технических, эксплуатационных и экономических характеристик, дающих ему качественно более высокий уровень потребительских свойств и позволяющих успешно конкурировать не только с легкими самолетами нынешнего поколения, но и с другими видами транспортных средств.

Социально-экономические и научно-технические предпосылки
возникновения нового поколения легких самолетов

Развитие транспорта (как транспортных систем, так и транспортных средств) в целом и легкой самолетной авиации в частности обусловлено тремя основными факторами:
– наличием у человека врожденного инстинкта перемещения;
– осознанием человеком необходимости сохранения окружающей среды;
– стремлением человека к экономической выгоде.
Оно базируется на достигнутом уровне развития науки и техники.
Представленные факторы обусловливают ряд как мировых, так и региональных тенденций современного развития транспорта.
Мировые:
– рост потребности общества в поездках;
– рост требований к безопасности;
– рост требований к экономичности;
– рост требований к комфорту;
– персонализация транспорта;
– глобализация и интеграция общества;
– изменения в структуре народонаселения.
Региональные (для СНГ):
– развитие регионов со слабой транспортной инфраструктурой;
– ситуация на рынке труда;
– высокий научно-технический потенциал в СНГ;
– несбалансированность парка самолетов по количеству мест.
Рост потребности общества в поездках является следствием роста деловой активности населения, развития туризма, увеличения степени миграции населения. Данной тенденции в полной мере удовлетворяет развитие авиации общего назначения и в частности легких самолетов.
Рост требований к безопасности является логичным следствием возрастания ценности человеческой жизни.
Рост требований к экономичности очевиден и говорит о том, что стоимость поездки сегодня является важнейшим фактором для принятия решения о ее совершении. Если учесть, что различные виды транспорта часто конкурируют друг с другом, то можно сделать вывод о возможности прогресса легкой авиации в случае достижения ею уровня экономичности ниже уровня других видов транспортных средств.
Рост требований к комфорту в комментариях не нуждается.
Персонализация транспорта является следствием известного стремления человека в максимально возможной степени использовать свое, а не общественное.
Глобализация и интеграция общества является одним из важнейших факторов роста потребности общества в поездках;
Изменения в структуре народонаселения, заключающиеся в уменьшении концентрации людей в городах и все большем их расселении на территориях с малой плотностью населения, приводят к снижению эффективности общественного междугородного транспорта и росту стоимости инфраструктуры наземного (автомобильного, железнодорожного) транспорта. Развитие же легкой авиации полностью соответствует данной тенденции.
Развитие регионов со слабой транспортной инфраструктурой в СНГ, в частности в России, точнее, потребность в развитии уже сегодня сформировала и потребность в большом количестве единиц легкой авиационной техники, в том числе легких самолетов.
Ситуация на рынке труда в странах СНГ характеризуется сравнительно небольшой стоимостью ручного высококвалифицированного труда. Данное обстоятельство обусловливает возможность разработки и серийного производства легких самолетов, сочетающих в себе как высокую наукоемкость и экономические и летно-технические характеристики, так и приемлемые для большинства покупателей цены.
Высокий научно-технический потенциал в СНГ предопределяет потенциальную возможность создания легких самолетов нового поколения.
Несбалансированность парка самолетов по количеству мест возникла в связи с практическим отсутствием рынка частной авиации в бывшем СССР и ведет к повышению спроса на летательные аппараты с количеством мест от двух до десяти.
Аэродинамическая компоновка легкого самолета нового поколения "Сарган" спроектирована с учетом ламинаризации пограничного слоя
Только потребность общества в создании легких самолетов нового поколения, естественно, не означает появление их на мировом рынке. Необходима еще и возможность этого, что, прежде всего, обусловлено достигнутым уровнем развития науки и техники. В этой связи можно утверждать, что этот уровень развития науки и техники делает возможным создание такой авиационной техники, в частности легких самолетов персонального класса, которая бы по всем критериям соответствовала признакам нового поколения. Таким образом, научно-техническими предпосылками создания легких самолетов нового поколения являются:
– успехи в развитии экспериментальной и, прежде всего, численной аэродинамики;
– развитие научных основ оптимизации сложных технических систем;
– создание и развитие научных основ обеспечения безопасности полета;
– развитие научных основ диагностики и прогнозирования работы сложных технических систем;
– успехи материаловедения, создание и освоение промышленного производства новых материалов;
– успехи в развитии микрорадиоэлектронной и микропроцессорной техники;
– создание и развитие компьютерных и спутниковых технологий;
– успехи в двигателестроении;
– создание спасательных систем для легких самолетов.

Результаты сравнительного анализа соответствия
тенденциям развития различных видов транспорта

С учетом представленных выше тенденций автором выполнен сравнительный анализ перспективности развития таких видов транспорта, как:
– общественный наземный (железнодорожный и автомобильный);
– общественный воздушный (магистральный и МВЛ);
– персональный автомобильный;
– самолет нынешнего поколения;
– самолет нового поколения.
Анализировались следующие характеристики:
– топливная экономичность;
– стоимость поездки;
– стоимость транспортного средства;
– стоимость инфраструктуры, обеспечивающей функционирование транспортного средства;
– стоимость обучения обслуживающего (эксплуатирующего) персонала;
– скорость;
– расстояние;
– оперативность планирования поездки;
– уровень безопасности;
– уровень комфорта;
– уровень шума на местности;
– степень воздействия на окружающую среду;
– ресурс и срок службы;
– возможность использования альтернативных видов топлива.
В результате анализа получены следующие результаты. В настоящее время наилучшим видом междугородного транспорта является общественный наземный (поезд, автобус); практически на одном уровне находятся общественный авиационный (аэробусы, самолеты и вертолеты МВЛ) и персональный автомобильный (легковой автомобиль). Авиационный персональный транспорт же (легкие самолеты и вертолеты) на сегодня серьезную конкуренцию указанным видам составить не могут. Косвенным подтверждением полученных результатов может служить реальное количество и степень развития рассмотренных видов транспорта.
Главным же результатом проведенного анализа можно считать вывод о том, что в случае, когда легкий самолет приблизится по экономичности к общественному наземному транспорту, а по скорости и расстоянию – к общественному воздушному, он начинает серьезно конкурировать со всеми другими видами транспорта.

Требования к легкому самолету нового поколения

Для того чтобы легкий самолет принадлежал новому поколению, комплекс его потребительских свойств должен обеспечивать ему новое качество – способность конкурировать с другими видами транспортных средств. Разработчик (как и потенциальный покупатель) предъявляет, прежде всего, конкретные требования к такому летательному аппарату.
Топливная экономичность
В настоящей работе для оценки топливной экономичности используется такая ее характеристика, как расход топлива, отнесенный к количеству пассажиров и пройденному расстоянию.
Исходя из представленных на рис.1 величин, для легкого самолета нового поколения необходимо обеспечить удельный расход топлива на уровне
10–12 г/км·пасс.
Дальность полета должна быть такой, чтобы были обеспечены; во-первых, беспосадочные перелеты внутри континентов; во-вторых, полеты с посадками на площадках, где невозможна дозаправка топливом; в-третьих, беспосадочные перелеты между такими континентами, как Европа, Северная Америка, Австралия и Азия.
Такие перелеты становятся возможными в случае, если дальность полета самолета будет не менее 6000 километров.

Рис. 1. Сравнительная оценка удельного расхода топлива для различных видов транспорта

Рис. 2. Сравнительная оценка крейсерской скорости для различных видов транспорта

Рис. 3. Сравнительная оценка полного КПД для различных типов авиационных силовых установок

Крейсерская скорость полета
В случае, когда дальность полета может достигать нескольких тысяч километров, скорость становится одной из важнейших характеристик. Учитывая также необходимость возможности конкуренции с другими видами транспорта (рис. 2), крейсерская скорость полета должна находиться на уровне 500–600 км/ч.
В этом случае по абсолютному значению скорости объект настоящего исследования несколько проигрывает самолетам "большой авиации", однако с учетом времени, затрачиваемого пассажирами на дорогу в аэропорт и обратно, а также их "привязанность" к расписанию, проигрыш этот становится несущественным. Кроме того, повышение скорости полета для легких самолетов связано с его существенным удорожанием и снижением экономичности.
Взлетно-посадочные характеристики самолета должны обеспечить его эксплуатацию с площадок длиной не более 400–500 метров. Удовлетворение этому требованию позволит в подавляющем большинстве случаев реализовать при поездках принцип "от двери к двери".
Также важным является возможность самолета использовать для взлета и посадки поверхность естественных водоемов как в летний, так и в зимний периоды.
Легкий самолет нового поколения должен иметь высокий уровень автоматизации, который с целью снижения утомляемости и повышения безопасности полета обеспечил бы:
– автоматическое управление самолетом на всех или на наиболее продолжительных режимах полета;
– парирование возмущений и сохранение ресурса при полете в турбулентной атмосфере;
– оптимизацию режимов полета и работы агрегатов и систем.
Комфорт в салоне самолета должен быть на уровне современного легкового автомобиля.

Пути реализации требований к легкому самолету нового поколения

Для анализа возможности снижения расхода топлива и повышения дальности полета самолета воспользуемся уравнением дальности Бреге:

Уравнение дальности Бреге

в которое входят удельная теплота сгорания топлива HU, (м), коэффициент полезного действия силовой установки hcy, аэродинамическое качество K, относительная масса запаса топлива mT.
Видно, что радикальным путем повышения дальности (но не экономичности) является увеличение относительной массы топлива. Это можно сделать за счет применения в конструкции самолета более легких и прочных материалов и снижения массы оборудования.
Немаловажным является и обеспечение максимально возможного КПД силовой установки, которое напрямую зависит от КПД двигателя и движителя.
Из различных типов силовых установок в отношении максимального КПД наибольшими перспективами обладают такие силовые установки, как турбовинтовентиляторный двигатель и комбинация турбодизеля с воздушным винтом. Учитывая размерность объекта исследований и требование к его стоимости, можно сделать вывод о том, что винтомоторная силовая установка, оснащенная дизельным двигателем с турбонаддувом, является наиболее предпочтительной для легкого самолета нового поколения.
Наиболее эффективным средством увеличения дальности (а также улучшения экономичности) является повышение аэродинамического качества. Для прямолинейного горизонтального полета это означает снижение сопротивления. Традиционным способом снижения силы аэродинамического сопротивления считается увеличение удлинения крыла. Так было сделано и на рекордном самолете АНТ-25 30-х годов, так было сделано и на Вояджере 80-х. В самом деле (рис. 4), индуктивное сопротивление составляет до 40 и более процентов от всего сопротивления на режиме (крейсерском), обеспечивающем максимальную дальность полета.
Однако более глубокий анализ последствий снижения индуктивной составляющей сопротивления посредством увеличения удлинения крыла приводит к выводу, что рост экономичности и увеличение дальности полета за счет большего аэродинамического качества можно реализовать при больших значениях коэффициента подъемной силы, а это эквивалентно для прямолинейного горизонтального полета уменьшению крейсерской скорости. Кроме того, крыло большого удлинения тяжелее, конструктивно сложнее и дороже обычного.

Рис. 4. Соотношение видов сопротивлений для легкого самолета на крейсерском режиме

Другим же направлением снижения аэродинамического сопротивления самолета является уменьшение потерь на трение. Этот путь сегодня признан специалистами как наиболее перспективный. Главным средством снижения сопротивления трения является ламинаризация – комплекс конструктивных мероприятий, направленных на повышение доли площади смачиваемой поверхности летательного аппарата, обтекаемой с ламинарным пограничным слоем и соответственно снижение доли пограничного слоя с турбулентным режимом течения. Исследования по ламинаризации ведутся и в "большой авиации", но (!) именно в малой авиации результаты этих исследований могут иметь максимальный эффект. Это связано с тем, что именно элементы малоразмерных летательных аппаратов обтекаются в зоне так называемых переходных чисел Рейнольдса (106–107). В пределе этого диапазона чисел Рейнольдса только за счет замены турбулентного погранслоя полностью ламинарным возможно снижение коэффициента сопротивления трения в семь (!) раз (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от числа Рейнольдса для различных видов течения в пограничном слое

Рис. 6. Зависимость силы сопротивления от скорости для обычного и ламинаризованного самолета

Рис. 7. Область достигнутых значений аэродинамического качества всех летательных аппаратов в зависимости от числа Рейнольдса

Вторым же замечательным следствием снижения сопротивления за счет ламинаризации является увеличение крейсерской скорости. Например, (рис. 6) изменение степени ламинаризации с 25% до 50% самолета класса Ил-103 позволяет не только снизить сопротивление в 1,7 раза, но и увеличить крейсерскую скорость со 160 до 250 км/ч.
Об огромном потенциале экономичности и эффективности, который кроется в легких малоразмерных самолетах, также можно судить по диаграмме (рис. 7), представляющей собой область значений аэродинамического качества летательных аппаратов всех типов, созданных когда либо человеком, и чисел Рейнольдса, характеризующих вязкость обтекающего их потока воздуха.
Левая часть диаграммы соответствует легким микро- и мини-моделям, правая – аэробусам и тяжелым транспортным самолетам. "Пятно" справа снизу – область, достигнутая тяжелыми сверхзвуковыми машинами (Ту-144, "Конкорд", Ту-160). Область посредине соответствует легким и сверхлегким самолетам, пилотируемым планерам, значение аэродинамического качества которых сегодня превысило 60 единиц. Данное обстоятельство не только позволяет сделать вывод о серьезном запасе по улучшению характеристик именно для легких малоразмерных самолетов, но и о том, что, реализовав этот запас на практике, класс этих летательных аппаратов становится грозным конкурентом практически для всех типов междугородных транспортных средств.
Таким образом, можно сказать, что в настоящее время имеются социально-экономические и научно-технические предпосылки создания легкого персонального самолета нового поколения, обоснованы требования к такому аппарату, предложены пути реализации этих требований. Встает вопрос, возможно ли сегодня создание такого самолета, каковы будут его характеристики, за счет чего они будут достигнуты? Ответ положительный. Да. Проекты таких машин существуют, и об одном из них читатели АОН узнают в ближайшее время.

Александр Шувалов (Харьков)