demyan (demyan) wrote in engineering_ru,
demyan
demyan
engineering_ru

Category:

Новый заход в ту же реку

Компания Отто Авиэйшн, возглавляемая отцом и сыном Отто, выкатила на испытания очередной ламинарный самолет. Заявляемые выгоды читатель найдет указанном сайте, а тут хочется подчеркнуть некоторые особенности, на сайте не указанные. Вот еще пара роликов:

https://youtu.be/q3r0FklxfL4
https://youtu.be/-rvp7gYOaRg

Основные идеи в проекте старые - понизить сопротивление самолета, а значит и расход топлива, добившись ламинарного обтекания планера. Ламинарное трение в разы ниже турбулентного. При доле сопротивления трения турбулентного самолета в 50% от общего достигнув ламинарного обтеания крыла можно снизить общее сопротивление самолета процентов на 10-20. Это, по сегодняшним меркам, очень много. Новый самолет, правда, заявляет еще и ламинарное обтекание фюзеляжа.


Способов ламинаризации в настоящее время несколько. Новая машина использует самый старый из известных - придание телам такой формы, которая позволяет поддержать ламинарное состояние пограничного слоя возможно дольше. Это называется "естественная ламинаризация обтекания" (ЕЛО) или "Natural Laminar Flow" (NLF). В полетных условиях переход к турбулентности в пограничном слое на гладкой обтекаемой поверхности происходит вследствие неустойчивости течения в слое. Это означает, что там появляются колебания скорости, которые вниз по потоку вдоль поверхности экспоненциально нарастают. Этот процесс роста сопровождается хаотизацией этих колебаний, в результате получаем турбулентный погранслой и рост трения. Самый главный способ подавить неустойчивость (если не применять никаких активных методов с непосредственной затратой энергии, в настоящее время наиболее отработан отсос слоя) это обеспечить возрастание вниз по потоку скорости течения, т.е. давление вдоль поверхности должно падать (отрицательный градиент). Такие распределения давления дают давно известные ламинарные профили со смещенным назад максимумом их толщины, такую же форму имеет фюзеляж рассматриваемой "Целеры" 500. Легко видеть на картинках, что максимум толщины фюзеляжа сильно сдвинут назад и получившаяся форма напоминает вытянутую пулю. Поскольку завихренный поток за винтом дает сильную внешнюю (по отношению к пограничному слою на планере) турбулентность, которая легко вызывает ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое на теле часто вообще без всякой неустойчивости, практически сразу, то винт выбран толкающим и сама ВМГ сзади. Вообще говоря, примененная на "Целере" компоновка соответствует перспективным ламинарным самолетам периода 1937-45 гг. Ничего нового тут нет. И нельзя сказать, что подобные проекты (почти прямое крыло, фюзеляж с увеличенным участком ламинарного обтекания) не появляются время от времени везде, в том числе и в России.

Трехмерные эффекты и ламинарный фюзеляж. Даже несмотря на то, что такие фюзеляжи всерьез рассматривались в проектах конца 30-х прошлого века, самих ламинарных фюзеляжей с весьма протяженной зоной ламинарного течения, в отличие от крыльев, пока не было. С чем это связано поясним на примере тех же крыльев. На прямом крыле (если, например, его сужение не через чур велико) течение в пограничном слое от размаха почти не зависит. Скорость в пограничном слое направлена вдоль хорды крыла, синие линии на картинке (показана качественно форма профиля скорости U в пограничном слое на крыле):

x1


Если на этом прямом крыле, подбирая форму профиля, поток ускорять, профили скорости в пограничном слое становятся более наполненными (на картинке ниже для зеленого профиля давление падает быстрее, чем для малинового), а такие профили замедляют развитие неустойчивости в слое и ламинарно-турбулентный переход. Это и составляет основной принцип проектирования ламинарных профилей и суть технологии ЕЛО.

x2
Однако для фюзеляжа двумерное обтекание возможно только в одном случае - осесимметричном, т.е. углы атаки и скольжения равны 0. При появлении ненулевых значений этих углов течение неминуемо становится трехмерным. Поясним снова крылом, только уже стреловидным. Стреловидное крыло дает нам пример простейшего трехмерного течения в пограничном слое и это течение показано на картинке выше красными линиями. Фундаментальным отличием от двумерного случая здесь является появление в пограничном слое поперечного течения с весьма характерным профилем W. В области ускорения потока, т.е. отрицательного градиента давления, необходимого для ЕЛО, это вторичное течение направлено к корню крыла. Интенсивность этого течения по сравнению с продольным U невелика, оно достигает всего нескольких (обычно не более 10) процентов от U

x3

Однако свойства устойчивости профиля W таковы, что этих нескольких процентов хватает на то, чтобы в полетных условиях практически моментально турбулизировать пограничный слой. Профили W, подобные показанным выше, крайне неустойчивы. И ничего поделать с этим нельзя. Впервые с таким эффектом столкнулись англичане. Они пытались построить скоростной самолет дальнего действия со стреловидным крылом, был изготовлен его демонстратор. Оказалось, что на набранном из ламинарных профилей стреловидном крыле AW.52 никакими мерами нельзя удержать ламинарное обтекание, пограничный слой становился турбулентным вблизи передней кромки. Это происходило на вылизанном, поддерживаемом экстремально гладким в меру возможностей того времени, крыле экспериментального самолета. Так была открыта неустойчивость поперечного течения, похоронившая ЕЛО на самолетах со стреловидными крыльями. На стреловидном крыле возможна ламинаризация только активными методами. Это дорогие методы, поэтому на "Целере" прямое крыло.

А что фюзеляж? Из картинки мы видим, что его максимальная толщина смещена примерно на 60% длины, иллюминаторов для пассажиров нет (это, конечно, сущая ерунда в свете развития бортовых систем развлечений), гладкая углепластиковая поверхность рассчитана на поддержание ее чистоты от грязи, пыли и... жуков. Жуки, налипающие на самолет, страшные враги ЕЛО, они дают нерасчетную шероховатость.

x4

это очень показательная картинка осесимметричного обтекания. А вот что получится при наличии аэродинамического угла
x5

Огромной черной стрелкой показана одна из областей трехмерного пограничного слоя на этом эллипсоиде под углом атаки. На картинке также видны области отрыва потока, которые турбулизируют обтекание вообще немедленно. Однако я думаю, что фюзеляж "Целеры" аэродинамически спроектирован таким образом, что на крейсерском режиме обтекается безотрывно во всех важных местах. Поскольку никакими пассивными методами ЕЛО нельзя достичь ламинарного состояния погранслоя с поперечным течением, то это означает, что самолет "Целера" не будет летать как ламинарный при наличии уже достаточно небольших углов атаки и скольжения. А ведь его фюзеляж имеет максимум толщины аж на 60%, т.е. его ламинарное обтекание очевидно должно вносить значительный вклад в общий выигрыш по сопротивлению. Достичь здесь ламинарного обтекания можно только устранив само поперечное течение, т.е. в осесимметричном режиме. Это приводит нас к вопросам эксплуатации и сертификации.

Эксплуатация. Единственным примером технологии ЕЛО, находящимся сейчас в серийном производстве и в эксплуатации, являются мотогондолы ТРДД. Первыми представителями были машины семейства 787, затем они стали проникать на 737, заложены в проект 777Х, и остальной мир ими увлекся тоже. Они дают, в лучшем случае, область в 10% ламинарного обтекания по длине гондолы от передней кромки или примерно 1% экономии топлива (оптимистическая оценка). Ключевое отличие от проекта "Целеры" тут состоит в том, что покупая 787, заказчик покупает ОДИН самолет. Его расчетный режим это турбулентное обтекание, указанный 1 процент это ничто на фоне всего расхода. Все ламинарные изыски служат не более, чем некоторой экономии топлива ценой некоторого возрастания расходов по обслуживанию. А покупая "Целеру" эксплуатант покупает ДВА самолета. Одна машина с расчетным ламинарным режимом, а вторая с расчетным турбулентным. Причем, экипажи заказчика должны быть готовы переобуваться в воздухе, меняя прямо в полете один самолет на второй. Это произойдет по причине возможной утери ламинарного обтекания в полете. Источники такой потери могут быть разнообразные - взлет в теплом климате сквозь мошкару, которая налипнув сделает поверхности шероховатыми, а шероховатость прекрасно турбулизирует; полет в обледенении; полет по тем или иным причинам на повышенных углах атаки. В турбулентном режиме возрастут расходы топлива и необходимо будет поменять план полета как в отношении аэронавигационных и аварийных остатков, так и в отношении запасных аэродромов. Т.е. надо будет иметь либо два плана полета, либо какой-то гибкий план. Но при этом эксплуатанту придется нести расходы на поддержание чистоты поверхности на земле. Пока все эти вопросы не решены на уровне сертификации. Непонятно как сертифицировать ламинарные самолеты, поскольку их расчетные режимы мутируют. Здоровое ламинарное обтекание может сменяться турбулентным, и обратная ситуация также вполне возможна прямо в полете.
В этой связи есть и еще один важнейший вопрос - а как экипаж или бортовая авионика узнают, что план полета пора менять? Можно, конечно, пристально следить за расходом топлива, но это крайне ненадежный метод. Необходим способ непосредственно выяснять состояние пограничного слоя и обеспечивать такую индикацию экипажу и выдачу сигналов в бортовое оборудование. Причем этот способ должен быть не только надежным, но и робастным, никакие освоенные на летающих лабораториях и в аэрофизическом эксперименте в трубах методы тут не годятся. Эта задача пока не решена.

Из приведенных выше материалов по "Целере", кроме того, видно еще несколько интересных вещей.

На "Целере", похоже, нет механизации передней кромки (привет тебе, Ан-2). Само по себе это не удивительно и не страшно. Ну, будет этот самолет любить только хорошие аэродромы. Не страшно. Непонятно только вот что - механизация передней кромки на самолетах с ЕЛО служит не только повышению подъемной силы на взлетно-посадочных режимах. Она защищает переднюю кромку и остальную поверхность крыла от мух и жуков. Для этого применяют предкрылок Крюгера


x7

Насекомые налипают на него, а затем он убирается в нижнюю поверхность крыла, и в обтекании на крейсерском режиме его поверхность практически не участвует. конечно, достичь ламинарного обтекания нижней поверхности крыла таким путем невозможно, там все будет турбулизировано технологическими стыками, но... без Крюгера легко оказаться вообще без ламинарного течения.

Совершенно непонятно, что на этой "Целере" с противообледенительной системой. Ее крыло выглядит, как пластиковое крыло планера. Но планеры обычно не летают в какую-попало погоду... А вопрос ПОС на ламинарном самолете больной - не слишком легко ее интегрировать в планер, не утеряв или не ослабив ламинарные эффекты.

Наконец, им пришлось, очищая крыло, убирать шасси в фюзеляж. Колея узкая, механизации нет, самолет не только любит хороший аэродром, он не любит боковичок.

В целом, появление такой машины можно только приветствовать. Если Отто авиэйшн удасться внедрить это машину в компании, сертифицировать ее именно как ламинарную, то это откроет новые варианты для более серьезной техники, изменит гражданскую авиацию весьма сильно, причем с любым типом энергетики, хоть новомодным электродвижением. Можно только пожелать им успеха. Шансы есть.
Tags: авиация и воздухоплавание
Subscribe
promo engineering_ru февраль 2, 2016 08:22 129
Buy for 50 tokens
Из приговора военного трибунала Балтийского Флота и Кронштадтской крепости, 1923 года, декабря 19 дня: Вечером 19 июля 1923 года военные моряки линейного корабля «Парижская коммуна» – котельный механик Борисов, трюмный старшина Путилин, трюмные ученики: Пронин, Сизов, Колеров, Писарев, Логинов,…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 24 comments