lion_rat (lion_rat) wrote,
lion_rat
lion_rat

Category:

Города и транспорт будущего. Часть вторая: Spanloader, ARTS и другие птицы

Для начала некоторые сведения об авиационном транспорте. Как следует из постера, наглядно показывающего в цифрах крупнейшие в мире контейнеровозы Maersk Triple-E class, при перемещении одной тонны груза на километр эти суда выбрасывают в атмосферу 3 грамма углекислого газа, железные дороги - 18 грамм, грузовые автомобили - 47 грамм, а грузовые самолёты - 560 грамм.

Как следует из статьи в Вики, главная причина авиакатастроф - ошибки пилотов (50% катастроф), далее следуют отказы техники (22%). На крейсерский участок полёта приходится всего 5% авиационных происшествий, 95% приходится на те участки, которые расположены в окрестностях аэродромов - это рулёжка, разбег, взлёт, набор высоты, снижение и ожидание захода на посадку, посадка и пробег.

Крупнейшая авиакатастрофа по числу жертв, если не считать терракт 11 сентября 2001 года - это столкновение двух Boeing 747 в аэропорту Лос-Родеос на острове Тенерифе 27 марта 1977 года. Один из самолётов рулил на земле, а второй взлетал. 583 человека погибло. Причина - перегруженность аэропорта. Следующая за нею катастрофа - падение Boeing 747 под Токио 12 августа 1985 года. Сразу после взлёта разрушилось оперение, из-за чего самолёт стал практически неуправляемым, не смог вернуться в аэропорт и врезался в склон горы. Погибло 520 человек.

Если продолжить смотреть список крупнейших авиакатастроф дальше, то несложно будет увидеть, что современные авиалайнеры и в самом деле сильно рискуют поблизости от аэропортов. Стоит только выйти из строя двигателю или органам управления - и всё, привет. Нет ни высоты, ни скорости, ни времени, ни возможности, чтобы что-то предпринять. Напротив, когда серьёзная неприятность вроде остановки всех двигателей происходит на большой высоте, есть шанс спастись. Это было продемонстрировано 23 июля 1983 года, когда у одного Boeing 767 прямо в полёте закончилось топливо. Пилот сумел без жертв и серьёзных разрушений посадить авиалайнер с неработающими двигателями как планёр, на взлётно-посадочную полосу закрытой авиабазы, превращённую в автодром. За это самолёту дали прозвище "Gimli Glider" ("Планёр Гимли"). Если бы все двигатели остановились во время взлёта или посадки - самолёт, скорее всего, разбился бы из-за недостатка высоты и скорости. Впрочем, DC-10 в аэропорту Чикаго 25 мая 1979 года хватило потери одного двигателя при взлёте, чтобы отправить на тот свет 273 человека. Пилоты действовали по инструкции, но, не зная истинного положения дел, совершили фатальную ошибку, слишком сильно снизив скорость. До террактов 11 сентября 2001 года это была крупнейшая авиакатастрофа в США.

Причина всего этого безобразия с безопасностью и сжиганием большого количества топлива заключается в том, что нынешние авиалайнеры - это компромисс между желанием получить высокие характеристики на крейсерском участке полёта и необходимостью как-то сажать машину на землю и поднимать её с земли при полной загрузке. Высокие взлётно-посадочные характеристики и способность прощать ошибки пилоту, увы, находятся в противоречии с дальностью полёта, скоростью и малым расходом топлива.

Для максимальных взлётно-посадочных характеристик и безопасности нужен вертикальный взлёт и посадка, крыло изменяемой геометрии с мощной механизацией, мощные двигатели с форсажными камерами, совершенная автоматика, способная при возникновении опасной ситуации сама сделать всё как надо, "внедрожное" шасси, допускающее посадку на любую более-менее ровную поверхность и на воду. Причём вертикальный взлёт и посадка должны осуществляться отдельными подъёмными двигателями. Никаких подъёмно-маршевых движков и конвертопланов - сложность управления на переходном режиме и возможность отказа двигателя сведёт на нет попытку сделать самолёт безопасным. Именно это было одной из причин, по которой французы при разработке вертикально взлетающего сверхзвукового истребителя Dassault Mirage III-V выбрали схему с одним маршевым и восемью подъёмными двигателями, а не с одним подъёмно-маршевым "Пегасом". Если выйдут из строя один-два подъёмных двигателя, остальные возьмут нагрузку на себя. Если выйдут из строя все подъёмные движки, у лётчика есть шанс разогнать машину маршевым двигателем, включив форсаж, а затем совершить обычную посадку на аэродром. Если у самолёта в полёте отвалятся крылья и оперение и выйдут из строя маршевые двигатели, он всё ещё остаётся управляем (струйное управление) и может совершить мягкую посадку на подъёмных двигателях. А пилоту, как выяснилось, легче управлять раздельной силовой установкой, чем подъёмно-маршевым движком, что уменьшает опасность человеческого фактора.

Во времена холодной войны разрабатывались и даже были построены и другие машины, в той или иной мере являвшиеся прообразами этого идеального самолёта для взлёта и посадки. Разработки в этом направлени были вызваны прежде всего опасностью Третьей Мировой с её предполагаемыми термоядерными ударами по аэродромам, что и приводило к требованиям со стороны военных сделать самолёты менее зависимыми от качества взлётно-посадочных полос. Примеры этих разработок:

1) General Dynamics F-111 и его отечественный аналог Су-24 КБ Сухого отличались крылом изменяемой в полёте стреловидности и системой управления, которая позволяла летать в режиме огибания местности на малой высоте и большой скорости без участия пилота.

2) Экранолёт ВВА-14 Р.Л. Бартини по замыслу его автора мог совершить вертикальный взлёт и посадку откуда и куда угодно - от аэродрома до болота и открытого моря. Это достигалось батареей из 12 подъёмных двигателей (в дополнение к двум маршевым), особым шасси и не менее особым крылом, обеспечивающим формирование под ним воздушной подушки рядом с землёй. Опытный образец был построен без подъёмных двигателей.

3) Американская фирма Republic совместно с немцами разрабатывала проекты военных сверхзвуковых самолётов, способных действовать с укороченных взлётно-посадочных полос и базироваться при необходимости вне аэродромов. Эти проекты (AVS и D.24) отличались сочетанием подъёмных и подъёмно-маршевых двигателей с крылом изменяемой в полёте стреловидности. Из первого впоследствии вырос европейский истребитель-бомбардировщик и перехватчик Panavia Tornado, второй проходил по тому же конкурсу, что и Dassault Mirage III-V.

Но эти и другие замечательные проекты сгубила чрезвычайная прожорливость таких машин. И не только потому, что их мощные силовые установки тратят очень много топлива, но и потому, что оборудование, дающее замечательные возможности по взлёту и посаде, в крейсерском режиме полёта является весьма тяжёлым и сложным мёртвым грузом. Да и сама по себе способность взлететь откуда угодно и куда угодно садиться оказалась не очень-то востребована в большинстве случаев, и там, где нужно летать часто, проще построить аэродром, или даже пригнать его по морю (авианесущий корабль), чем заставлять самолёт носить его, по сути, на себе. Поэтому в области вертикального взлёта и посадки правят бал вертолёты, СВВП если и делают, то с подъёмно-маршевыми двигателями, гидросамолёты и амфибии применяют лишь там, где без них совсем никак (спасатели, пожарники и частные самолёты для глуши), а от крыльев с изменяемой в полёте стреловидности военные отказались, хотя старые машины с ними ещё летают.

В то же время, для наилучших характеристик на крейсерском участке полёта, для тех скоростей, на которых летают сегодня реактивные лайнеры, лучше всего подходит огромное "летающее крыло" очень большого удлинения, с нагрузкой и силовой установкой, равномерно распределёнными вдоль размаха, и с системой управления пограничным слоем, делающим обтекание самолёта плавным, без возмущений.

Идея эта далеко не новая, авиаконструкторы пришли к ней ещё в первой трети ХХ века. Множество построенных машин, таких как Junkers G.38, АНТ-20 Туполева, К-7 Калинина и ещё большее количество проектов, вроде шестифюзеляжной десятидвигательной "летающей лодки" немца Румплера (Rumpler) и транспортиков Бурнелли - все они были в большей или в меньшей степени попыткой приблизиться к этому идеалу. Попытки эти не прекращались и после Второй Мировой. И в семидесятых годах NASA вместе с ведущими авиастроительными фирмами США принялись рассматривать концепцию транспортника нового поколения, радикально превосходящего предшественников по способности доставить максимум груза и пассажиров на максимальное расстояние при минимальных затратах топлива. Концепт был назван "Spanloader", или DLF ("Distributed-Load Freighter").

Как заметили авторы концепта, каждые восемь лет происходило удвоение взлётного веса транспортных самолётов. Связано это с тем, что, как и в случае с кораблями, большой самолёт перевозит единицу веса груза с меньшими затратами топлива ("эффект масштаба", "закон куба-квадата"). Для экономии топлива лучше перемещать сразу помногу и большим транспортом. В то же время, при увеличении размеров самолёта, объёмы крыла растут быстрее, и в какой-то момент становится возможным разместить весь груз и топливо в толстом "летающем крыле". Кроме того, у самолёта обычной схемы груз, размещённый в фюзеляже, создаёт изгибающий момент, который требует усиления конструкции крыла. Если же груз размещать равномерно вдоль размаха, то изгибающий момент становится гораздо меньше, и конструкцию крыла можно сделать менее прочной и более лёгкой. У "летающего крыла" к тому же меньше частей, которые создают сопротивление и не создают подъёмной силы. Эти и другие соображения приводят к тому, что начиная с некоторого веса груза (270 тонн по рассчётам авторов концепта) выгоднее становится DLF, а не самолёт обычной схемы. И чем крупнее самолёт, чем больше удлинение крыла, тем более выгодным DLF становится - в силу "эффекта масштаба" и улучшения аэродинамического качества при росте удлинения. Дополнительные преимущества заключаются в следующем:

1) Конструкция проста, и может составляться из стандартных секций, что позволяет легко варьировать размах крыла и вместимость самолёта.
2) Благодаря большим объёмам и простой форме крыла, двигатели можно упрятать внутрь него и совместить с системой управления пограничным слоем ("Laminar Flow Control", LFC). Она откачивает тонкий слой воздуха вокруг самолёта через крохотные отверстия в обшивке, не давая возникнуть вихрям и делая обтекание гладким (ламинарным). Всё это позволяет сильно сократить сопротивление воздуха и уменьшить затраты топлива, даже с учётом дополнителного веса от оборудования LFC. В зависимости от реализации, прибавка к дальности полёта при одинаковой нагрузке и запасе топлива при использовании LFC может достигать 30-50 и более процентов.

Рассматривались различные проекты, с размахом крыла 80-160 метров, взлётным весом примерно 800-1300 тонн, с грузом 300-600 тонн. Грузы предполагалось размещать в морских контейнерах в тоннелях вдоль крыла, погрузка и выгрузка должны были осуществляться через люки на концах крыла. В движение самолёт должен был приводиться 6-8 двигателями в ряд вдоль размаха крыла. Рассматривались и военные проекты, например, с 26 роторными пусковыми установками вдоль размаха на 208 крылатых ракет AGM-86A, или с четырьмя баллистическими ракетами MX, запускаемыми в полёте. Посмотреть на эти проекты и почитать (на английском) можно здесь, здесь и здесь.

Но если вертикально взлетающие машины были погублены тем, что нужно было летать далеко, возить много и тратить поменьше топлива, то умеющие делать всё это превосходно DLF погубило то, что надо было взлетать и садиться. Да, именно так - махина под тысячу тонн весом с размахом крыла под сотню метров требовала первоклассной взлётно-посадочной полосы большой длины и ширины. И хотя объём воздушных перевозок всё время увеличивался, увеличивалось также и количество мест, куда грузы надо было доставлять - а большой самолёт хоть и перевозит сразу много и экономно, не делится на части. Система LFC с приближением к земле начинает портится - крохотные отверстия забиваются пылью, грязью, насекомыми и осадками.

Так транспортное самолётостроение и застыло на широкофюзеляжниках, не в силах разрешить противоречие между небом и землёй. Поэтому нынешние машины и топливf жгут гораздо больше, чем могли бы, и бьются на взлёте и посадке, так как нету у них ни автоматики, ни оборудования, чтобы в случае опасной ситуации просто взять и спокойно сесть на ближайшее ровное место, даже если пилоты умерли или решили самоубиться вместе с самолётом. А ведь способ разрешить противоречие был придуман в те же годы, что и "Spanloader".

Назывался он ARTS, сокращение от "Aerial Relay Transportation System". Изучением его занимался Albert C. Kyser из NASA Langley Research Center. Как он писал в документе NASA, существующая в США система воздушных перевозок с аэропортами сложилась примерно к пятидесятым годам ХХ века, и попросту не была рассчитана на тот поток пассажиров и грузов, который возник спустя всего 20 лет. Перегрузка аэропортов - в воздухе и на земле - стала большой проблемой, иллюстацией которой и стала авиакатастрофа в Лос-Родеос. И в поисках новой, гораздо более совершенной системы воздушных перевозок, способной решить проблему перегруженности аэропортов, сократить потребление топлива и улучшить условия для пассажиров родилась идея: нужно двигать не авиалайнеры между аэропортами, а поднять аэропорт в воздух и заставить двигаться по замкнутому маршруту! Нужно разделить компромиссные авиалайнеры на два типа самолётов, каждый из которых бескомпромиссно, идеально приспособлен к одному из двух занятий - полёту на крейсерском участке, и полёту вне его (взлёт и посадка)!

Первый тип самолётов - "лайнеры" ("liners") совершают беспосадочный, постоянный полёт по замкнутому маршруту, и постоянно везут пассажиров и груз. Для этого более всего подходит именно DLF / "Spanloader". Но не простой, а несколько таких DLF, состыковавшихся концами крыльев в одно очень большое "летающее крыло" очень большого размаха. Так как аэродинамическое качество с ростом удлинения крыла увеличивается, то такое состыкованное крыло экономичнее и лучше летает, чем составляющие его модули по отдельности. А каждый модуль может быть сделан такого размера, чтобы мог совершить взлёт и посадку без груза и пассажиров - так осуществляется сборка "лайнера" в воздухе и замена его по частям. Тот же принцип предлагали в DARPA спустя 30 лет - беспилотник "Z-Wing" для программы "Vulture" должен был совершать беспосадочный полёт на солнечных батареях в течении 5 лет. А чтобы самолёт с огромным размахом крыльев-батарей мог взлететь и ремонтироваться прямо в полёте, его предлагали делать составным, из нескольких аппаратов поменьше.

Поскольку "лайнер" летает без взлётов и посадок (кроме сборки и замены модулей, происходящих без груза и пассажиров), то ему не требуется ни мощная механизация крыла, ни очень мощные двигатели с реверсом тяги и мерами уменьшения шума, ни особо прочное шасси. Всё это дополнительно облегчает и упрощает конструкцию.

Второй тип самолётов - "кормильцы" ("feeders"), они совершают короткие рейсы между точками назначения и "лайнером", когда тот пролетает мимо. "Кормилец" быстро взлетает с пассажирами, грузом и запасом топлива для "лайнера", стыкуется с ним в полёте, дозаправляет, обменивается пассажирами и грузом (отдаёт летящих дальше и принимает тех, что спускаются вниз) и далее отстыковывается и совершает посадку в месте назначения. Для "кормильца" наиболее важны высокие взлётно-посадочные характеристики и скороподъёмность, тогда как высокая дальность полёта и экономичность на крейсерском участке ни к чему, так как большую часть расстояния пассажиры и груз летят на другом самолёте, специально приспособленом для этого.

Таким образом, можно совместить достоинства DLF и "вездеходных СВВП" и избавиться от их недостатков. А заодно избавиться и от аэропортов с их пробками - как в воздухе, так и на земле, ведь "кормильцы" способны доставить пассажиров и груз практически от двери до двери. По рассчётам, топливная эффективность ARTS при полёте на тысячу морских миль (примерно 1800 километров) вдвое выше, чем у широкофюзеляжного самолёта, и втрое - при использовании LFC. При полёте же на ~10000 км преимущество может достигнуть пятикратного без LFC и десятикратного с нею - иначе говоря, на доставку заданного количества пассажиров и груза на 10000 км будет затрачено в 5-10 раз меньше горючего. Это если не считать ещё трат горючего на доставку грузов и пассажиров в аэропорт и от него. так как этот участок пути можно упразднить за ненадобностью ("кормилец" везёт от двери и до двери, с крыши на крышу), или сильно сократить (ездить надо не в крупный местный аэропорт, а к взлётно-посадочной площадке неподалёку).

Сама по себе стыковка летательных аппаратов в воздухе и передача чего-либо между ними давно уже осуществимы, с тридцатых годов прошлого века. "Звено-СПБ" ("Звено Вахмистрова") из бомбардировщика ТБ-3 и истребителей применялось в СССР в начале Великой Отечественной, в США в тридцатые годы действовали дирижабли-авианосцы USS Akron (ZRS-4) и USS Macon (ZRS-5), носившие лёгкие самолёты-разведчики. После Второй Мировой также осуществлялись стыковки истребителей и бомбардировщиков в воздухе, в том числе и концами крыльев (опыты с B-36 в США), а дозаправка в воздухе давно стала обыденностью.

Систему можно ещё усовершенствовать следующими способами.

1) "Кормилец" совершает рейс от "лайнера" как планёр, с неработающими двигателями, не тратя горючее. Двигатели могут быть запущены уже на небольшой высоте, например для вертикальной посадки, если потребуется.

2) Развитием идеи крыла изменяемой геометрии является т.н. "адаптивное управляемое крыло". Оно представляет собой гибкую эластичную обшивку, натянутую на механизированый каркас, словно кожа на скелет, и благодаря этому способно менять свою форму в широких пределах, оставаясь при этом гладким, без швов. Будучи применённым на "кормильцах", такое крыло позволит ещё более улучшить их взлётно-посадочные характеристики. А для модулей, из которых состоят "лайнеры", такая конструкция даёт интересную возможность - изменение размаха в полёте. Идея такого крыла не нова, различные конструкции раздвижных (телескопических) крыльев предлагались в СССР и на Западе ещё в первой трети прошлого века. Но эластичная обшивка позволяет реализовать это без швов. Благодаря изменяемому размаху, модуль "лайнера" может вписываться в предельно допустимую ширину для аэродрома на вздёте и посадке, а в полёте его размах становится больше, улучшая аэродинамическое качество. Занятно: ранние самолёты и были гибкой обшивкой (тканью) на каркасе. История развивается по спирали.

3) Развитием идеи СВВП с отдельными подъёмными двигателями является Boeing PETA Cells. В качестве подъёмных двигателей используются пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, известные своей простотой. При этом они являются одновременно частью корпуса самолёта, а не отдельным оборудованием, встроенным в него и бесполезным в горизонтальном полёте. Потенциал PETA ещё больше, чем на первый взгляд, потому что ближайшими родственниками пульсирующих ВРД являются пульсирующие детонационные двигатели. Они сулят революцию в авиационном двигателестроении благодаря своим характеристикам и простоте конструкции, но пока существуют в опытных образцах, один из которых успел уже полетать на самолёте.

4) Взлётно-посадочные характеристики "лайнеров" могут быть значительно улучшены, если перед взлётом или посадкой загружать в них балоннеты с подъёмным газом (с помощью тех же "кормильцев", например), а после установки на место стравливать газ и выгружать балоннеты обратно на "кормильцы". Тогда требования к обслуживающим аэродромам для сборки и ремонта "лайнеров" и к шасси модулей-DLF могут быть ещё больше снижены.

5) Для "лайнеров" и их модулей предлагалось прямое крыло, поскольку его можно составить из модулей. Тогда как для DLF, согласно исследованиям, гораздо лучше стреловидное крыло. Возможный выход - стыковать "лайнер" из модулей со стреловидными крыльями, так, что получается крыло пилообразной формы в плане, или зигзаг. Это не беспрецедентное решение - такое крыло предлагалось, например, в немецких проектах бомбардировщиков Blohm und Voss P.188 и Blohm & Voss BV P.188.04. Похожие пилообразные формы встречались на опытных самолётах с крылом обратной стреловидности и наплывом (Northrop Grumman X-29, С-37 КБ Сухого), на американских малозаметных самолётах вроде бомбардировщика Northrop B-2 и в проекте упоминавшегося уже беспилотника DARPA "Z-Wing".

Если же последовательно развивать идею ARTS дальше, то можно придти к тому, что будет описано в третьей части.

Первым делом хочется заменить "вездеходные СВВП" на что-нибудь столь же вездеходное и вертикально взлетающее, но более безопасное и способное работать на возобновляемых источниках энергии, вроде электричества от солнечных батарей или биотоплива, а не жечь авиационное горючее из нефти. И такие аппараты существуют. Это гибридные дирижабли ("Hybrid airship"), наиболее известным представителем которых является Lockheed Martin P-791. В отличие от дирижаблей обычных, у них только часть подъёмной силы создаётся подъёмным газом и, как ни страно, в этом их преимущество: их меньше сдувает ветром и меньше тормозит воздух в силу отностельно более тяжёлой и компактной конструкции. Поэтому они могут обходиться без эллингов и быстрее летать. С другой стороны, по сравнению с вертолётами и СВВП они требуют меньше горючего на вертикальный взлёт и посадку, и тяга может создаваться пропеллерами, что делает возможным применение, например, электрических двигателей. За счт разгрузки подъёмным газом, шанс разбиться на таком аппарате тоже может быть меньше. Интересно также, что полужёсткие дирижабли могут быть более живучими, чем жёсткие, поскольку отверстие, возникшее в жёсткой обшивке под действием скоростного напора воздуха имеет тенденцию расширяться, в отличие от отверстия в эластичной оболочке. И, по счастливому стечению обстоятельств, как полужёсткий дирижабль, так и адаптивное крыло - это гибкая оболочка на каркасе.

Поскольку "кормильцы" совершают относительно короткие рейсы, это может отчасти компенсировать невысокую скорость гибридных дирижаблей. Однако за реактивным "лайнером" им не угнаться, поэтому необходим перевалочный пункт - аэропорт в небесах. Это может быть очень большой аэростат, или, скорее, свзязка из них. Гибридные дирижабли перемещают пассажиров и грузы между такими аэропортами в небесах и землёй, осуществляя начальне и конечные стадии доставки "от двери до двери". При подлёте "лайнера" к аэропорту с него стартует "челнок" - реактивный самолёт, осуществляющий стыковку с "лайнером". Поскольку он уже на большой высоте, затраты горючего на её набор у него сильно сокращены. Быть "вездеходным СВВП" ему тоже не надо - для запуска он сбрасывается с аэростата и планирует, а затем набирает высоту с помощью двигателей. Возвращается же обратно как планёр.

Но можно пойти и дальше, и превратить уже "лайнер" в гибридный дирижабль - "летающее крыло" на солнечных батареях, пожертвовав скоростью в обмен на отсутствие трат топлива. Благо огромные объёмы и площади крыла "лайнера" этому способствуют, а NASA Helios и Solar Impulse доказали, что электрический самолёт на солнечных батареях возможен. Такой "лайнер" сможет, в принципе, и в воздухе зависнуть, и вертикальную посадку совершить. И если уж идти дальше в рассуждениях, то не нужны ни "кормильцы", ни "челноки". На высоту с поверхности всё что надо могут доставлять и лифты (в том числе и на основе аэростатов), "лайнер" с балоннетами может стыковаться непосредственно с портом в небесах для загрузки и разгрузки, да и не нужен большой пассажиропоток между поверхностью и небом, потому что... потому что люди могут жить прямо там. В городе в небесах. Но об этом - в следующией части.
Tags: spaceship earth, Города будущего, Транспорт будущего
Subscribe

  • Девочки и пушки

    Как известно, женщины давно и успешно осваивают профессии, которые считались или до сих пор считаются чисто мужскими. Похоже что теперь очередь дошла…

  • Когда пишут историю войн - логика страдает.

    Как известно, сомнения в описаниях войн прошлого у людей возникают, когда они начинают задавать очевидные, в общем-то, вопросы, которые, однако,…

  • "Брат-1" как пропаганда

    Когда я был намного моложе и зеленее, фильмы вроде этого заходили на ура. Потом стало не до них, и вообще не до кино. Однако со временем приходит…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments