Nowoczesne cywilne statki powietrzne przeznaczone dla komercyjnych przewoźników lotniczych muszą nie tylko charakteryzować się wysokimi osiągami, ale także wyróżniać się niskimi kosztami eksploatacji. Przy tworzeniu nowych próbek takiego sprzętu brana jest pod uwagę potrzeba obniżenia wszystkich podstawowych kosztów, a także stale pojawiają się nowe możliwości obniżenia kosztów utrzymania i lotów. Ciekawą wersję liniowca, zdolną do pokazania szczególnej skuteczności, zaproponowały w tym roku organizacje NASA i DLR. Obiecujący projekt koncepcyjny nazywa się eRay.
Amerykańska Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (NASA) oraz Niemieckie Centrum Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej (DLR) wnoszą znaczący wkład w rozwój lotnictwa we wszystkich głównych kategoriach, w tym lotnictwa komercyjnego, które jest odpowiedzialne za transport ludzi i towarów. Specjaliści tych organizacji nieustannie poszukują nowych pomysłów, wychodzą z nowymi propozycjami i testują je. Latem tego roku obie organizacje przedstawiły koncepcję obiecującego samolotu zdolnego do wykazania się wysokimi osiągami przy podwyższonych wskaźnikach ekonomicznych.
Nowy projekt pod wstępnym tytułem eRay był wypracowywany z rezerwą na przyszłość. Formułując wymagania dla niego uwzględniono prognozy dotyczące rozwoju lotnictwa komercyjnego do 2045 roku. Aktualne prognozy pokazują, że do tego czasu w krajach rozwiniętych i rozwijających się ruch pasażerski i towarowy znacznie wzrośnie. W związku z tym wymagany będzie rozwój sieci lotnisk i rozwiązanie różnych problemów organizacyjnych. Ponadto do wsparcia transportu potrzebna będzie nowa technologia lotnicza o charakterystycznych możliwościach. Pod względem swoich cech powinien przewyższać istniejące próbki.
NASA i DLR uważają, że komercyjne samoloty przyszłości powinny być o 60% tańsze niż obecne. Powinien być w stanie pracować na małych lotniskach, a także wyróżniać się obniżonym hałasem i łatwością obsługi. W swoich badaniach i raporcie na ten temat autorzy nowego projektu wykorzystali jako swoisty punkt odniesienia istniejący samolot produkcyjny Airbus A321-200. Obiecujący eRay miał mieć podobne parametry pojemności i nośności, ale jednocześnie wykazywać zalety we wszystkich innych obszarach.
Koncepcja eRay nie jest jeszcze przeznaczona do pełnoprawnego projektu z późniejszym uruchomieniem produkcji i eksploatacji sprzętu. Pod tym względem specjaliści organizacji naukowych byli w stanie nie ograniczać się i wykorzystywać najśmielsze pomysły, które nie są jeszcze gotowe do wdrożenia w praktyce. To właśnie zastosowanie takich rozwiązań umożliwiło rozwiązanie zleconych zadań i „stworzenie” nowej wersji samolotu przyszłości.
Według najbardziej optymistycznych prognoz samolot eRay będzie o 30% lżejszy od produkcyjnego A321. Sprawność elektrowni wzrasta o 48%. Ogólna efektywność energetyczna płyty wzrasta o 64%. Należy zauważyć, że aby uzyskać takie wyniki, naukowcy i projektanci musieli nie tylko wprowadzić nowe pomysły, ale także zrezygnować ze swoich utartych rozwiązań. W rezultacie proponowana wyściółka znacznie różni się od współczesnych przedstawicieli swojej klasy.
Projekt eRay proponuje budowę wolnonośnego dolnopłata ze skośnym skrzydłem. Zapewniona jest jednostka ogonowa, w tym tylko stabilizator z dużym poprzecznym V. Nie ma stępki. W oryginalny sposób, ze względu na konieczność poprawy sprawności, rozwiązano problem rozmieszczenia elementów elektrowni. Jego poszczególne jednostki są umieszczone w różnych częściach skrzydła, a także w ogonie kadłuba.
Kadłub samolotu ogólnie przypomina jednostki istniejących maszyn. Proponuje się budowę konstrukcji całkowicie metalowej o dużym wydłużeniu o aerodynamicznym kształcie. Część dziobowa znajduje się pod kokpitem i pomieszczeniami technicznymi, za którymi znajduje się duży salon z miejscami dla pasażerów. Pod przedziałem pasażerskim znajduje się objętość ładunku - przede wszystkim na bagaż. Sekcja ogonowa musi pomieścić jeden z silników elektrowni.
Proponuje się dokowanie przemiatanych samolotów z kadłubem. Skrzydło uzyskuje optymalny profil, a na większości jego powierzchni nie ma elementów mogących zakłócić przepływ. Na krawędziach natarcia i spływu skrzydła przewidziana jest mechanizacja typu tradycyjnego. Na końcu projektanci umieścili parę obejściowych silników turboodrzutowych wraz z niezbędnym wyposażeniem.
Zamiast tradycyjnego usterzenia w projekcie eRay zastosowano nietypowy system. Na tylnym końcu kadłuba zainstalowano stożkowy kanał pierścieniowy dla pchającego śmigła elektrowni. Po bokach tego kanału konstruktorzy umieścili dwie płaszczyzny stabilizatora zainstalowane ze znacznym poprzecznym V. Nie ma stępki. Kontrolę odchylenia należy przeprowadzić poprzez zmianę ciągu silników skrzydeł lub za pomocą mechanizacji skrzydeł.
Według obliczeń NASA i DLR, trzy czwarte wzrostu efektywności energetycznej można osiągnąć tylko dzięki aerodynamice. Na przykład 13% ogólnego wzrostu wydajności zapewnia przepływ laminarny wokół kadłuba. Zwiększenie rozpiętości skrzydeł do 45 m daje wzrost o kolejne 6%. Porzucenie stępki skraca powierzchnię płatowca, zmniejszając opór powietrza.
Jednak zadanie zmniejszenia „dodatkowego” marnotrawstwa energii zostało rozwiązane nie tylko ze względu na aerodynamikę. Rozważono więc możliwość usunięcia bocznych okien przedziału pasażerskiego. W tym przypadku konstrukcja kadłuba jest znacznie uproszczona, co prowadzi do jego mniejszej wagi i odpowiedniego zmniejszenia wymagań dla silników. Jednak taka innowacja nie jest uważana za obowiązkową, ponieważ pasażerom może się nie podobać. Jest mało prawdopodobne, aby przewoźnik chciał uzyskać efektywność energetyczną, ale zostać bez klientów.
Projekt eRay przewiduje wyposażenie samolotu w elektrownię hybrydową. Skrzydło powinno być wyposażone w silniki turboodrzutowe generujące ciąg z gazów, a także napędzające parę generatorów elektrycznych. Energia elektryczna przez niezbędne konwertery musi być doprowadzona do akumulatorów, a także do silnika ogonowego. Główną zaletą takiej elektrowni jest możliwość elastycznej zmiany ogólnych parametrów ciągu w celu uzyskania optymalnego zużycia paliwa odpowiadającego aktualnemu reżimowi lotu.
NASA i DLR widzą parę obejścia turboodrzutowców jako podstawę elektrowni dla eRay. Proponuje się umieszczanie produktów o wystarczającej wydajności i zmniejszonych wymiarach w końcówkach skrzydeł. W ramach projektu zbadano zastosowanie silników z układem wymienników ciepła, ogrzewających dopływające powietrze atmosferyczne gazami za turbiną. W niektórych trybach pozwala to zmniejszyć zużycie paliwa o 20%.
Eksperci z obu organizacji dokonali przeglądu istniejących urządzeń elektrycznych wymaganych typów i wyciągnęli pewne wnioski. Okazało się, że istniejące generatory, baterie i silniki pozwalają zbudować elektrownię dla eRay, ale jej właściwości będą dalekie od pożądanych. Aby uzyskać optymalne parametry, potrzebne są nowe technologie i rozwiązania. W szczególności rozważana jest możliwość wykorzystania efektu nadprzewodnictwa, który może wpływać na parametry silnika elektrycznego.
Istniejące akumulatory również nie pozwalają na stworzenie samolotu o pożądanych parametrach. Technologie z poziomu 2010 zapewniają gęstość energii rzędu 335 W*h/kg. Do roku 2040 ten parametr ma wzrosnąć do 2500 W*h/kg. Jednak w krótkim okresie trzeba zdać się na akumulatory o skromniejszej charakterystyce około 1500 W*h/kg. Według obliczeń, połączona elektrownia z silnikami elektrycznymi i turboodrzutowymi zapewni czas lotu co najmniej 6-7 godzin i zasięg ponad 6000 km.
Raport z projektu koncepcyjnego eRay dostarcza ciekawych liczb pokazujących potencjał takiej techniki. Projektanci obliczyli główne wskaźniki wydajności różnych urządzeń, rozwiązując ten sam problem. Samolot A321, wykonując lot „wzorcowy” na odległość 4200 km, powinien zużywać łącznie prawie 84,5 MW energii. Aby to zrobić, potrzebuje 15881 kg paliwa. Samolot zużywa 2,36 litra paliwa na przewóz jednego pasażera na 100 km. Dla obiecującego samolotu eRay, według obliczeń, całkowite zużycie energii sięga 39,57 MW - jest to 5782 kg paliwa. Aby przewieźć pasażera na 100 km, potrzebujesz tylko 0,82 litra paliwa. Tak więc w danych warunkach obiecująca maszyna okazuje się o 65,3% wydajniejsza od modelu seryjnego.
Jednym ze sposobów na poprawę efektywności energetycznej jest mądre wykorzystanie przestrzeni w przedziale pasażerskim. NASA i DLR oferują trzy opcje kokpitu liniowego o różnych pojemnościach. Przede wszystkim rozważamy kabinę klasy ekonomicznej, stworzoną na bazie kabiny A321. W tym przypadku siedzenia są instalowane w rzędach 3 + 3 z przejściem środkowym. W tej konfiguracji samolot przewozi 200 osób. W konfiguracji Premium Economy pojemność miejsc jest zwiększona do 222 pasażerów, dla których wykorzystywane są różne miejsca, a rozkład dostępnych objętości jest zoptymalizowany. Opracowany został również wariant z salonami trzech klas. Klasa biznes mieści 8 miejsc, a „economy” i „economy-slim” odpowiednio 87 i 105 pasażerów.
W proponowanej formie samolot eRay ma długość 43,7 m. Rozpiętość skrzydeł wynosi 38 m w podstawowej konfiguracji lub 45 m w zaawansowanej, co daje pewien wzrost efektywności energetycznej. Masa pustego samolotu określona jest na 36,5 t. Maksymalna masa startowa to 67 t. Ładowność wynosi około 25 ton, w tym 21 ton pasażerów i 4 tony bagażu. Osiągi lotu zależą od zastosowanych elementów elektrowni. Generalnie powinny one znajdować się na poziomie istniejących modeli lotnictwa komercyjnego.
***
Koncepcja eRay, zaprezentowana w tym roku przez wiodące organizacje badawcze w Stanach Zjednoczonych i Niemczech, jest w rzeczywistości kolejną próbą znalezienia sposobów dalszego rozwoju lotnictwa pasażerskiego. Jak słusznie zauważono w raporcie z projektu, w przyszłości pojawią się nowe wymagania dla lotnictwa komercyjnego, a przewoźnicy będą potrzebować nowych modeli sprzętu o specjalnych możliwościach. Poszukiwanie rozwiązań tego problemu nie ustaje, a projekt eRay po raz kolejny oferuje oryginalne pomysły różnego rodzaju.
W projekcie NASA i DLR głównymi celami były zwiększenie efektywności energetycznej i poprawa aerodynamiki, co powinno pozytywnie wpłynąć na ogólną sprawność samolotu. Aby uzyskać takie cechy, proponuje się specjalną konstrukcję płatowca, łączącą dobrze dopracowane i nowe rozwiązania, a także niezwykłą elektrownię hybrydową opartą na odmiennych komponentach. Obliczenia pokazują, że optymalne zużycie energii paliwa w połączeniu z poprawioną aerodynamiką powinno zwiększyć zarówno lot, jak i wydajność ekonomiczną sprzętu.
Jednak na razie wszystkie te wyniki pozostają „na papierze”. Koncepcja wkładki eRay, podobnie jak inne rozwiązania tego typu, ma poważną wadę, z czego doskonale zdają sobie sprawę jej autorzy. Obecnie iw najbliższej przyszłości projektanci nie będą w stanie zrealizować wszystkich zalet proponowanej koncepcji. Osiągnięcie założonych celów utrudnia brak niezbędnych technologii. Zatem idea silnika turboodrzutowego z wymiennikami ciepła i mocą wyjściową do generatora wymaga dalszego dopracowania i praktycznych testów. Akumulatory o pożądanych właściwościach nie są jeszcze dostępne, a charakterystyczny aerodynamiczny wygląd samolotu musi potwierdzać jego możliwości w toku różnych badań.
Opracowanie technologii niezbędnej do zbudowania prawdziwego samolotu eRay jest kosztowne i czasochłonne. Autorzy projektu doskonale zdają sobie z tego sprawę, dlatego rozważają perspektywiczny samolot w kontekście rozwoju lotnictwa w kolejnych dekadach – do 2040-45. Wierzą, że do tego czasu nauka stworzy niezbędne komponenty i przeprowadzi wszystkie wymagane badania, które pozwolą na wdrożenie nowych koncepcji: eRay lub innych projektów.
Projektu koncepcyjnego NASA/DLR eRay – ze względu na swój specyficzny cel – nie można uznać za sukces ani porażkę. Jego celem było wyznaczenie ścieżek rozwoju cywilnego lotnictwa komercyjnego i znalezienie optymalnej konstrukcji spełniającej wymagania przyszłości. Naukowcy i inżynierowie z obu krajów dokładnie przestudiowali aktualne pytanie i przedstawili własną wersję odpowiedzi. Całkiem możliwe, że pod koniec lat trzydziestych samoloty podobne do obecnego eRay faktycznie wystartują. Jednak rozwój lotnictwa może przebiegać w inny sposób, dlatego przyszłe samoloty będą miały podobieństwa z innymi koncepcjami naszych czasów.
