Moderní civilní letadla určená pro komerční letecké dopravce musí nejen vykazovat vysoké výkonnostní charakteristiky, ale také se vyznačovat nízkými provozními náklady. Při vytváření nových vzorků takového zařízení se bere v úvahu potřeba snížení všech základních nákladů a neustále se objevují nové možnosti snížení nákladů na údržbu a lety. Zajímavou verzi vložky, která může vykazovat zvláštní účinnost, letos navrhly organizace NASA a DLR. Slibný koncepční projekt se nazývá eRay.
Americký národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) a Německé centrum pro letectví a vesmír (DLR) významně přispívají k rozvoji letectví ve všech hlavních kategoriích, včetně komerčního letectví, které je odpovědné za přepravu osob a zboží. Specialisté těchto organizací neustále hledají nové nápady, přicházejí s novými návrhy a testují je. V létě letošního roku obě organizace představily koncept slibného letadla schopného vykazovat vysoké výkonnostní charakteristiky se zvýšenými ekonomickými ukazateli.
Nový projekt s předběžným názvem eRay se připravoval s rezervou do budoucna. Při formulování požadavků na něj byly brány v úvahu prognózy týkající se rozvoje komerčního letectví do roku 2045. Aktuální prognózy ukazují, že do této doby ve vyspělých a rozvojových zemích osobní a nákladní doprava výrazně poroste. V tomto ohledu bude vyžadován rozvoj letištní sítě a řešení různých organizačních problémů. Kromě toho bude na podporu dopravy vyžadována nová letecká technologie s charakteristickými schopnostmi. Svými vlastnostmi by měl překonat stávající vzorky.
NASA a DLR věří, že komerční letadla budoucnosti by měla být o 60% úspornější než ta současná. Měl by být schopen pracovat na malých letištích a také se vyznačovat sníženou hlučností a snadnou obsluhou. Autoři nového projektu ve svém výzkumu a zprávě o něm použili jako druh reference stávající sériový letoun Airbus A321-200. Slibný eRay měl mít podobné parametry kapacity a nosnosti, ale zároveň vykazovat výhody ve všech ostatních oblastech.
Koncept eRay zatím není určen pro plnohodnotný design s následným spuštěním výroby a provozu zařízení. V tomto ohledu se specialisté vědeckých organizací nedokázali omezit a použít nejodvážnější nápady, které ještě nejsou připraveny k implementaci do praxe. Právě použití takovýchto řešení umožnilo vyřešit zadané úkoly a „vytvořit“novou verzi letounu budoucnosti.
Podle nejoptimističtějších předpovědí bude letoun eRay o 30% lehčí než sériový A321. Účinnost elektrárny se zvyšuje o 48%. Celková energetická účinnost desky stoupá o 64%. Je třeba poznamenat, že k dosažení takových výsledků museli vědci a designéři nejen představit nové nápady, ale také opustit svá obvyklá řešení. V důsledku toho se navrhovaná vložka výrazně liší od moderních zástupců své třídy.
Projekt eRay navrhuje stavbu konzolového dolnoplošného letounu se smeteným křídlem. K dispozici je ocasní jednotka, včetně pouze stabilizátoru s velkým příčným V. Neexistuje žádný kýl. Originální způsob, kvůli potřebě zlepšit účinnost, byl vyřešen problém uspořádání prvků elektrárny. Jeho jednotlivé jednotky jsou umístěny v různých částech křídla, stejně jako v ocasu trupu.
Trup letadla obecně připomíná jednotky stávajících strojů. Je navržena konstrukce celokovové konstrukce s vysokým prodloužením s aerodynamickým tvarem. Příďová část je dána pod kokpit a technické místnosti, za nimiž je velký salon se sedadly spolujezdců. Pod prostorem pro cestující je k dispozici objem nákladu - především zavazadel. Ocasní část musí obsahovat jeden z motorů elektrárny.
Navrhuje se zakotvit zametaná letadla s trupem. Křídlo získá optimální profil a na většině jeho povrchu nejsou žádné prvky schopné narušit tok. Na náběžných a zadních hranách křídla je zajištěna mechanizace tradičního typu. Na konci konstruktéři umístili dvojici bypasových proudových motorů s potřebným vybavením.
Místo tradičního empennage používá projekt eRay neobvyklý systém. Na zadním konci trupu je instalován kuželovitý prstencový kanál pro tlačnou vrtuli elektrárny. Po stranách tohoto kanálu konstruktéři umístili dvě stabilizační roviny instalované s výrazným příčným V. Neexistuje kýl. Ovládání zatáčení by mělo být prováděno změnou tahu křídlových motorů nebo pomocí mechanizace křídla.
Podle výpočtů NASA a DLR lze tři čtvrtiny zvýšení energetické účinnosti dosáhnout pouze prostřednictvím aerodynamiky. Například 13% z celkového zvýšení účinnosti zajišťuje laminární proudění kolem trupu. Rozpětí křídel na 45 m zvýší o dalších 6%. Opuštění kýlu zkracuje povrch draku a snižuje odpor vzduchu.
Úkol omezení „extra“plýtvání energií je však vyřešen nejen díky aerodynamice. Zvažovala se tedy možnost odstranění bočních oken v prostoru pro cestující. V tomto případě je konstrukce trupu výrazně zjednodušena, což vede k jeho nižší hmotnosti a odpovídajícímu snížení požadavků na motory. Taková inovace však není považována za povinnou, protože cestujícím se nemusí líbit. Je nepravděpodobné, že by dopravce chtěl získat energetickou účinnost, ale zůstat bez zákazníků.
Projekt eRay počítá s vybavením letadla hybridní elektrárnou. Křídlo by mělo být vybaveno proudovými motory, které generují tah z plynů, a také pohánět dvojici elektrických generátorů. Elektřina přes potřebné měniče musí být dodávána k bateriím, stejně jako k zadnímu motoru. Hlavní výhodou takové elektrárny je schopnost flexibilně měnit obecné parametry tahu, aby se dosáhlo optimální spotřeby paliva odpovídající aktuálnímu letovému režimu.
NASA a DLR vidí dvojici obtokových proudových motorů jako základ pro elektrárnu pro eRay. Do konců křídel se navrhuje umístit výrobky s dostatečným výkonem a zmenšenými rozměry. V rámci projektu byla studována aplikace motorů se systémem výměníků tepla, ohřívajících přiváděný atmosférický vzduch plyny za turbínou. V některých režimech to umožňuje snížit spotřebu paliva o 20%.
Odborníci z těchto dvou organizací zkontrolovali stávající elektrická zařízení požadovaných typů a učinili určité závěry. Ukázalo se, že stávající generátory, baterie a motory umožňují vybudování elektrárny pro eRay, ale její vlastnosti budou zdaleka žádoucí. K získání optimálních parametrů jsou zapotřebí nové technologie a řešení. Zvažuje se zejména možnost využití účinku supravodivosti, který může ovlivnit parametry elektromotoru.
Stávající akumulátory rovněž neumožňují vytvoření letadla s požadovanými parametry. Technologie na úrovni roku 2010 poskytují energetickou hustotu řádově 335 W * h / kg. Očekává se, že do roku 2040 tento parametr naroste na 2500 W * h / kg. V krátkodobém horizontu se však musí spoléhat na baterie se skromnějšími charakteristikami přibližně 1 500 W * h / kg. Podle výpočtů poskytne kombinovaná elektrárna s elektrickými a proudovými motory dobu letu minimálně 6–7 hodin a dolet více než 6 000 km.
Zpráva o koncepčním projektu eRay přináší zajímavé číslice ukazující potenciál takové techniky. Při řešení stejného problému konstruktéři vypočítali hlavní výkonnostní ukazatele různých zařízení. Letoun A321 by při provádění „referenčního“letu v dosahu 4 200 km měl celkem spotřebovat necelých 84,5 MW energie. K tomu potřebuje 15881 kg paliva. Letadlo vydá 2,36 litru paliva na přepravu jednoho cestujícího na 100 km. U nadějného letadla eRay dosahuje podle výpočtů celková spotřeba energie 39,57 MW - to je 5782 kg paliva. K přepravě cestujícího na 100 km potřebujete pouze 0,82 litru paliva. Za daných podmínek se tedy slibný stroj ukazuje být o 65,3% účinnější než sériový model.
Jedním ze způsobů, jak zlepšit energetickou účinnost, je rozumné využití prostoru v prostoru pro cestující. NASA a DLR nabízejí tři možnosti pro pilotní kabinu s různými kapacitami. Nejprve uvažujeme o kabině ekonomické třídy, vytvořené na základě kabiny A321. V tomto případě jsou sedadla instalována v řadách 3 + 3 se střední uličkou. V této konfiguraci letadlo přepravuje 200 lidí. V konfiguraci Premium Economy se počet míst k sezení zvýší na 222 cestujících, pro které se používají různá sedadla a optimalizuje se rozdělení dostupných objemů. Byla také zpracována varianta se salony tří tříd. Business class pojme 8 míst k sezení, zatímco „economy“a „economy-slim“pojme 87 a 105 cestujících.
V navrhované podobě má letoun eRay délku 43,7 m. Rozpětí křídel je v základní konfiguraci 38 m nebo v pokročilém 45 m, což dává určité zvýšení energetické účinnosti. Hmotnost prázdného letadla je stanovena na 36,5 tuny. Maximální vzletová hmotnost je 67 tun. Užitečné zatížení je asi 25 tun, z toho 21 tun cestujících a 4 tuny zavazadel. Letový výkon závisí na prvcích použité elektrárny. Obecně by měly být na úrovni stávajících modelů komerčního letectví.
***
Koncept eRay, který letos představili přední výzkumné organizace ve Spojených státech a Německu, je ve skutečnosti dalším pokusem najít způsoby, jak dále rozvíjet osobní letectví. Jak je správně uvedeno ve zprávě o projektu, v budoucnu budou existovat nové požadavky na komerční letectví a dopravci budou potřebovat nové modely zařízení se speciálními schopnostmi. Hledání řešení tohoto problému se nezastaví a projekt eRay opět nabízí originální nápady toho či onoho druhu.
V projektu NASA a DLR bylo hlavním cílem zvýšení energetické účinnosti a zlepšení aerodynamiky, což by mělo pozitivně ovlivnit celkovou účinnost letadla. K získání takových charakteristik je navržen speciální design draku, který kombinuje dobře zvládnutá a nová řešení, a také neobvyklou hybridní elektrárnu založenou na odlišných součástech. Výpočty ukazují, že optimální spotřeba energie paliva v kombinaci se zlepšenou aerodynamikou by měla zvýšit letový i ekonomický výkon zařízení.
Všechny tyto výsledky však zatím zůstávají „na papíře“. Koncept vložky eRay, stejně jako další vývoj svého druhu, má vážnou chybu a její autoři si toho jsou dobře vědomi. V současné době a v blízké budoucnosti nebudou designéři schopni realizovat všechny výhody navrhovaného konceptu. Dosažení stanovených cílů je ztěžováno nedostatkem potřebných technologií. Myšlenka proudového motoru s výměníky tepla a výkonem generátoru tedy vyžaduje další rozpracování a praktické testování. Baterie s požadovanými vlastnostmi zatím nejsou k dispozici a charakteristický aerodynamický vzhled letadla musí potvrdit jeho schopnosti v průběhu různých studií.
Vývoj technologie potřebné ke stavbě skutečného letadla eRay je nákladný a časově náročný. Autoři projektu si toho jsou dobře vědomi, a proto uvažují o perspektivním letounu v kontextu leteckého vývoje v příštích desetiletích - až do roku 2040-45. Věří, že do této doby bude věda vytvářet potřebné komponenty a provádět veškerý požadovaný výzkum, který umožní implementaci nových konceptů: buď eRay, nebo jiné projekty.
Koncepční projekt NASA / DLR eRay - vzhledem ke svému specifickému účelu - nelze považovat za úspěch ani neúspěch. Jeho cílem bylo určit cesty pro rozvoj civilního komerčního letectví a najít optimální design, který splňuje požadavky budoucnosti. Vědci a inženýři obou zemí pečlivě prostudovali aktuální otázku a představili vlastní verzi odpovědi. Je dost možné, že koncem třicátých let letadla podobná současnému eRay skutečně vzlétnou. Rozvoj letectví však může jít i jinými cestami, a proto budoucí letadla budou mít podobnost s jinými koncepty naší doby.
