Нефтяной кризис и поиск альтернативных видов топлива
Первое столетие полётов с двигателем требовало роста производства жидкого топлива из нефти, и таким образом развитие авиации является символом эры нефти, в это время добыча и потребление нефти возрастали по экспоненте. В то время как другие важнейшие виды транспора (автомобильный, железнодорожный, водный) также зависят от жидкого топлива, авиация зависит в значительно большей степени, так как другие доступные источники энергии (например, электрические батареи) недостаточно практичны для полётов.
С 2003 по 2008 годы цены на нефть выросли в 6 раз. В отличие от предыдущих кризисов, такое большое увеличение цены на нефть на этот раз не было связано с какими-либо существенными сокращениями поставок нефти или снижения её мировых запасов, а скорее с невозможностью стран-экспортёров нефти увеличить её добычу в достаточной мере, чтобы удовлетворить растущий спрос со стороны новых крупных потребителей нефти — быстрорастущих экономик, таких как Китай и Индия. Ряд исследователей считает, что пик нефти, возможно, уже прошёл, или его достижение будет неизбежным, а значит цены на нефть могут продолжать увеличиваться, возможно в течение многих лет, и до беспрецендентных уровней.
Увеличение цен на нефть оказывает сильное влияние на гражданскую авиацию. К частности из-за его высокого расхода топлива в расчёте на 1 пассажира Concorde обладал слабой конкурентоспособностью даже тогда, когда нефть была относительно дешева. Дозвуковые реактивные лайнеры использует меньше топлива в пассажира, но топливная составляющая представляет собой существенную долю цены на билет, а топливные ценовые надбавки делают пассажирские перелёты более дорогими. Тем временем прогресс в технологиях, таких как видеоконференция, уменьшает стоимость виртуальной альтернативы по сравнению с физическом присутствием, что имеет особое значение для бизнеса. Некоторые эксперты нефтедобывающей промышленности, такие как Мэтью Симмонс призывают к более широкому применению таких технологий вместо использования транспорта.
Потребность в обеспечении топливом авиации (особенно военной авиации) привела к увеличению исследований дополнительные источников жидких топлив для авиации, таких как биотопливо. Увеличение производства большого количества жидких топлив по доступным ценам может быть одним из решений для авиации, если мировое нефтяное производство действительно фактически достигает максимума и входит в фазу необратимого снижения, как предсказано теорией Хабберта.
Высокие цены на топливо могут стимулировать развитие самолётов схемы «летающее крыло» в связи с их их более высокой топливной эффективностью.
Механизация крыла
Закрылки — отклоняемые поверхности, симметрично расположенные на задней кромке крыла. Закрылки в убранном состоянии являются продолжением поверхности крыла, тогда как в выпущенном состоянии могут отходить от него с образованием щелей. Используются для улучшения несущей способности крыла во время взлёта, набора высоты, снижения и посадки, а также при полётe на малых скоростях.
Принцип работы закрылков заключается в том, что при их выпуске увеличивается кривизна профиля и (в некоторых случаях) площадь поверхности крыла, следовательно, увеличивается и подъёмная сила. Кроме того, выпуск закрылков способствует увеличению аэродинамического сопротивления. При выпуске закрылков обычно возникает необходимость перебалансировки самолёта из-за возникновения дополнительного продольного момента, что усложняет управление самолётом. Закрылки, образующие при выпуске профилированные щели, называют щелевыми. Закрылки могут состоять из нескольких секций, образуя несколько щелей (как правило, от одной до трех). К примеру, на отечественном Ту-154М применяются двухщелевые закрылки, а на Ту-154Б — трёхщелевые. Щели способствуют перетеканию воздушного потока с нижней поверхности на верхнюю, одновременно разгоняя его. Это помогает затянуть срыв потока с закрылков и, таким образом, увеличить возможный угол их отклонения и допустимый угол атаки.
Флапероны, или «зависающие элероны» — элероны, которые могут выполнять также функцию закрылков при их синфазном отклонении вниз. Широко применяются в сверхлёгких самолётах и радиоуправляемых авиамоделях при полётах на малых скоростях, а также на взлёте и посадке. Иногда применяется на более тяжелых самолётах (например, Су-27). Основное достоинство флаперонов — это простота реализации на базе уже имеющихся элеронов и сервоприводов.
Предкрылки - отклоняемые поверхности, установленные на передней кромке крыла. При отклонении образуют щель, аналогичную таковой у щелевых закрылков. Предкрылки, не образующие щели, называются отклоняемыми носками. Как правило, предкрылки автоматически отклоняются одновременно с закрылками, но могут и управляться независимо.
В целом, эффект предкрылков заключается в увеличении допустимого угла атаки, то есть срыв потока с верхней поверхности крыла происходит при бо́льшем угле атаки.
Помимо простых, существуют так называемые адаптивные предкрылки. Адаптивные предкрылки автоматически отклоняются для обеспечения оптимальных аэродинамических характеристик крыла в течение всего полета. Также обеспечивается управляемость по крену при больших углах атаки с помощью асинхронного управления адаптивными предкрылками.
Интерцепторы (спойлеры) — отклоняемые или выпускаемые в поток поверхности на верхней и (или) нижней поверхности крыла, которые увеличивают аэродинамическое сопротивление и уменьшают(увеличивают) подъёмную силу. Поэтому интерцепторы также называют органами непосредственного управления подъёмной силой. Не следует путать интерцепторы с воздушными тормозами.
В зависимости от площади поверхности консоли, расположения её на крыле и т. д. интерцепторы выделяют несколько видов инцепторов.
Внешние элерон-интерцепторы. Элерон-интерцепторы представляют собой дополнение к элеронам и используются в основном для управления по крену. Они отклоняются несимметрично. Например, на Ту-154 при отклонении левого элерона вверх на угол до 20°, элерон-интерцептор на этой же консоли автоматически отклоняется вверх на угол до 45°. В результате подъёмная сила на левой консоли крыла уменьшается, и самолёт кренится влево.
У некоторых самолетов, например, МиГ-23, интерцепторы (наряду с дифференциально отклоняемым стабилизатором) являются главным органом управления по крену.
Спойлеры (интерцепторы) — гасители подъемной силы.Симметричное задействование интерцепторов на обоих консолях крыла приводит к резкому уменьшению подъемной силы и торможению самолёта. После выпуска самолёт балансируется на бо'льшем угле атаки, начинает тормозиться за счет возросшего сопротивления и плавно снижаться. Возможно изменение вертикальной скорости без изменения угла тангажа.
Интерцепторы также активно используются для гашения подъемной силы после приземления или при прерванном взлёте и для увеличения сопротивления. Необходимо отметить, что они не столько гасят скорость непосредственно, сколько снижают подъёмную силу крыла, что приводит к увеличению нагрузки на колеса и улучшению сцепления колёс с поверхностью. Благодаря этому, после выпуска внутренних интерцепторов можно переходить к торможению с помощью колёс.
Бертран Пиккард в Дюссельдорф, Швейцария, представил самолет "Солнечный Импульс" (Solar Impulse). Этот самолет будет использовать солнечную энергию для полета. Первый самолет с размахом крыльев в 61 метр должен подтвердить результаты моделирований, последнее из которых было произведено в мае прошлого года, воспроизводя реальный полет от Гавайев до Флориды. Первый экспериментальный полет предполагается в 2009 году, ввод в эксплуатацию намечен на 2011.
С размахом крыльев больше, чем у последнего Аэробуса и мощностью моторов, как у аэроплана братьев Райт, Solar Impulse — уникальная концепция пилотируемого самолета, способного днями находится в полете, питаясь только энергией солнца.
Solar Impulse (Солнечный Импульс) — проект самолета дальнего действия на солнечной энергии, находящийся в разработке под эгидой EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne — Лозанский федеральный политехнический институт). Промотером проекта является Бертран Пиккар (Bertrand Piccard). Целью проекта является кругосветный полет исключительно на солнечной энергии.
Рис. 86 – Самолет Solar Impulse
Летательный аппарат проектируется одноместным, способным самостоятельно взлетать от своих солнечных батарей и оставаться в воздухе в течение многих дней. Как только эффективность батарей позволит снизить их вес, планируется выпустить двухместный вариант, на котором можно было бы облететь вокруг света.
Предполагаемое расписание проекта: 2003: Изучение осуществимости проекта в EPFL
2004-2005: Разработка концепции
2006: Симуляция дальних перелетов
2006-2007: Прототип
2008-2009: Испытательные полеты прототипа
2009-2010: Строительство окончательного варианта
2011: Полеты продолжительностью в несколько дней, перелет через Атлантику и попытка облететь вокруг света в пять этапов.
Кругосветка должна стартовать в мае 2011-го. Маршрут ее пролегает возле экватора, но в северном полушарии. Пять посадок запланированы для смены пилотов. Каждый из этапов будет длиться от трех до четырех дней, ограничения здесь накладывает человеческая физиология.
Аэродинамика Чтобы минимизировать лобовое сопротивление и максимально увеличить площать для солнечных батарей, размах крыльев солнцелета будет составлять 80 метров, чуть шире, чем размах крыльев Airbus A380. Столь низкая нагрузка на крыло (8 кг/м2) увеличивает чувствительность к турбулентности. Сверхлегкая конструкция будет использовать особого рода углеволокно.
Конструкция Традиционные слоистые композиционные материалы обладают удельной плотностью порядка 10 кг/м2, но те, что разрабатываются для Solar Impulse, должны весить в районе 0,5 кг/м2. Эти материалы также должны иметь интегрированную функциональности, такую как сенсоры целостности, активное управление формой и т.д.
В крылья будет встроен слой сверхтонких солнечных элементов. Элементы проектируются достаточно гибкими, чтобы быть устойчивыми к деформациям и вибрациям.
Энергия. Днем фотогальванические элементы будут вырабатывать электричество, необходимое для приведения самолета в движение, а также для зарядки аккумуляторов, необходимых для ночного полета. Накопленная днем энергия будет накапливаться в литиевых батареях, находящихся в крыльях, плотность энергии которых будет приближаться к 200 вт·ч/кг, несмотря на окружающие температуры в диапазоне от +80 до –60 по Цельсию.
Двигатель. Средняя мощность, подаваемая двигателям, составит порядка 12 лс — мощность, сопоставимая с аэропланом братьев Райт.
Кабина. Кабина обеспечит пилота стабильным давлением, кислородом и комфортной средой для полета на высоте 12 000 метров.
Проект частично финансируют частные компании: Solvay, Omega, Deutsche Bank и Altran. EPFL, Европейское космическое агентство (ESA) и Dassault обеспечивают техническую поддержку.