Почему на самом деле существует только одна базовая конструкция пассажирских самолетов?

Для большинства транспортных самолетов аэродинамическая эффективность является ключевым параметром, поскольку позволяет снизить расход топлива. Макеты, которые вы видите чаще всего, являются наиболее эффективными из известных:

• Для реактивных самолетов с малой стреловидностью крыла с двигателями, установленными под крыльями и впереди них, и обычным хвостовым оперением наиболее эффективна известная компоновка. Хвостовые двигатели раньше были обычным явлением на небольших реактивных самолетах, но, поскольку это отбрасывает большую часть веса далеко назад, они хуже с точки зрения правила площадей Уиткомба , хуже по весу и балансировке, а двигатели, установленные на крыле, также помогают гасить флаттер. Так что новые региоджеты тоже переходят на двигатели под крылом.

• Винтовые самолеты летают медленнее, поэтому у них прямые крылья. Низко расположенные крылья немного более эффективны, но тогда самолет должен иметь длинное шасси, чтобы поддерживать достаточный дорожный просвет для винтов, поэтому более распространены высокие крылья. Затем Т-образное хвостовое оперение просто используется для размещения руля высоты над наиболее турбулентным следом крыла и двигателей.

Единственными отклонениями от этих трех основных компоновок являются самолеты специального назначения, у которых есть другие более важные проблемы. Наиболее примечательным является то, что военные грузовые самолеты, как правило, имеют высокое крыло, поэтому они могут сидеть низко над землей для легкой погрузки и разгрузки с использованием встроенной аппарели. Их отмеченный угол наклона позволяет избежать чрезмерной стабилизации самолета по крену, поскольку и высокое крыло, и стреловидность крыла повышают устойчивость по крену. По той же причине в более ранних конструкциях regiojet использовались хвостовые двигатели; чтобы сидеть ниже на земле, чтобы их можно было легко загрузить через встроенную лестницу, и они не слишком тяжелые и громоздкие.

Авиационная промышленность провела большую часть своих исследований в 1920-х и 1940-х годах. Были буквально десятки вариантов планера и крыльев. После некоторых экспериментов и теоретизирования (в NACA, Фарнборо и других местах) для каждой цели дизайна/рыночной ниши возникла одна доминирующая конструкция , которая соответствовала полезной нагрузке, топливу и другим ограничениям и сводила к минимуму стоимость.

В пассажирских самолетах многое определяла конструкция DC-3, а в эпоху реактивных самолетов — Comet .

РЕДАКТИРОВАТЬ: Ян Худек указывает на два значительных улучшения, которых не было у Comet:

• противоударные кузова , впервые представленные в этой конструкции ;
• перемещение двигателей вперед и в гондолы.

Кстати, есть еще одно распространенное дополнение к конструкциям — винглеты .

Использованная литература:

• http://people.bu.edu/fsuarez/Fernando_Suarez_Website/Publications_files/1995_SMJ_Dominant%20Design%20Survival_Suarez_Utterback.pdf
• Берни МакИсаак и Рой Лэнгтон. (2011) Газотурбинные силовые установки, John Wiley & Sons.

Если вы посмотрите на достаточно активный узловой аэропорт, вы увидите множество различных вариантов конструкции пассажирских самолетов, которые производятся сегодня:

• У кого-то высокие крылья (над окнами), у кого-то низкие.
• У кого-то стреловидные крылья, у кого-то прямые.
• У некоторых двигатели установлены под крыльями, у других они прикреплены к фюзеляжу.
• У одних турбовентиляторные двигатели, у других пропеллеры.
• У одних обычное хвостовое оперение, у других - Т-образное оперение.
• У кого-то два двигателя, у кого-то четыре.
• Большинство из них имеют длинный примерно цилиндрический фюзеляж; некоторые имеют другую форму (вспомним 747-й, у которого поперечное сечение фюзеляжа резко меняется посередине самолета).

Если вы посмотрите на самолеты, оптимизированные для полетов на аналогичные расстояния с одинаковым количеством пассажиров (сравните, например, Airbus A320 с Boeing 737), у них будет одинаковый выбор в большинстве этих категорий. Это потому, что выбор действительно имеет значение, и для этого конкретного использования конкретная комбинация оказывается экономически выгодной.

Однако, как только вы посмотрите на самолеты с разными ролями, все изменится. 70-местный региональный, такой как ATR 72, совсем не похож на уменьшенный A320 .

(Кроме очень грубо на уровне «длинный узкий фюзеляж, одна пара основных крыльев у его центра, группа стабилизаторов по всей корме, трехопорное шасси»).

Каждый раз, когда вводится новый самолет, отдел маркетинга соответствующего производителя утверждает, что теперь началась новая эра авиаперевозок. Вспомните заявления, сделанные во время выпуска Boeing 747: мы бы наслаждались кинотеатром с большим экраном и баром в небе, и почти то же самое (плюс возможность летающего спа) произошло с A-380.

В конце концов, клиенты голосуют своим кошельком, а авиакомпаниям нужно зарабатывать деньги, поэтому все эти экстравагантные варианты увядают, и все возвращаются к тому, что работает лучше всего. Конструкция самолета созрела, и все эти заявления о смешанных конфигурациях крыла и корпуса будут занимать только маркетинг и прессу.

Добавьте к этому ограничения существующей инфраструктуры и чрезмерное регулирование (благодаря которому мы, кстати, наслаждаемся беспрецедентной безопасностью авиаперелетов), и потенциальные преимущества новых конфигураций быстро исчезнут. Просто попробуйте найти способ быстро эвакуировать одну из этих смешанных конфигураций крыла с 20 сиденьями в ряду, и любое заявленное аэродинамическое преимущество (которого у него нет) будет спорным.

Это называется «конвергентная эволюция». Если вам нужно выполнить одну задачу, и эта задача имеет физические требования, все проекты в конечном итоге будут выглядеть и работать одинаково. По пути есть много побочных поездок, и эти побочные поездки, как правило, остаются вокруг, обслуживая свой уголок вида.

Примеры:

• Большие самолеты имеют низкое крыло. Исключением являются тяжелые грузы и короткие / грубые полевые винты, такие как Dash-8 (большие винты не помещаются на низком крыле) ( 747 не является тяжелым грузовым самолетом. каждая часть маленькая)

• Все ставят свои двигатели на крылья. Те, которые не сидят очень низко к земле и не имеют достаточного зазора. Следующее лучшее место: хвост. Удачи, повесьте Trent 900 по обе стороны хвоста. И лифт должен отойти в сторону. Количество двигателей, которые у вас есть, зависит исключительно от необходимой и доступной тяги. Обратите внимание, как трехреактивная конфигурация исчезла по мере развития более мощных (и надежных) двигателей.

• все герметичные самолеты имеют круглое поперечное сечение и закругленные окна, их легче надувать. В негерметичных самолетах по-прежнему используется много плоских панелей.

• существа рыбоподобного типа используют для движения один большой плавник. Настоящие рыбы раскачивают его из стороны в сторону, водные млекопитающие, вернувшиеся в море, раскачивают его вверх и вниз, как ногами, которые у них были раньше.

Такие элементы, как крылышки, канарды и другие выступы, являются исправлением аэродинамических проблем, обнаруженных после того, как первоначальный проект был завершен. Скорее всего, их не будет, когда в следующий раз будет запущен дизайн пустой страницы.

Этот дизайн популярен, потому что на данный момент он является лучшим для дозвуковых авиаперелетов большой вместимости. Другие конструкции будут либо менее безопасными, либо будут иметь большее сопротивление, плюс нет причин чинить то, что не сломано.

За последние несколько лет Boeing заигрывал с различными конструкциями авиалайнеров , но кажется, что на данный момент самыми экстравагантными конструкциями, которые у нас будут, будут Boeing 787 и Airbus A380.

Пробовать что-то новое было бы рискованно. Цель производителя планера — зарабатывать деньги, и они могут сделать это, повысив эффективность по сравнению с предыдущим поколением и заняв несколько иные ниши на рынке по сравнению с конкурентами.

Какие есть альтернативы трубе и низкорасположенному стреловидному крылу?

1. Высокое крыло. Это часто требует Т-образного хвостового оперения, которое имеет меньшую безопасность. С низкорасположенным крылом крыло и шасси могут крепиться к опорным точкам планера.

2. Среднее крыло. Истребители используют это, потому что это более эффективно, но это уменьшит объем груза на авиалайнере.

3. Комбинированное крыло и корпус (BWB). В этой конструкции многие пассажиры находятся далеко от окон и создают проблемы с эвакуацией. Также легче создать давление в сфере или цилиндре, чем в форме BWB.

4. Дельта крыло. http://seattletimes.com/html/businesstechnology/2002973147_boeingconcepts05.html

В концепте Boeing Honeydew используется треугольное крыло. Очевидно, что вопрос управляемости/безопасности на низкой скорости считается слишком большой проблемой.

5. Утка. Боинг Кермит Крузер. Самолет получил бы подъемную силу от утки вместо прижимной силы, но управление площадью IIRC сложнее.

Я видел, как другие отвечали на вопрос, почему такая форма (аэродинамическая эффективность), но не на вопрос, почему она аэродинамически эффективна.

Ключом к созданию самолета с высокой аэродинамической эффективностью (наименьшее лобовое сопротивление) является наименьшая возможная смачиваемая площадь и лобовая площадь при одновременном создании максимальной подъемной силы. Фронтальная площадь — это именно то, что вы думаете, минимально возможное поперечное сечение, которое вы пытаетесь протолкнуть по воздуху. Однако площадь смачивания - это площадь, которая становится «мокрой», то есть общая площадь поверхности самолета. Это означает, что наилучшей формой является длинная сигара: чем тоньше, тем лучше. Любая область, которую вы добавляете к «трубе», — это потраченная впустую энергия.

В то же время форма крыла, обеспечивающая максимальную подъемную силу при наименьшем сопротивлении, представляет собой длинную тонкую форму. Это связано с тем, что крылья создают подъемную силу в первую очередь за счет создания отрицательного давления воздуха, заставляя воздушный поток быстрее проходить сверху, чем снизу. Этот эффект разрушается при наличии широкого толстого крыла, потому что крыло не может создать такой же узкий карман перепада воздуха между верхом и низом, как тонкое крыло. Вот что убивает крылья Дельты и несущие тела.
http://www.discoverhover.org/infoinstructors/guide8.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force)

Как только скорость самолета достигает большего процента от скорости звука, в игру вступают другие факторы. Крыло должно быть стреловидным, и крыло должно быть прочнее, чтобы выдерживать действующие силы, поэтому оно должно быть толще.

Последняя часть — хвост сзади. Это просто имитация стрелы: размещение оперения в задней части стрелы создает естественную устойчивость, поскольку передняя часть дрона остается направленной вперед.

Есть много преимуществ по сравнению с другими конструкциями: у Canard отличное поведение при срыве, несущие тела имеют превосходную прочность, и поэтому безопасность и тандемные крылья со стойками имеют большую прочность и отличные характеристики подъемной силы. Но авиационный бизнес — это бизнес с большими объемами и низкой маржой, поэтому любое малейшее сопротивление будет отклонено голосованием, когда будут приняты решения.

Как отмечали другие, нынешняя общая конструкция пассажирского самолета является результатом десятилетий инженерных разработок и исследований. Когда все требования проанализированы, эта базовая компоновка обеспечивает наилучший баланс преимуществ и недостатков. Инфраструктура также была построена вокруг этой конфигурации, что вводит еще одно ограничение, которое должен был бы обойти новый дизайн. В то время как аэропорты были готовы внести изменения для размещения A380, совершенно другая конструкция, вероятно, повлекла бы за собой более радикальные изменения, которые было бы труднее продать аэропортам.

За многие годы, в течение которых этот дизайн развивался, было извлечено много хороших уроков. Сегодняшние показатели безопасности в авиации являются результатом применения этих уроков на практике для улучшения конструкции. Для радикально нового дизайна многое из этого пришлось бы отбросить или, по крайней мере, тщательно пересмотреть. Необходимо провести исследования и испытания во многих областях, чтобы гарантировать правильное понимание важных аспектов проекта.

Еще одним важным элементом является сертификация. Для того, чтобы FAA, EASA и т.д. выдали сертификат типа на воздушное судно, требуется длительный процесс сертификации. Для совершенно другой конструкции сертификация также будет совершенно другой. Мало того, что конструкторы должны были быть уверены в новой конфигурации, они также должны были убедить эти власти. Это потребует введения большого количества новой информации. Недавние новые самолеты уже требуют все больше и больше времени для сертификации. Внедрение совершенно новой конфигурации может занять еще больше времени.

С 30-х по 60-е годы стандартом для трансокеанских путешествий был 4-х моторный самолет. Если бы вы спросили некоторые авиакомпании, купили бы они трехмоторный авиалайнер Lockheed или Douglas, они бы сказали «НЕТ», потому что их клиенты отказались бы летать с менее чем четырьмя двигателями!

Но постепенно 3 двигателя стали стандартом для океанских путешествий.

А в начале 80-х появились ETOPS , потому что двигатели стали чрезвычайно надежными.

Таким образом, процесс проектирования является эволюционным; большинство изменений происходит довольно медленно, и дизайнеры часто копируют успехи других дизайнеров.