CC BY
121
2013
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 188
УДК 629.735.3.001.26
АНАЛИЗ ЗНАЧЕНИЯ МОДИФИКАЦИЙ И СЕМЕЙСТВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СОВРЕМЕННЫХ ПАССАЖИРСКИХ САМОЛЕТОВ
П.В. ЖУРАВЛЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье рассматриваются актуальные тенденции модификаций и создания семейств в современном авиастроении. Анализируются основные способы и принципы создания семейств и делаются соответствующие выводы. Проводится обоснование необходимости учета вопросов создания семейств в процессе проектирования новых пассажирских самолетов.
Ключевые слова: модификация самолета, семейство самолетов, разработка версий самолетов.
Введение и определения
В течение последних 50 лет существует явная тенденция разработки семейств пассажирских магистральных самолетов. После Второй мировой войны все большие программы в гражданской авиации характеризуются постепенным увеличением максимального взлетного веса и длины фюзеляжа. Создаваемые самолеты нового типа становятся базой для модификаций, заключающихся в изменении параметров и летно-технических характеристик (ЛТХ), а значит и расширении диапазона эксплуатации самолетов этого типа. Основная часть современного парка пассажирских магистральных самолетов состоит из семейств. Наличие семейства зачастую является основным критерием для авиакомпаний при выборе производителя и покупке самолета.
Введем основные определения. Термин "модификация" используется в соответствующей литературе в нескольких значениях - как процесс изменения и как его результат. Так что "модификация" - процесс внесения изменений. "Семейство самолетов" - множество самолетов, созданных в рамках единой программы на базе общих элементов и агрегатов. Все члены семейства являются "версиями" рассматриваемого семейства. Первая созданная версия называется "базовой версией семейства" (она служит базой для разработки всего семейства). Остальные версии называются "модифицированными версиями". "Базовая версия для модификации" - версия, на основе которой была сделана модификация (может быть как базовой, так и любой другой версией семейства).
Самолет может быть модифицирован разными способами. Поэтому важно определить разницу между "новым самолетом" и "версией существующего". Основным критерием здесь является значительность изменений, осуществленных в процессе модификации. Модификация, в ходе которой на самолет устанавливается новое крыло и/или фюзеляж, а также изменяется количество и положение двигателей, ведет к созданию нового самолета. "Новое" крыло имеет следующие признаки: новый набор профилей; новый тип конструкции кессона; изменение основных геометрических параметров. "Новый" фюзеляж имеет следующие признаки: новое сечение фюзеляжа; новый тип конструкции; изменение основных геометрических параметров. Изменение числа и/или расположения двигателей ведет к созданию нового крыла и/или фюзеляжа, а значит и к созданию "нового самолета". Все прочие изменения в основных агрегатах и бортовых подсистемах самолетов ведут к созданию их модифицированных версий.
Существуют два основных типа модифицированных версий пассажирских магистральных самолетов: специализированные версии, отличающиеся целевым назначением (грузовая; грузо-
пассажирская и т.д.); версии с измененным максимальным количеством пассажиров и дальностью полета с максимальной коммерческой нагрузкой (выделяют версии с неизменной и измененной максимальной взлетной массой).
Причины создания семейств пассажирских самолетов
Выявлены следующие причины создания семейств пассажирских самолетов.
1. Семейства позволяют более гибко отвечать на изменения требований рынка.
2. Темп роста количества новых семейств магистральных пассажирских самолетов значительно снизился в течение последних десятилетий, в том числе из-за уменьшения количества их производителей (рис. 1). При этом среднее количество модифицированных версий на базовую версию семейства довольно велико и составляет порядка 4,8 (без учета семейств, созданных в последние 10 лет). Например, Airbus, Boeing, McDonnell Douglas и Lockheed запустили всего лишь 15 новых программ реактивных пассажирских самолетов в период 1955 - 1995 гг. Суммарное же количество самолетов, произведенных в рамках этих программ, превысило 10000 [1]. Семейства позволяют скомпенсировать эту негативную тенденцию.
о и о н X
s
я
2
сз н о Л
а
ев X
м н
и
зй
4>
S
QJ SJ
О
09
н о
0>
sr =
51
40 35 30 25 20 Н 15 10 5 Н 0
ХУ
■ Суммарное количество
семейств нарастающим итогом
■ Линия тренда
1950 1960 1970
1980 Годы
1990 2000 2010
Рис. 1. Количество семейств магистральных пассажирских самолетов нарастающим итогом по годам
3. Высокая степень унификации членов семейства помогает уменьшить расходы на производство, эксплуатацию и техническое обслуживание и ремонт.
4. Относительно меньшие затраты и сроки создания, испытаний и сертификации новых версий, уменьшение технологических рисков и ошибок. Затраты на базовые версии семейств дорожают с каждым годом (в конце 1990-х - начале 2000-х затраты на разработку нового широкофюзеляжного магистрального пассажирского самолета оценивались на уровне 4 - 8 млрд. долл. США, для дальнемагистрального самолета сверхбольшой вместимости эта цифра превышала 10 млрд. долл. [1]). При этом затраты на НИОКР модифицированной версии обычно лежат в пределах 5 % - 50 % от затрат на базовую версию семейства.
5. Увеличение сроков создания и службы самолетов увеличивает вероятность появления в ходе их жизненного цикла новых технологий, которые могут быть использованы для создания модификаций.
6. Сохранение или улучшение положения на рынке и конкурентоспособности семейства самолетов и т.д.
Виды схем разработки версий
Определены следующие виды схем разработки версий.
1. Последовательная схема. Каждая создаваемая версия служит основой для последующих модификаций. Особенно характерна для пассажирских самолетов I и II поколения.
2. Параллельная схема. Базовая версия семейства также является базовой версией для всех зачастую одновременно проводимых модификаций. Стала стандартом для семейств III и IV поколений.
3. Параллельно-последовательная или последовательно-параллельная схема. Комбинация приведенных выше схем. Присутствует в семействах всех поколений.
4. В проектной практике встречаются внеплановые и планируемые версии.
Производители стараются планировать модификации практически одновременно с началом
проектирования базовой версии. Однако при этом часть реализуемых модификаций не является запланированной. Опыт показывает, что степень предсказуемости появления подобных модификаций весьма низка. Основная разница между планируемой и внеплановой версией заключается в наличии знаний о конкретных значениях ее параметров и ЛТХ. Для плановых версий эти точные значения известны заранее, а для внеплановых известны лишь их возможные диапазоны.
Для успешности модификаций необходимо создавать на стадии проектирования базовой версии резервы, помогающие минимизировать изменения элементов конструкции и бортовых подсистем в рамках семейства. Большие резервы в базовой версии помогают расширить диапазон изменения ЛТХ модифицированных версий, а также снизить стоимость их разработки и производства. Однако они также приводят к выбору неоптимальных значений параметров базовой версии, что может негативно сказаться на успешности ее продаж на рынке. Таким образом, необходимо исследовать требуемые и допустимые уровни этих резервов. Для этого необходимо найти новый подход к постановке и решению задачи проектирования новых магистральных пассажирских самолетов. В частности, требуется ввести в число проектных параметров значения резервов в базовой версии, которые необходимы для плановых и внеплановых модификаций. Эти переменные дополнительно усложняют задачу оптимального проектирования базовой версии семейства.
Тренды изменения основных параметров и ЛТХ в ходе модификации
Одним из важнейших ограничений при разработке модифицированных версий являются взлетно-посадочные характеристики (ВПХ) (длина взлета и посадки). Основываясь на статистике [2], можно утверждать, что для семейств последних поколений ВПХ варьируется в основном в пределах 10 %. Подобные малые изменения обеспечиваются специальными мерами, нацеленными на компенсацию роста взлетного и посадочного весов: увеличением площади и/или использованием усложненной механизации крыла; использованием двигателей с увеличенной тягой на режимах взлета и реверса, компенсирующей увеличение взлетного угла атаки; увеличением эффективности тормозов колес и воздушных тормозов.
Модифицированные версии отличаются от базовых главным образом зависимостью полезной нагрузки от дальности полета. Прочие ЛТХ также могут меняться, но их изменение в основном зависит от изменения вышеуказанной зависимости.
В базовых версиях для модификаций в первую очередь создаются резервы площади крыла и высоты стоек шасси [3; 4]. В большинстве случаев рост площади крыла в семействе не превышает 7 %, а максимальная нагрузка на крыло - 750 кг/м2 - 760 кг/м2 [1], при этом процентное изменение нагрузки на крыло для ближне- и среднемагистральных самолетов значительно больше, чем для дальнемагистральных.
Общим трендом для всех семейств пассажирских самолетов различных поколений является повышение нагрузки на крыло в ходе модификаций (рис. 2). При этом количество выпадающих из этого тренда точек весьма невелико, и лишь часть из них обозначает модифицированные версии с уменьшенной взлетной массой (например, с укороченным фюзеляжем). Другая часть на самом деле указывает на версии с большим увеличением площади крыла, которые, согласно принятой классификации, по сути, являются новыми самолетами, но при этом по-прежнему относятся компанией-производителем к исходному семейству из соображений маркетинга.
930 800 700 600 500 400 300 200 100
о
5 л
а
ь гс х
ГС
а
СП >
с.
0
п
ГШ
А А ^Х^ I 'К А п
Л/ < **
ФО
оису миио миуо
□ А340
ДАЗЗО
ХАЗ 19 А320 А321
1960 1970
1980 1990 Годы
2000 2010
Рис. 2. Изменение нагрузки на крыло по годам для различных семейств
Увеличение длины фюзеляжа производится гораздо чаще, чем уменьшение, и в основном не превышает 30 %. Это связано с тем, что в отличие от укороченной версии удлиненная версия всегда стоит дороже, а значит и гораздо быстрее окупает затраты на разработку.
Выводы
Анализ практики реального проектирования показал, что, начиная с 70-х годов прошлого века, самолеты уже не разрабатываются как отдельные изолированные проекты, но являются частью (основой) будущих семейств. В связи с этим, необходимо, начиная с ранних этапов формирования облика, рассматривать проектирование базовой версии как начало проектирования будущего семейства (включая создание и оптимизацию резервов конструкции и ЛТХ).
Для подобного учета необходимо использовать методы внешнего проектирования и эффективности авиационных комплексов при формировании облика нового самолета - базовой версии семейства, а именно, рассматривать формируемое семейство как часть парка [3].
Также необходимо использовать методики создания семейств в проектных методах для закладки резервов в облик самолета [4].
При проверке проектных методик на точность, а также при сравнительной оценке самолетов необходимо либо учитывать наличие в сравниваемых (проверочных) самолетах резервов для создания последующих модификаций, либо брать для сравнения последние по порядку в семействе версии с полностью использованными резервами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Krauss M. Variantenentwicklungen bei Verkherflugzeugen. - Мюнхен: Technischen Universität München, Германия, 1997.
2. Беляев В.В. Пассажирские самолеты мира. - М.:АСПОЛ, АРГУС, 1997.
3. Zhuravlev, P. Significance of Modifications for Development of Passenger Airplanes. - Неаполь: 10th European Workshop on Aircraft Design Education (EWADE), 24-27 мая, Италия, (http : //www. dias. unina. it/EWADE2011 /Presenta-tions/Session_3/02_P_Zhuravlev_EWADE_2011 .pdf), ISBN 978-88-906484-1-0, 2011.
4. Zhuravlev P., Zhuravlev V. Significance of modifications for development of passenger airplanes, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, Vol. 84 Iss: 3, Бингли: Emerald Group Publishing Limited, Гилдфорд: Banner Managed Communication, Великобритания, 2012.
ANALYSIS OF SIGNIFICANCE OF MODIFICATIONS AND FAMILIES FOR THE DESIGN OF MODERN PASSENGER AIRPLANES
Zhuravlev P.V.
The article analyses the current trends of modifications and creation of families in modern aircraft industry. The main ways and principles of airplane family creation are considered and the appropriate conclusions are made. The article substantiates the necessity of taking into account the issues of family creation during the design of new passenger airplanes.
Key words: modification of aircraft, family of aircrafts, airplane family creation.
Сведения об авторе
Журавлев Павел Владимирович, 1982 г.р., окончил МАИ (2004), ассистент кафедры внешнего проектирования и эффективности авиационных комплексов МАИ, автор 11 научных работ, область научных интересов - эффективность сложных авиационных систем, проектирование авиационных комплексов, математическое моделирование, системный анализ.
