1. Разработка концепции проектируемого самолета

1.1 Составление статистики

Приступая к разработке проекта нового самолета, необходимо, прежде всего, изучить статистический материал по самолетам того же типа, что и проектируемый. Статистический материал представляется в виде таблиц, содержание и структура которых определяются целями и задачами, решаемыми на ранних стадиях проектирования. В статистические таблицы включают сведения об основных характеристиках и параметрах самолетов-прототипов, которые аналогичны проектируемому по назначению и имеют примерно одинаковые с ним значения массы целевой нагрузки и дальности полета.

Принято решение привести статистику по 6 самолетам-прототипам. В задании приведены две основные характеристики: дальность и число пассажиров. Среди современных пассажирских дальне магистральных самолетов большинство самолетов рассчитано на перевозку пассажиров в количестве 300-450 человек. Но в последние годы все больше проявляется интерес к самолетам данного класса, способным перевозить 200-280 пассажиров. Поэтому в статистической таблице приведем характеристики следующих самолетов: Ил 96 – 300, Boeing 747-8I, Boeing 777-200LR, Boeing 787-8, Airbus 330-200, Airbus 350-900.

Ил 96-300

Ил-96– дальнемагистральный широкофюзеляжный пассажирский самолет, разработанный в КБ Илюшина в конце 1980-х на базе популярного советского аэробуса Ил-86. Ил-96 выполнен по схеме цельнометаллического свободнонесущего четырёхмоторного широкофюзеляжного низкоплана со стреловидным крылом и вертикальным оперением. Отличительными особенностями крыла являются крупные вертикальные законцовки высотой 3,1м. Крыло Ил-96 обладает сложной взлётно-посадочной механизацией, состоящей из двухщелевых закрылков и предкрылков по всей длине передней кромки.

Ил-96 оборудован четырьмя турбовентиляторными двигателями с высокой степенью двухконтурности ПС-90А, которые крепятся на пилонах к консолям крыла.

Различная компоновка пассажирского салона предусматривает вместимость от 235 до 300 человек. На стандартном самолёте (300 мест) кресла установлены в двух салонах (переднем — 66 кресел и заднем — 234 кресла) с шагом 870 мм по девять в ряд с двумя проходами шириной 550 мм. Компоновка на 235 мест предусматривает размещение пассажиров в трёх салонах: в первом классе — в 22 креслах с шагом 1020мм, в бизнес-классе — в 40 креслах и в эконом классе — в 173.

На нижней палубе расположены три грузовых отсека. Передний вмещает 6 стандартных грузовых контейнеров типа АБК-1,5, задний — десять, при этом максимальная загрузка самолёта предполагает занятие лишь девяти контейнеров, тогда как другие семь можно использовать для перевозки грузов и почты. Третий грузовой отсек предназначен для перевозки штучных грузов.

Шасси Ил-96 состоит из трёх основных опор, расположенных под центропланом, и передней опоры. Каждая из трёх опор снабжена четырёхколесной тележкой с тормозными колёсами, в свою очередь передняя опора тормозных колёс не имеет.

Рисунок 1 – Схема самолета Ил 96-300

Boeing 747-8I

Boeing 747-8—двухпалубный широкофюзеляжный пассажирский самолёт, разработанный компанией Boeing. Этот анонсированный в 2005 году авиалайнер является новым поколением знаменитой серии Boeing 747 с удлинённым фюзеляжем, перепроектированным крылом и улучшенной экономической эффективностью. 747-8 является самым большим коммерческим самолётом, построенным в США, а также самым длинным пассажирским самолётом в мире, превысившим длину Airbus A340-600 почти на метр. Первый полёт состоялся 8 февраля 2010 года.

По сравнению с 747-400, основные технические изменения заключаются в крыльях, они сделаны практически с нуля. Изгиб крыла и его структура способствуют снижению расхода топлива, крыло стало прочнее, улучшилась аэродинамика. В новом крыле имеются однощелевые предкрылки и двухщелевые закрылки.

Законцовка крыла аналогична той, которая используется на Боингах 777-200LR, 777-300ER и 787 и отлична от законцовки 747-400. Она способствует снижению турбулентности и сопротивления, тем самым понижая расход топлива. Уменьшить вес также помогла электродистанционная система управления, которая была частично внедрена в самолёт.

Пассажирский вариант, названный 747-8 Intercontinental (Межконтинентальный), или просто 747-8I начал строиться 14 ноября 2005 года. Самолёт способен перевозить до 467 пассажиров в 3х-классовой конфигурации на расстояния более 15000 км. В других конфигурациях самолёт способен перевозить ещё 51 пассажира. Объем для грузовых поддонов увеличился на 26 % по сравнению с 747-400.

По сравнению с грузовым вариантом, пассажирский вариант 747-8 выглядит не так успешно, он собрал сравнительно мало заказов. Некоторые авиакомпании, в частности Emirates и British Airways, рассматривали возможность заказа 747-8 Intercontinental, но вместо этого решили приобрести Airbus A380. Помимо этого, ещё есть заказы на 9 VIP-вариантов 747-8I от различных покупателей, среди которых правительства стран персидского залива. Всего произведено 66 единиц данного самолета.

Рисунок 2 – Схема самолета Boeing 747-8I

Boeing 777-200LR

Boeing 777 (Triple Seven или T7 — «три семёрки») — семейство широкофюзеляжных пассажирских самолётов для авиалиний большой протяжённости. Самолёт разработан в начале 1990-х, совершил первый полёт в 1994 году.

Boeing 777 — самый крупный в мире двухмоторный реактивный пассажирский самолёт. Двигатели General Electric GE90, устанавливаемые на нём, являются самыми крупными и самыми мощными в истории авиации реактивными двигателями. Отличительной особенностью являются также шестиколёсные стойки шасси.

Конструкция представляет собой низкоплан нормальной аэродинамической схемы, со стреловидным крылом и однокилевым оперением. Конструкция планёра самолета включает в себя использование композитных материалов, которые составляют 9 % от веса конструкции. Из таких материалов сделаны в том числе пол салона и штурвалы. Главная часть фюзеляжа имеет круглое сечение и сзади переходит в лезвиеподобный хвостовой конус, в котором расположена вспомогательная силовая установка.

Крыло Boeing 777 имеет сверхкритический профиль, оптимизированный для крейсерской скорости 0,83 Маха (после испытаний показатель был пересмотрен в сторону повышения до 0,84 Маха). Конструкция крыла имеет бо́льшую толщину и размах, чем у предыдущих авиалайнеров, что позволило увеличить дальность и полезную нагрузку, повысить лётные характеристики и увеличить крейсерскую высоту полета. Авиалайнер также имеет самые крупные стойки шасси и самые большие пневматики, которые когда-либо использовались в коммерческих реактивных авиалайнерах. Самолет имеет три резервных гидравлических системы, из которых для посадки нужна всего одна. В обтекателе крыла под фюзеляжем расположена аварийная авиационная турбина — небольшой пропеллер, что выдвигается из самолета при аварийных ситуациях для обеспечения минимального электропитания.

Boeing 777 – стал первым самолетом в истории компании, который оборудован электродистанционной системой управления fly-by-wire. Однако для удобства пилотов было решено оставить привычные штурвальные колонки. Система управления fly-by-wire также оборудована защитой параметров полета, которая следит за тем, чтобы движения пилотов на рычагах управления не выходили за установленные пределы полетной конфигурации. Также, система предотвращает опасные маневры. Правда, в случае аварийной необходимости, система может быть отключена по команде пилота, если это будет признано необходимым.

Boeing 777 во всех модификациях является дальнемагистральным лайнером, способным обслуживать беспосадочные коммерческие рейсы продолжительностью до 18 часов. Однако, правила различных авиационных регулирующих органов, профессиональных и профсоюзных организаций ограничивают время непрерывной работы экипажа и бортпроводников. Для отдыха пилотов обычно резервируются места в бизнес-классе или устанавливаются специальные контейнеры в багажном отделении, оборудованные спальными местами и связью с кабиной и салоном самолёта. К сожалению, подобные решения сокращают пассажировместимость или объём перевозимого груза. Поэтому Boeing предложил оригинальное решение — использовать для этой цели пространство между багажными полками и фюзеляжем (англоязычные инженеры называют эту часть самолёта «короной»).

В самолётах Boeing 777-200ER, −200LR и −300ER в передней части самолёта над салоном первого класса установлен отсек для отдыха пилотов. Он включает в себя два комфортабельных кресла, 2 или 3 спальных места разделённых перегородками, шкаф, телевизор и умывальник. Вход в этот отсек осуществляется по лестнице, расположенной у двери № 1 (передняя левая дверь). Такое решение позволяет освободить от 4 до 7 мест в бизнес-классе.

777-200LR («LR» означает «Longer Range»— большая дальность), является самым сверхдальним самолетом на планете. Boeing назвал эту модель “Worldliner”, указывая на возможность авиалайнера соединить практически любые два аэропорта. При этом самолёт по-прежнему попадает под ограничения ETOPS. Модификация установила мировой рекорд на самый длинный беспосадочный полёт среди коммерческих авиалайнеров — дальность полёта составляет 17 370 км. Модификация 777-200LR предназначена для сверхдлинных рейсов, таких как Лос-Анджелес — Сингапур или Даллас — Токио.

Разрабатывавшийся одновременно с 777-300ER, 777-200LR имеет увеличенный максимальный взлетный вес и три дополнительных топливных бака в заднем багажном отделении. Другими отличительными чертами являются скошенные законцовки крыла, новые опоры шасси и усиленный планёр. Как и модификации 777-300ER и 777F, 777-200LR имеет удлиннённые на 3,9 м законцовки крыла.

Рисунок 3 – Схема самолета Boeing 777-200LR

Boeing 787-8

Boeing 787 Dreamliner — широкофюзеляжный двухдвигательный реактивный пассажирский самолёт, разработанный американской компанией Boeing совместно с рядом зарубежных компаний, в том числе и с российскими. Первый экземпляр был показан на презентации на заводе в городе Эверетт, штат Вашингтон 8 июля 2007 года. После ряда отсрочек Boeing 787 впервые поднялся в воздух 15 декабря 2009 года. 26 октября 2011 года лайнер совершил свой первый коммерческий рейс.

Конструкция - низкоплан нормальной аэродинамической схемы, со стреловидным крылом и однокилевым оперением. 50 % элементов фюзеляжа изготовлены из композитных материалов на основе углерода (в модели 777 это лишь 9 %). В результате 787-й стал легче и прочнее, чем обычный лайнер с алюминиевым фюзеляжем.

Процентное распределение выглядит так:

• 50% — углеволокно,

• 20% — алюминий,

• 15% — титан,

• 10% — сталь

• 5% — другие материалы

Для Boeing 787 существует два типа малошумных и сверхэкономичных двигателей — Rolls Royce Trent 1000 и General Electric GEnx-1B, которые помещаются в гондолы с шумозащитными зубчатыми краями (шевроны).

В двигателе GEnx и корпус, и лопатки турбины целиком изготовлены из композитных материалов, как и форсунки, впрыскивающие топливо в камеру сгорания двигателя. В результате двигатель выходит на режим рабочей тяги при более низких температурах, что, соответственно, грозит меньшими объемами углеводородных выбросов.

Стреловидные крылья 787-й модели с переменным изгибом законцовок на 2 % увеличивают подъёмную силу, по сравнению с 767-й моделью. Эти крылья длиннее, чем у других самолетов подобного класса, что придает им дополнительную эластичность. Механизмы закрылков, антиобледенительное электрооборудование и прочие системы смонтированы единым блоком, что облегчает их обслуживание и снижает вероятность отказов.

Багажное отделение, благодаря плоскому днищу фюзеляжа, позволяет разместить на 45 % больше багажа, чем умещалось в модели Boeing 767.

Более упругий композитный корпус Дримлайнера позволяет поддерживать в салоне давление на уровне, соответствующем высоте 1800 м, тогда как в салоне обычного алюминиевого пассажирского самолета давление соответствует высоте 2400 м.

Boeing 787 оснащен инновационной системой гладкого полета (Smoother Ride Technology), обеспечивающей комфорт для пассажиров во время турбулентности. Боинг заявляет, что эта технология гладкого полета позволит уменьшить число укачиваемых пассажиров в восемь раз. По всей площади самолета расположены специальные сенсоры, улавливающие изменения в давлении воздуха, а это является одним из признаков турбулентности. На основании показаний от сенсоров компьютерная система регулирует положение флаперонов, чтобы подавить вертикальное колебание самолета.

Система наддува салона организована по-новому. В отличие от других пассажирских самолетов, где воздух для подачи в салон отбирается от двигателей с температурой более 600 градусов, проходит через охладители и поступает в салон, в Dreamliner воздух подается в салон электрическими компрессорами непосредственно из внешней среды. При этом снимается проблема недостаточной влажности воздуха. Более влажный воздух в салоне Dreamliner обеспечивает наибольший комфорт для пассажиров.

Boeing 787-8 – базовая модификация. Длина 57 метров, размах крыла 60 метров, максимальная дальность полета до 15,200 км. Самолет рассчитан для замены 767-200ER и 767-300ER.

Рисунок 4 – Схема самолета Boeing 787-8

Airbus A330-200

Airbus A330 — широкофюзеляжный пассажирский самолёт фирмы Airbus, предназначенный для средних и дальних дистанций. Первый полёт A330 состоялся 1 ноября 1992 года в версии A330-300.

Аэродинамическая схема – двухмоторный турбореактивный низкоплан со стреловидным крылом и однокилевым оперением.

Модель A330-200 была разработана, чтобы заменить Airbus A300-600R и создать реальную конкуренцию для Boeing 767-300ER. Программа создания A330-200 официально стартовала в ноябре 1995 года, первый заказ из 13 самолётов сделала лизинговая компания ILFC в феврале 1996-го. Первый полёт состоялся 13 августа 1997 года, сертификат типа был получен в апреле 1998-го.

A330-200 построен на базе A330-300, имеет такие же крылья и фюзеляж, укороченный на 10 секций (приблизительно на 6 метров). A330-200 может перевозить до 253 пассажиров в 3-классной компоновке. Для компенсации меньшего момента тангажа по сравнению с более длинным А330-300 был увеличен киль.

Модификация составила значительную конкуренцию Boeing 767, что позволило Airbus заявить, что новый Boeing 787 является ответом на эту модель.

По состоянию на 30 ноября 2013 года было заказано 1284 Airbus A330, а 1033 машины были поставлены. Для модели А330-200 585 заказано и 517 поставлено

Рисунок 5 – Схема самолета Airbus A330-200

Airbus A350-900

Airbus A350 XWB (англ. Extra Wide Body — сверхширокий фюзеляж) — семейство дальнемагистральных широкофюзеляжных двухдвигательных пассажирских самолётов, разработанных концерном Airbus в качестве замены A330 и A340. A350 — первый самолёт Airbus, в котором фюзеляж и крыло в основном изготовлены из углепластика.

Прототип A350 совершил первый полет 14 июня 2013 года в Тулуз-Бланьяке, Франция. Эксплуатацию авиалайнера в авиакомпаниях планируется начать в середине 2014 года.

В конструкции A350 широко использованы новейшие материалы. 52 % от веса самолёта составляют композиционные материалы, 20 % — алюминий, 14 % — титан, 7 % — сталь, 7 % — остальные. Для сравнения, его конкурент Boeing 787 состоит на 50 % из композитов, на 20 % из алюминия, на 15 % из титана, на 10 % из стали и на 5 % из других материалов. Airbus ожидает, что самолёт будет иметь на 10 % меньшую стоимость эксплуатации и на 14 % меньший вес в расчёте на одного пассажира, чем у конкурента.

A350 XWB имеет крыло из композиционных материалов, одинаковое для всех трёх модификаций (А350-800, А350-900, А350-1000). Площадь крыла составит 443 м² — это самое большое крыло из когда либо созданных для однопалубного самолёта. Размах крыла составит 64,8 метра, что на 4,5 метра больше чем у A330 и начальной версии A350. Это эквивалентно размаху Boeing 777-200LR/777-300ER, у которого слегка меньшая площадь. Законцовки крыла не традиционны для Airbus: они загибаются вверх на последних 4,4 метрах в саблевидной форме. Стреловидность крыла 31,9, что поможет увеличить крейсерскую скорость до 0,85 М, а максимальную скорость — до 0,89 М.

Новая шарнирно-отклоняющаяся механизация закрылка (схожая с A380) делает зазор между концевой кромкой и закрылком подобной спойлеру.

A350-900 будет первым введён в эксплуатацию в 2014 году и сможет перевозить до 314 пассажиров при трёх классах комфортности. Максимальная дальность полёта — 15000 км. По заявлениям Airbus, A350-900 будет на 30 % экономичнее в расчёте на одно место и иметь на 25 % меньшую стоимость эксплуатации по сравнению с Boeing 777-200ER.

Рисунок 6 – Схема самолета Airbus A350-900

Таблица 1 – Основные данные самолетов

№	Самолеты	1	2	3	4	5	6	7
1	Наименование самолета, фирма, страна, год выпуска	Ил 96-300 ОКБ Ильюшина СССР-РФ 1988г.	Boeing 747-8I Boeing США 2011	Boeing 777-200LR Boeing США 1994	Boeing 787-8 Boeing США 2009	Airbus 330-200 Airbus Франция 1992	Airbus 350-900 Airbus Франция 2013
2	Экипаж, человек	3	2	2	2	2	2
	Характеристики силовой установки
3	Тип двигателей, количество, тяга Р0, мощность N0	4хТРДД ПС-90А даН	4хТРДД GEnx-2B67 даН	2хТРДД GE90-110B1L даН	2хТРДД Rolls Royce Trent 1000 даН	2хТРДД GE CF6-80E1 даН	2хТРДД Rolls Royce Trent XWB даН
4	Удельный расход топлива Cр0 (кг/даНч), Се0 (кг/кВтч)	0,595		0,51		0,332-0,345
5	Степень двухконтурности m	4,5	8,6	8,7	10-11	5,1	9,3
6	Удельный вес двигателя , (, даН/кВт)	0,184	0,19	0,38	0,195	0,337
	Массовые характеристики самолета
7	Взлетная масса m0, кг	216000	442000	347450	228000	230000	268000
8	Масса коммерческой (боевой) нагрузки mком, кг	40000	76300	50850		49500
9	Масса пустого самолета mпуст, кг	117000	213200	156030	110000	120500	192000
10	Масса топлива mТ, кг	76000	189127	125190	99060	108490	107640
11	Удельная нагрузка на крыло , даН/м2	541,1	782,7	780,3	688,2	624	552,9
12	Весовая отдача или

Продолжение таблицы 1

13	Тяговооруженность (энерговооруженность) самолета ; ()(кВт/даН)	0,3			0,27					0,29					0,26				0,29				0,26
	Геометрические характеристики
14	Площадь крыла S, м2	391,6			554					436,8					325				361,6				440
15	Размах крыла , м	60,1			68,45					64,8					60,1				60,3				64,75
16	Удлинение крыла  / сужение крыла η	9,22	3,74		8,46	5,8				9,61	8,65				11,11		6,32		10,05	4,71			9,53			7,45
17	Угол стреловидности крыла χ0	34			42,6					34,3					34,4				31,7				34,9
18	Относительная толщина С0
19	Диаметр фюзеляжа Dф, м / удлинение фюзеляжа ф	6,08	8,26		6,49	11,44				6,19	10,14				5,76		9,7		5,68	10,35			5,96			10,95
20	Удлинение носовой / хвостовой части фюзеляжа н ч / х ч	2,55	3,35		2,74	3,86				2,36	2,9				2,36		2,73		2,76	3,17			3,43			3,26
21	Относительное расстояние от носа фюзеляжа до центральной хорды крыла	0,3			0,29					0,31					0,3				0,32				0,32
22	Площадь горизонтального оперения Sг о ,м2/Sг о	99,51	0,25		136	0,25				102,25	0,23				76,15		0,23		74,2	0,21			80,4			0,18
23	Удлинение ГО / сужение ГО г о / ηг о	3,74	2,79		3,56	3,98				4,64	2,98				5,15		4,35		5,23	2,34			3,94			2,48
24	Угол стреловидности ГО χв о	44,4			43					39					40,1				30,8				37,35
25	Плечо ГО Lг о, м /	21,1		2,82	33,1		3,52			28,13			3,54	26,3		4,05		27,48			4,19	30,5		3,95
26	Коэффициент статического момента ГО	0,705			0,88					0,81					0,93				0,88				0,71
27	Площадь вертикального оперения Sв о, м2 /Sв о	65,95		0,17	78,98			0,14	55,5			0,13		46		0,14		51,1			0,14	48,9			0,11

Продолжение таблицы 1

28	Удлинение ВО / сужение ВО в о / ηв о	1,1	4,36	1,26	2,97			1,8		3,51		2,04		3,54		1,64		3,42		1,69	2,62
29	Угол стреловидности ВО χв о	53,9		50				43,4				44,8				45,1				45,15
30	Плечо ВО Lг о м /	20,3	0,34	29,2		0,43	26,87		0,41		24,26		0,4		26,95		0,45		29,2			0,45
31	Коэффициент статического момента ВО	0,0578		0,0602				0,053				0,056				0,063				0,049
32	Относительная колея шасси	0,16		0,16				0,17				0,16				0,17				0,16
33	Относительная база шасси	0,38		0,42				0,41				0,41				0,37				0,44
	Летные характеристики
34	Максимальная скорость на заданной высоте полета Vmax/H,	910		988				945				950				998				945
35	Крейсерская скорость на заданной высоте полета Vкр/Hкр,	900		917				905				910				871				903
36	Посадочная скорость или скорость захода на посадку Vпос (Vз п) , км/ч			260								257-270				253
37	Дальность полета с полной коммерческой нагрузкой Lр, км	9000		14800				17395				14700				12038				14350
38	Длина разбега (или длина ВППLВПП), м	2600		3100-3300				2900								2220
39	Скороподъемность Vy0, м/с
40	Потолок Нп, м	12000		13000				13100				13100				12500				13100
	Прочие данные
41	Число пассажиров nпас	235		467				301				242				253				270
42	Габариты грузовой кабины BxHxL, мхмхм

Число пассажиров в таблице указано для трёх классовой компоновки салонов самолетов.