Перспективные направления развития авиационного транспорта
С.М. Купченко
Аннотация
В статье проведен анализ основных проблем развития современной авиации и на его основе предложена концепция роботизированных авиационных универсальных систем, на основе создания самолетов модульного типа, повышающих грузооборот и количество пассажирских авиаперевозок, снижения риска при авиакатастрофах с применением отделяемых пассажирских и грузовых модулей.
Ключевые слова: модуль, разделение, роботизированные системы, безопасность.
Summary
In article the concept of robotic aviation universal systems is offered, the analysis of projects on creation of planes of modular type is carried out. The prospects of developments of the divided avias of the vehicles raising goods turnover and the number of passenger air transportation are considered.
The possibility of decrease in risk at plane crashes with use of the separated passenger and cargo capsules is shown.
Keywords: module, division, robotic systems, safety.
Введение
Развитие цивилизации в третьем тысячелетие выставляет повышенные требования к транспортным средствам, не только по увеличению количества перевозок, но и к их качеству и уровня безопасности. Современные требования, прежде всего, относятся к авиационным перевозкам. Настоящая работа посвящена разработке нового авиационного транспорта, соответствующего современным требованиям по технологичности, эксплуатации, безопасности и экономичности.
Прогресс, достигнутый в авиационной промышленности, определяет дальнейшее развитие технологии производства транспортных средств. Конструкции современных двигателей позволяют достичь высоких скоростей, что положительно сказывается на времени доставки грузов и перемещения пассажиров. В то же время снижается уровень безопасности полетов. Стоимость самолетов и вертолетов сегодня достаточно высока, а интенсивность их использования низка, что влияет на себестоимость перевозок и в свою очередь на ограничение по количеству грузовых и пассажирских перевозок.
Таким образом, необходим качественный скачок в развитии авиационной промышленности для достижения современного уровня, как количества, так и качества перевозок.
Одним из путей развития авиационной техники в области крупномасштабных перевозок является разработка новых средств, позволяющих решить основные проблемы, сдерживающие развитие современной авиации.
В настоящее в современной авиации особо острыми являются 3 не решенные проблемы, которые можно обозначить как «глобальные», и без решения которых невозможно дальнейшее качественное развитие:
- низкий объем авиационных грузовых перевозок из-за не включенности его в мировой трафик контейнерных перевозок - в настоящий момент доля авиации в нем всего 0,3%;
- высокая аварийность, особенно по вине персонала - 73 % авиакатастроф происходят по вине человеческого фактора;
- отсутствие эффективных систем спасения пассажиров и грузов - 98,8% смертность в случае авиакатастроф.
Таким образом, развитие авиации должно двигаться в направлении повышения интенсивности и безопасности полетов, снижения их аварийности, обеспечения спасения пассажиров и грузов в случае нештатных ситуаций.
Высокий транзитный потенциалом транспортной системы России вносит существенный вклад в международные интеграционные процессы. Современная мировая экономика с центрами сосредоточения в Европе, Северной Америке, Юго-Восточной Азии формирует связи, состоящие из транспортных, финансовых потоков, на одном из направлений которых располагается Россия. Интеграция российского транспортного рынка в мировой предполагает использование современного и экономически выгодного способа перемещения грузов в виде контейнерных перевозок. С позиций повышения спроса прогнозированиетемпов роста глобальных контейнерных перевозок на 2015 ‑ 2020 гг. повысится от 2,2% до 3,8% в год.
Очевидно, что современная авиация нуждается в модификации, особенно для грузовых перевозок. В направлении повышения качества и приближению к современным требованиям работы ведутся несколько десятилетий.
Повышение количества авиаперевозок развивается по нескольким направлениям. Одним из основных, развиваемых сегодня, является разработка беспилотныхаппаратов, позволяющих транспортировать средние и тяжелые грузы, что позволит резко интенсифицировать степень эксплуатации летательных аппаратов.
К первым беспилотным аппаратам большой массы относится космический челнок «Буран», запущенный с космодрома «Байконур» при помощи ракеты-носителя «Энергия». Продолжительность первого полета космического беспилотника составила 205 минут. Совершив два витка вокруг Земли, «Буран» произвел посадку на аэродроме «Юбилейный». Следует отметить посадку советского челнока: космический корабль приземлился на полосе аэродрома с осевым отклонением от расчетного – 0,8 м, без поперечного отклонения!
Полет «Бурана» был первым полетом тяжелой авиационной техники и, по сути, открыл новое направление развития беспилотной авиации.
Безопасность полетов
Развитие в последние годы беспилотных летательных аппаратов во многом изменяет степень применения современной авиации. Приведем ряд примеров применения беспилотной авиации в качестве грузоперевозчика.
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) считает, что в ближайшие десять лет ежегодные объемы пассажирских авиаперевозок во всем мире будут возрастать не менее на 5%. В течение последующих 15 лет мировой парк воздушных судов может возрасти до двух раз с существенным изменением его состава. Значительно увеличивается доля широкофюзеляжных самолетов с повышением числа пассажирских мест от 400 до 800 (в ряде случаев 1200). Соответственно, с увеличением объема пассажирских перевозок вырастает и количествоавиапроисшествий.
Печальная статистика ИКАО показывает, что за последние 10 лет из числа авиакатастроф 8% аварийпроисходитпри взлете, 21% - при посадке, и 71% - на высоте свыше 3 тысяч метров при выходе на крейсерскую скорость.
Как правило, причинами катастроф, являются технические неисправности, сложные метеоусловия, нарушения пилотажно-навигационных условий полета наземной службой, неадекватные действия экипажа, нарушения условий эксплуатации воздушного судна, саботаж, терроризм. Каждая авиационная фирма-производитель тщательно фиксирует и анализирует летные происшествия, материалы которых ложатся в основу совершенствования методов проектирования, разработки и эксплуатации самолетов.
Проведенный анализ состояния безопасности полетов (последние 20 лет) показывает:
- 15-20% авиационных происшествий происходят в результате конструктивно-технологических недоработок авиатехники;
- 80% приходятсяна человеческий фактор, к которому относятся ошибки пилотирования, нарушения технологии обслуживания воздушных судов и ремонта, ошибки в данных метеорологической службой, неадекватных действий экипажа в нештатных ситуациях, ошибок диспетчерских служб.
С увеличением катастрофпассажирских самолетов активно обсуждаются идеи спасения пассажиров с помощью специального отбрасываемого модуля. В настоящее время идея модульного исполнения воздушного лайнера Идея находится в состоянии разработки.
Однако, очевидно, что модель самолёта с отделяющимся корпусом (самолета модульного типа), позволяет не только изменить авиацию по направлению грузоперевозок и пассажирского транспорта, но максимально повысить уровень безопасности полетов.
Съёмная капсула, которая может играть роль, как грузового отсека, так и пассажирского салона, может фиксироваться (присоединяться и отсоединяться) к несущей конструкции самолета, сохраняя прочностные параметры во время, взлёта, полёта или посадки (рисунок 1).
Отделившаяся от самолёта в случае аварии капсула может приземляться как на твёрдую поверхность, так и на воду. Капсула оснащается мощными парашютами и надувными баллонами, которые удерживают её на плаву или смягчают посадку на землю.
| 
|
| 
|
| Рисунок 1 – 3D модель пассажирской капсулы, момента ее загрузки, отделения и приземления (приводнения) |
Проведенное моделирование позволяет оценить снижения рисков при авиакатастрофах. Результаты моделирования приведены на рисунке 2, где показаны моменты отделения капсулы при аварийной ситуации.
| 
| 
|
| Рисунок 2 – Моделирование действий при авиакатастрофе для самолет модульного типа |
Моделирование показывает, что при авиакатастрофе, возникающей в полете, вероятность спасения пассажиров и экипажа значительно возрастает. Соответственно, при приземлении (или приводнении) капсулы, должна быть улучшена работа диспетчерских служб.
Конечно, подобное решение, несмотря на его оригинальность, не защитит авиалайнер от внешних воздействий или террористических актов. Однако, очевидно повышение уровня безопасности и вероятности спасения пассажиров и экипажа.
Опыт прошлых лет
Очевидно, что современная авиация нуждается в модификации, особенно для грузовых перевозок. В направлении повышения качества и приближению к современным требованиям, работы ведутся несколько десятилетий. Над конструкцией модульных летательных аппаратов различные конструкторские бюро (КБ) разных стран работают с 50 – 60 годов прошлого века.
Из реализованных проектов модульных систем наиболее известными являются тяжелые вертолеты советские Ми-10, Ми-26 и американские S-64.
В Бюро Сикорского создан «вертолет - подъемный кран» S-60, который объявленисследовательским транспортным средством. Работа над проектом начата в мае 1958. Суть проекта: фюзеляж - рама, под которым транспортируется полезный груз или оборудование. Для гражданских целей разработан S-64B/CH-54B, способный перевозить 16 329 килограмм полезного груза (рисунок 3). Конструкторами бюро разработаны универсальные контейнеры для перевозки грузов и пассажиров (военнослужащих), снабженные различным оборудованием, системой вентиляции и освещения.
Рисунок 3 – Эскиз и действующая модель вертолета СН-54В
Помимо бюро Сикорского модификация вертолетного парка активно проведена специалистами советских КБ. В конце 1952 годаОКБ Миляначинает исследования по созданию тяжёлого транспортного вертолёта, который мог перевозить до 6 тонн груза при нормальной взлётной массе и 8 тонн - при перегрузочной. В случае полёта на укороченную дистанцию - 11,5 тонн.ОКБ Миля впервые в СССР предусмотрена возможность перевозки грузов на внешней подвеске.
В 1959 году на Ростовском заводе № 168выпущены первые серийные вертолеты МИ-6, а в 1980 годана смену МИ-6 выпущена более совершенная модель - МИ-26. Следует отметить, что вертолет МИ-6 поставил ряд мировых рекордов по грузоподъемности, высоте подъема и дальности полетов.
Первый полёт МИ-26 совершен году, серийно машина производится с 1984 года. Всего по состоянию на 2011 год изготовлено 316 машин (по данным реестра воздушных судов).
На рисунке 4 приведены варианты применения вертолетов МИ-26.
| 
|
| Рисунок 4 – Применение вертолетов МИ-26 |
В 1970-е годы СССР напрямую связывает экономическое развитие с массовым освоением отдаленных районов: Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Это требует доставки тяжеловесных крупногабаритных грузов: атомных реакторов для строящихся АЭС, ректификационных колонн для нефтехимических производств, гигантских турбин и других компонентов энергетических установок.
Не следует забывать о применении воздушных гигантов – военном. В конце 1970-х в СССР проводятся работы по созданию уникальной космической системы, предусматривающей воздушный старт космического аппарата с гигантского самолета-носителя.
Первым промежуточным вариантом такого самолета становится «Мрiя» – большегрузная модификация Ан-124 «Руслан», у которого удлинен фюзеляж, добавлена секция в крыло, прикреплены дополнительные двигатели и увеличено количество стоек в шасси (рисунок 5).
Рисунок 5 – Транспортировка «Бурана» самолетом АН-124 «Руслан»
Кардинальным решением могла стать разработка самолета сверхбольшой грузоподъемности с нижней подвеской. Работа над проектомнового большегрузного самолета – М-52, поручена экспериментальному машиностроительному заводу (ЭМЗ) имени Мясищева (рисунок 6).
Грузовой контейнер для самолетов проекта М-52 в военно-транспортном варианте оснащен самостоятельным 28-колесным шасси, стойки которого для обеспечения процесса погрузки-разгрузки конструктивно выполнены «приседающими». К тому же контейнер должен быть самоходным с высокой маневренностью.
Рисунок 6 – Модели проекта М-52
По замыслу конструкторов М-52А-1 самолет, выполненный в варианте «Воздушный старт»,мог совершать полеты на высоте 8-10 км с подвесным топливным баком массой 400 тонн.
Перспективы и направления исследований
В Бюро по патентам и торговым знакам США (USPTO) зарегистрирован патент концерна Airbus на создание разделяемого самолета (рисунок 7), в котором салон и багажный отсек лайнера разделены универсальной съемной капсулой, которая позволяет значительно сократить время простоя самолетов в аэропортах.
В таких капсулах размещается багаж и пассажиры, а после приземления самолета кран удаляет капсулу с пассажирами, заменяя ее на новую.
Для фиксации подвижной капсулы к самолету создана специальная система со сменными штифтами. Капсула герметична, на ее крыше установлены специальные приспособления для погрузки краном.
Конечно, такая технология не вписывается в текущие правила по авиационным пассажирским перевозкам. Сегодня, после каждого рейса самолеты проходят обязательный технический осмотр и заправку.
В настоящее время проект не реализован и еще неизвестно: получит ли необычная технология Airbus сертификат на серийное производство.
Рисунок 7 – 3Dмодель проекта Airbus
Airbus предлагает использовать нечто типа модульного самолета. В частности можно реализовать грузовой или пассажирский блок. Но наиболее интересные перспективы открываются для пассажиров. Если сейчас пассажирам нужно добраться до аэропорта, пройти регистрацию, выйти на перрон, зайти в автобус, доехать до самолета, то по новой концепции пассажиры размещаютсяв салоне – капсуле до готовности самолета к вылету, затем осуществляется доставка к самолету, фиксация, и, по мере завершения необходимых операций – взлет.
В Швейцарии инженеры Федерального политехнического института Лозанны работают над проектом, который пока существует только в 3Dмодели (рисунок 8).
Рисунок 8 – 3Dмодели самолета Федерального политехнического института Лозанны
Разрабатываемый модульный летательный аппарат, получил рабочее название - «гондолоплан», поскольку состоит из двух основных частей: летательного модуля (планер, кабина пилотов и двигатель) и съемных гондол, оборудованных внутри под пассажирский салон или под грузовой отсек.
Модульная конструкция самолета делает его универсальным транспортным средством, выполняющим различные функции:
- доставку пассажиров;
- перевозку грузов.
Для пассажирских перевозок новый тип летательного аппарата может оказаться максимально востребованным. Разъединяемая гондола может устанавливаться в качестве вагона в состав поезда. Таким образом, группе пассажиров не придется делать лишних пересадок и самостоятельно перемещаться между вокзалами и аэропортами.
В настоящее время разрабатывается прототип длиной не более 10 метров, который призван помочь инженерам проверить теории относительно потенциальной производительности самолетов гондольного типа.
Дизайн швейцарского концептавыполнен на основе летающего крыла, располагающегося довольно высоко над землёй, что оставляет достаточно пространства для крепления к нему вплоть до трёх гондол.
Новая концепция снижает время, необходимое для стыковочных рейсов, упрощает транзитную систему для людей и грузов, а также позволяет расширить формирование рейсов – пассажирских, грузовых и смешанных.
Видно, что направление полимодульности в рамках одного летательного аппарата, со специализацией модулей и возможностью спасения людей и грузов при аварии, актуально. Но, следует отметить, что проектируемые летательные аппараты остаются пилотируемыми.