Законцовки и их применение на воздушных судах мира

Концевые крылышки разнообразной формы (крылышки или законцовки Уиткомба, названные так по имени американского аэродинамика Р. Уиткомба), представляющие собой разновидность концевых аэродинамических шайб, устанавливаются на концах стреловидных крыльев и увеличивают эффективное удлинение крыла, препятствуя перетеканию потока и выравниванию давлений на нижней и верхней поверхности крыла, т. е. увеличивают его несущую способность и уменьшают индуктивное сопротивление.

Установленные под определенным углом к вектору скорости набегающего потока, они создают тянущую силу (подобно парусу, позволяющему яхте двигаться против ветра), т.е. уменьшают силу лобового сопротивления. Кроме того, они ослабляют мощный концевой вихрь, разбивая его на несколько вихрей меньшей интенсивности и снижая, таким образом, индуктивное сопротивление, что увеличивает аэродинамическое качество.

Ричард Уиткомб подробно исследовал аэродинамические свойства законцовок крыла в начале 1970-х (их иногда называют крылышками Уиткомба).

Следующий шаг осуществил в 1991 г. Луи Гратцер, главный специалист по аэродинамике компании Aviation Partners, прежде много лет возглавлявший аэродинамический отдел компании Boeing. Он придумал blended winglet — со-

Законцовки Уиткомба

Рис.1.6

пряженное крылышко, которое плавно загибается вверх по дуге большого радиуса и имеет большое относительное удлинение. Фирма Aviation Partners запатентовала разработку, и не зря. Первое же применение крылышек новой конструкции для модернизации делового самолета Gulfstream II в 1991 г. позволило сократить расход топлива на 7%. Столь масштабная экономия за счет модернизации оказалась беспрецедентной в истории авиации, если не считать переделки всего самолета или установки новых двигателей.

В 1999 г. компания Boeing использовала технологию blended winglet для повышения дальности полета и рыночной привлекательности самолета Boeing Business Jet. Вскоре после этого Aviation Partners Boeing (APB), совместное предприятие, созданное фирмой Aviation Partners (ее доля составляет 55%) и Boeing, начало предлагать технологию blended winglet эксплуатантам самолетов семейства Boeing 737 Next Generation как в виде модификации уже существующих самолетов, так и при поставке новых машин. В результате экономия топлива составляет 4-5% для самолетов Boeing 737 и даже больше для Boeing 757-200.
По словам главы Aviation Partners Джо Кларка, системы blended winglet повышают эффективность любого коммерческого или делового самолета — разумеется, крылышки необходимо "подгонять" для каждого конкретного типа, однако сама технология применима на любом воздушном судне: от региональных реактивных самолетов до Airbus A380.

Впрочем, размах крыла A380 и так составляет 79,8 м при том, что для существующей в мире аэродромной инфраструктуры максимально допустимый размер — 80 м. Понятно, что 10 см, остающиеся у A380 с каждой стороны, не дают возможности сколько-нибудь плавного сопряжения законцовки с крылом, поэтому традиционные для самолетов компании Airbus стреловидные вертикальные аэродинамические шайбы на концах крыла остаются единственным возможным вариантом.

Между тем, помимо технических ограничений есть и коммерческие. По некоторым данным, Boeing не позволил APB продать Airbus лицензию на blended winglet, и сейчас европейский самолетостроитель испытывает два варианта законцовок для A320: собственной конструкции и разработанные фирмой Winglet Technology, которая расположена в г. Вичита, шт. Канзас (создал ее Боб Кайзер, бывший давний партнер Джо Кларка).

A320 проходит испытания с крылышками

Рис.1.7

Заказчиком работ выступает американская низкозатратная авиакомпания JetBlue, предоставившая самолет для проведения испытаний, которые должны завершиться к концу года.

Тот факт, что Airbus изучает возможность установки крылышек на A320, крыло которого изначально было оборудовано вертикальными концевыми аэродинамическими шайбами, свидетельствует о меньшей эффективности последних. По оценкам, такие гребни дают экономию 1,0-1,5%, тогда как крылышки на A320, как ожидается, обеспечат 4-5% экономии, что позволит JetBlue обойтись без технической посадки на рейсах из Нью-Йорка или Бостона в Лос-Анджелес.
Стоимость комплекта из двух крылышек производства APB для Boeing 737NG составляет 250 тыс. долл., для Boeing 757-200 — 750 тыс. долл. Плюс затраты на простой самолета в течение примерно недели для переоборудования. Тем не менее за счет экономии топлива расходы окупаются в течение двух-трех лет. Так, эксплуатанты Boeing 737NG в среднем экономят 350-500 тыс. л топлива на самолет в год на протяжении всего срока службы воздушного судна.

Эксплуатанты самолетов Boeing 757-200 сберегают еще больше — до 900 тыс. л топлива на самолет в год. В дополнение к значительной экономии топлива крылышки предоставляют ряд важных экологических выгод. Выбросы оксидов углерода на Boeing 737, оснащенном законцовками крыла, сокращаются пропорционально экономии топлива (на 4-5%).

Во время набора высоты самолет, оборудованный крылышками, может поддерживать тягу двигателей на 3% меньше по сравнению с таким же самолетом без крылышек. Тогда выбросы оксидов азота сократятся на 5%, а уровень шума на местности — на 6,5%. Это в свою очередь может позволить авиакомпании сэкономить на экологических платежах. А уменьшение тяги двигателей продлевает срок их службы до снятия с крыла, что обеспечивает дальнейшую экономию.

Законцовки крыла для Boeing 737-700 стоят около 250 тыс. долл.

Рис.1.8

Авиакомпания Icelandair разместила заказ у APB на семь комплектов законцовок по технологии blended winglet для Boeing 757-200 и опцион еще на 15 комплектов. Налет самолетов Boeing 757-200 авиакомпании составляет около 4 тыс. ч в год, средняя дальность полета 2685 км. В таких условиях законцовки окупаются менее чем за два года за счет экономии топлива (почти 760 тыс. л топлива на самолет в год) и экономии на обслуживании двигателей в размере примерно 4 тыс. долл. в месяц.

Авиакомпания Air Senegal стала первым перевозчиком в Западной Африке, заказавшим комплекты крылышек производства APB. На ежедневном рейсе по маршруту Дакар-Париж (4860 км) в стандартном режиме эксплуатации авиакомпания экономит до 455 тыс. л топлива на самолет. Это означает, что каждый 25-й рейс Дакар-Париж получается для Air Senegal бесплатным с точки зрения расходов на топливо, а всего в год набирается 15 таких рейсов.

Отметим, почему все без исключения самолеты до сих пор не оборудованы волшебными крылышками. Для этого тоже есть веские причины. Дело в том, что в максимальной степени экономический эффект достигается во время крейсерского полета, поскольку законцовки позволяют несколько снизить тягу двигателей.

А на коротких маршрутах самолет проводит на эшелоне относительно немного времени, так что крылышки могут никак не проявить себя или даже (при средней продолжительности рейса менее часа) увеличить расход топлива, поскольку они сами увеличивают вес самолета. К примеру, законцовки для Boeing 737NG добавляют к весу самолета от 170 до 235 кг в зависимости от того, установлены ли они сразу во время изготовления самолета или в ходе модернизации. Кроме того, любые дополнительные аэродинамические поверхности неминуемо увеличивают лобовое сопротивление самолета. Поэтому установка крылышек целесообразна не для типа в целом, а только для самолетов, используемых в конкретных условиях.

И все же использование крылышек для улучшения качеств самолета в ближайшие годы, похоже, будет нарастать. По мнению старшего вице-президента Airbus по коммерческим вопросам Джона Лихи, разработка Airbus нового узкофюзеляжного лайнера не оправданна до тех пор, пока не появятся двигатели нового поколения, имеющие заметно лучшие показатели по сравнению с существующими. Поэтому пока Airbus фокусирует внимание на модернизации семейства A320, в том числе и с помощью крылышек. Что касается Boeing, то уже сейчас более половины парка самолетов Boeing 737-700/800 оснащено крылышками от APB, а к концу года, по словам главы APB Майка Марино, эта доля достигнет 65%. Из новых самолетов Boeing 737-700/800 законцовками оборудуется свыше 85% машин. До 2010 г. APB рассчитывает поставлять не менее 400 комплектов крылышек в год. К 2012 г. Southwest Airlines планирует модернизировать до 542 самолетов Boeing 737-700, а Ryanair объявила о намерении приобрести 229 комплектов для самолетов Boeing 737-800. Модернизируются и более старые типы ВС. APB получила сертификат на крылышки для Boeing 737-300 в 2002 г., а для 737-400 — в 2003 г. Компания Continental Airlines намерена оснастить законцовками 51 Boeing 757-200.

Рост требований к самолетам вынуждает авиакомпании присматриваться к вариантам модернизации тех машин, которые, казалось бы, в этом не нуждаются. Например, долго считалось, что крыло самолета Boeing 777 спроектировано так, что никакие законцовки ему не нужны, но сейчас для Boeing 777-200ER разрабатывается особая, "спироидная", законцовка, выглядящая так, будто крылышко, "растущее" из основного крыла, плавно загнулось вверх, совершило полный оборот таким образом, что получилось кольцо, и снова плавно "приросло" к крылу. Эксперименты на Gulfstream II уже показали снижение расхода топлива благодаря такой конструкции на 10%.

По данным анализа различной литературы при установке законцовок можно сделать следующий вывод [6]. Вертикальная законцовка крыла (ВЗК) позволяет увели­чить эффективное удлинение крыла и соответственно повысить качество при сохранении заданного размаха крыла, что нема­ловажно для обеспечения маневрирования самолета на земле в зоне аэровокзала. Однако применение ВЗК вызывает ряд проблем прочностного обеспечения.

Особенности нагружения крыла с ВЗК состоят в следующем. Установ­ка ВЗК перераспределяет воздушную нагрузку по размаху крыла, смещая ее к концу крыла, что приводит к увеличению изгибающего момента по борту фюзеляжа на 2... 3%. Кроме того, боковая нагрузка на ВЗК нагружает конец крыла сосре­доточенным изгибающим моментом. Это приводит к увеличению массы конструкции крыла на 1,5 т для самолета со взлетной массой 200...250 т.

Применение ВЗК увеличивает аэродинамическое качество на 0,5...0,6 единицы и позволяет увеличить дальность полета на 2...3%, увеличение массы конструкции за счет установки ВЗК снижает этот эффект и при дальности полета порядка 3000 км практически сводит этот эффект к нулю. Следовательно, увели­чение аэродинамического качества за счет применения ВЗК требует тщательной проработки и всесторонней оценки. Крейсерская дальность самолета Ту-154М составляет до 5000 км, следовательно, установка ВЗК является целесообразной.

1.4. Прогноз рынка ТОиР

Общий объем работ на мировом рынке технического обслуживания и ремонта (ТОиР) турбореактивных самолетов транспортной категории в 2006 году увеличился на 1,3% и составил 38,8 млрд долл. Если считать, что сниженные недавно ставки заработной платы достигли своего минимума, а расходы на ремонт двигателей сохранят тенденцию к росту, то в ближайшие пять лет продолжится расширение рынка со скоростью около 5% в год. Согласно ежегодному прогнозу развития рынка ТОиР, подготовленному для журнала Overhaul & Maintenance (O&M) компаниями TeamSAI и BACK Aviation Solutions, среднегодовой совокупный темп роста (СГСТР) составит 4,7%, а объем работ на мировом рынке ТОиР в стоимостном выражении достигнет к 2011 г. 48,8 млрд. долл. В следующие пять лет СГСТР снизится до примерно 4,4%, а объем работ возрастет к 2016 г. до 60,6 млрд. долл. Цифре в 60,6 млрд. долл. соответствует общий рост почти на 56,2% по сравнению с концом 2005 г. и скачок почти на 68% по сравнению с концом 2002 г., когда рынок ТОиР достиг самой низшей отметки за последнее время.

Вялый рост рынка ТОиР результатом воздействия разных факторов. В их числе продолжающаяся концентрация усилий на повышении эффективности перевозок и передача трудоемких работ по ремонту планера специализированным предприятиям (см. рис.1.9), где их себестоимость ниже.

Передача работ по ТОиР специализированным предприятиям

Рис.1.9

Снижение расходов на ремонт планера в конечном итоге привело к смягчению тенденции роста расходов на обслуживание и ремонт двигателей, который сохранится, по прогнозам, и в последующем десятилетии.

Прогноз развития рынка ТоиР

Рис.1.10

Авиакомпания мира ищут пути повышения экономической эффективности своей деятельности, влияющим на такие показатели, как доходы и расходы на располагаемую пассажиромилю (РПМ), или, другими словами, на удельные доходы и расходы. В 2006 впервые темпы роста провозных мощностей и интенсивности их использования (соответственно 5 и 6%) превысили темпы расширения парка самолетов. По данным BACK, мировой парк гражданских самолетов транспортной категории в 2006 году увеличился на 4,1% и насчитывает 17903 самолета. В ближайшие 10 лет он будет расширяться, причем СГСТР составит 4%.

И рост провозных мощностей, и увеличение интенсивности использования парка ведет к повышению спроса на обслуживание, но интенсивность общего роста затрат на ТОиР смягчается сокращением удельных расходов на эти работы. Согласно прогнозу, удельные расходы на ТОиР, выраженные в стоимости, отнесенной к объему выполненных перевозок в тысячах РПМ, упали почти на 20%, с 14,9 долл. на 1000 РПМ в 2001 г. до 12,1 долл. в этом году. Если учесть, что в 2002 г. этот показатель составлял 15,9 долл., то падение оказывается еще более значительным. (Всплеск удельных расходов в 2002 г. был связан с резким сокращением объемов перевозок и провозных мощностей в результате событий 11 сентября 2001 г., а также с общим спадом в экономике.)

Сегодня явно просматривается тенденция к минимизации времени на обслуживание с целью максимизации времени пребывания самолета в воздухе. В то же время авиакомпании прямо требуют улучшения качества и повышения надежности. Это заставляет улучшать работу всей системы центров обслуживания. Идет дальнейший поиск путей повышения экономической эффективности, интенсивность использования самолетов растет, а удельные расходы на ТОиР продолжают снижаться.

Поиск путей роста доходов и снижения расходов в наибольшей степени затронул сегмент рынка, связанный с выполнением трудоемких форм обслуживания планера и модернизацией конструкции. По данным, приведенным в прогнозе, за последние пять лет объем таких работ ежегодно сокращался в среднем на 6,7% и к началу этого года составил в стоимостном выражении 10 млрд долл. по сравнению с 14,1 млрд. в начале 2001 г. Теперь объем работ в этом сегменте меньше, чем по обслуживанию и ремонту двигателей.

В 2006 году отмечалось значительное снижение объемов работ по обслуживанию планера. Оно вызвано, тремя основными причинами: повышением эффективности и улучшением организации работы подразделений, выполняющих трудоемкие формы обслуживания; широким внедрением новых технологий (и, в частности, композиционных материалов и защитных противокоррозионных покрытий, что приводит к снижению трудоемкости работ по ремонту самолетов нового поколения); продолжающимся уменьшением ставок заработной платы работников, занятых на тяжелых формах обслуживания.

Сравнение парка турбореактивных самолетов

Рис.1.11

Компания BACK Aviation Solutions ежегодно проводит анализ парков авиакомпаний для прогноза развития рынка ТОиР, подготавливаемого BACK и TeamSAI для журнала O&M. По ее данным, несмотря на значительное снижение предполагавшегося числа поставок 50-местных региональных самолетов с турбореактивными двигателями, среднегодовой совокупный темп роста мирового парка гражданских самолетов транспортной категории составит 4,2%.
В начале 2006 года, по данным BACK, в эксплуатации находилось 17903 турбореактивных гражданских самолета транспортной категории. 61,5% из них, или чуть более 11000 единиц, — узкофюзеляжные, 23,2%, или 4155 единиц, — широкофюзеляжные авиалайнеры, и 15,3%, или 2734 единицы, — региональные турбореактивные самолеты. К 2011 г. прогнозируется расширение мирового парка до 21952 самолетов с последующим ежегодным ростом на 3,9%. К 2016 г. в нем будет 26577 единиц авиатехники.

Распределение по регионам

Рис.1.12

В прогнозируемом периоде крупнейшим региональным рынком ТОиР останется Северная Америка. Сейчас она составляет около 16,6 млрд. долл., или 42% от общего объема рынка в 38,8 млрд. долл. За Северной Америкой идут Западная Европа, доля которой равна 8,5 млрд. долл. (22%), и Азиатско-Тихоокеанский регион без учета Китая и Индии — 5,7 млрд. долл. (15%). На долю Китая сегодня приходится 3%, а на долю Индии — 1% рынка. Через пять лет доля Северной Америка в стоимостном выражении составит 48,8 млрд. долл. а в процентном — уменьшится до 39%. Относительные доли Западной Европы и Азиатско-Тихоокеанского региона практически не изменятся — 22 и 16% соответственно. К 2016 г. на долю Северной Америки будет приходиться 36% рынка, общая стоимость которого оценивается в 60,6 млрд. долл. Западная Европа сохранит за собой 21% рынка, а Азиатско-Тихоокеанский регион 16%.

В прогнозируемый 10-летний период двумя наиболее быстро развивающимися рынками ТОиР будут Китай и Индия с СГСТР, равным 13,0 и 9,5% соответственно. К 2016 г. доля Китая составит 6% мирового рынка (или в стоимостном выражении 3,9 млрд. долл.), Индии — 4%, или 998,3 млн. долл. На рынке Ближнего Востока ожидаются относительно умеренные темпы роста. В течение 10-летнего периода СГСТР составит 5,2%, а доля будет сохраняться на уровне примерно 6%. Потенциал этого региона очень большой.

Дата добавления: 2015-08-05