Ту-204/214. Крыло, винглеты и топливная эффективность

В середине 80-х годов при создании самолёта Ту-204 в ОКБ Туполева процесс проектирования уже был автоматизирован, это позволяло решать сложные задачи по анализу и оптимизации параметров воздушного судна, его теоретических обводов. Применение вычислительной техники дало возможность наиболее оптимально выполнить расчёты конструктивных силовых схем и провести автоматизированный весовой контроль. Механическая обработка деталей производилась на станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах, для которых технологи программировали алгоритмы обработки.

Для расчёта внешних обводов использовалась система автоматизированного проектирования (CAD/CAM, САПР), благодаря которой удалось обеспечить аналитическую плавность поверхности крыла сложной аэродинамической формы, а также повысить точность привязки стапельной оснастки для отдельных агрегатов и подвижных элементов по сравнению с традиционным плазово-шаблонным методом. В результате теоретических и экспериментальных исследований, направленных на получение высокого аэродинамического качества, было выбрано крыло большого удлинения и умеренной стреловидности, образованное сверхкритическими профилями с большой относительной толщиной.

Разработанные специалистами туполевского КБ совместно с учёными ЦАГИ сверхкритические профили и распределение их относительных толщин по размаху крыла тщательно отрабатывалось в общей пространственной схеме обтекания крыла с пилонами и мотогондолами, что позволило обеспечить бескризисное обтекание на крейсерских режимах полёта. Большое внимание уделялось снижению аэродинамического сопротивления. Для уменьшения индуктивного сопротивления крылу самолёта Ту-204 была придана отрицательная аэродинамическая крутка, на концах установлены специально спрофилированные поверхности – винглеты. Оптимизированы внешние обводы в зонах соединения крыла с фюзеляжем, оперения с фюзеляжем, пилонов мотогондол с крылом. Улучшено качество внешних поверхностей.

Размах крыла самолёта Ту-204/214 составляет 41,8 метра, эффективное удлинение – 7,7. По сегодняшним меркам такая величина не кажется каким-то достижением. Например, удлинение крыла у базовой версии самолёта SSJ100 равно 10. Это очень высокий показатель аэродинамического совершенства, которого в 2000-х годах конструкторы компании «Гражданские самолёты Сухого» добились без использования винглетов. Для сравнения, у В787 удлинение равно 10,03, у A320CEO – 9,48, при том, что эти высокотехнологичные лайнеры без аэродинамических законцовок не выпускаются, это их обязательный конструктивный элемент. У импортозамещённой версии Суперджета, которая по умолчанию будет оснащаться сайберлетами, коэффициент удлинения крыла приближается к 11.

Другой российский лайнер, МС-21, не имеет каких-либо аэродинамических законцовок, но при этом удлинение крыла у него достигает значения 11,5. Такого высокого показателя инженеры ОКБ Яковлева смогли достичь благодаря использованию в конструкции крыла композиционных материалов. Передний и задний лонжероны, а также верхняя и нижняя поверхности консолей крыла МС-21 представляют собой цельные силовые элементы. Для их изготовления применяется метод вакуумной инфузии с предварительной выкладкой на оснастке сухого углеродного волокна. Преимущество этой технологии перед препреговым методом с запеканием в автоклавах заключается в значительно меньшей стоимости процесса и возможности получать цельные длинномерные конструкции. Композиты намного твёрже алюминиевых сплавов, поэтому можно спроектировать крыло тоньше и менее широкое в корневой части по сравнению, например с конкурентами A&B.

В конструкции Ту-204/214 широко применены алюминиевые конструкционные сплавы с улучшенными физико-механическими и ресурсными характеристиками, алюминиево-литиевые и титановые сплавы, а также современные на момент разработки самолёта стали, композиционные и гибридные материалы. Использование неметаллических материалов в конструкции самолёта и его интерьере позволило получить экономию в массе около 1200 кг. Использование длинномерных полуфабрикатов и крупногабаритных листов дало возможность выполнить консоли без стыков и существенно уменьшить количество стыков на фюзеляже, в результате этого снизилась масса конструкции и улучшилось качество внешней поверхности самолёта.

Чтобы обеспечить эксплуатацию самолёта на аэродромах с ВПП не превышающей 2500 м, и выполнить требования ICAO по шуму на местности, Ту-204/214 оснащён мощной механизацией крыла, применены двухщелевые закрылки с большими откатами и предкрылки вдоль всей передней кромки крыла, внутренние секции предкрылка отклоняются вперед по полёту. Механизация крыла обеспечивает достижение больших коэффициентов подъёмной силы на взлётно-посадочных режимах при сохранении высокого аэродинамического качества. Управление механизацией крыла осуществляется как в автоматическом, так и в ручном режимах. На пробеге после посадки автоматически отклоняются и интерцепторы, и воздушные тормоза, что приводит к резкому падению подъёмной силы крыла и дозагрузке основных опор шасси, сокращая длину пробега.

Когда Ту-204впервые был представлен широкой публике, на западе разгорелась дискуссия, что конструкторские решения были заимствованы у американского Boeing 757. Подобные подозрения касались не только этого самолёта, но и всей советской авиапромышленности, что подтверждали статьи в западных СМИ. В них утверждалось, что Ил-62 имел много общего с Vickers VC-10, а Ту-144 был по сути клоном Concorde. Однако в ответ на такие утверждения иногда появлялись мнения других западных аналитиков, которые подчеркивали, что нельзя делать выводы о нелицензионном копировании лишь на основании внешнего сходства Ту-204 и Boeing 757. Они утверждали, что при достаточно близких технических заданиях могут получаться изделия, которые визуально очень похожи, но при этом имеют свои особенности.

Семейство Ту‑204/214 – «спасательный круг» ГАвиации

Ту-204 разрабатывался как замена Ту-134 и Ту-154 и конструктивно был близок к ним. На начальном этапе проектирования было предложено использовать силовую установку из трёх двигателей Д-90 по 14 000 кгс, что делало Ту-204 внешне более похожим на McDonnell Douglas DC-10/MD-10. При проектировании много внимания уделялось топливной эффективности, которая должна была быть конкурентной в сравнении с аналогичными зарубежными моделями. Для достижения этой цели планировалось сократить расход топлива в 180-местном варианте Ту-204 в два раза по сравнению с Ту-154Б, а учитывая сезонность пассажиропотока, – увеличить диаметр фюзеляжа.

В первой половине 80-х годов было принято решение ускорить работы над Ту-204. Чтобы добиться уровня комфорта и экономической эффективности, сопоставимых с разработками западных производителей, такими как Boeing 757, семейство А300 и Boeing 767, изменили техническое задание, конструктивную схему самолёта, состав оборудования и двигатели, теперь их стало два – Д-90А по 16 000 кгс.

Установкой винглетов удалось получить крыло с удлинением 7,7, что для 80-х годов было хорошим показателем. Можно сравнить, например, с Ил-62М, у которого удлинение крыла равно 6,4 или Ту-154М – 7,83, Як-42Д – 7,6, Boeing 757 – 7,8, Boeing 747 – 7.

На Ту-204/214 винглеты установлены вертикально и необходимы, чтобы улучшить топливную эффективность лайнера, обеспечивая ему прирост аэродинамического качества на 2,2%, а также экономию 500-600 кг топлива при полёте на максимальную дальность. Винглеты появились на крыле Ту-204 одновременно с Ил-96 – это были первые самолёты в отечественной авиации с такими аэродинамическими элементами. Они увеличивали дальность полёта лайнеров и обеспечивали конкурентоспособность с иностранными самолётами аналогичных типов.

Источник: Артём Кириллов для сайта «Авиация России»