Магистральный пассажирский самолет на криогенном топливе
MAIN LINE PASSENGER PLANE USING CRYOGENIC FUEL

Изобретение относится к авиационной технике. Изобретение может быть использовано при разработке магистральных пассажирских самолетов большой дальности полета, использующих криогенное топливо. Для предотвращения интенсивного испарения криогенного топлива, находящегося при температуре кипения (20 K - 110 K), топливные баки должны иметь теплоизоляционное покрытие. Более того, в отличие от керосина, который может быть размещен в любой полости конструкции, не занятой аппаратурой или полезной нагрузкой, для снижения теплопритоков к криогенному топливу требуется минимизировать отношение внешней поверхности баков S к их объему V , что ограничивает допустимые формы бака.
При размещении на самолете криогенного топлива необходимо также обеспечить выполнение требования «Норм летной годности» (АП-25, FAR-25, JAR-25) по обеспечению прочности самолета (в частности, бака криогенного топлива) при нелокализованном обрыве лопаток компрессора или турбины двигателей и предусмотреть компоновочные меры, снижающие опасность повреждения конструкции топливного бака или его изоляции при аварийной посадке с убранным шасси. При использовании криогенного (в частности, жидководородного) топлива величина потребного для достижения заданной дальности полета запаса (относительной массы) топлива дальнего самолета составляет . При этом объем баков для топлива, имеющего плотность ниже плотности керосина, примерно равен объему пассажирской кабины.
Известна схема регионального самолета, использующего в том числе криогенное топливо, с двумя баками, расположенными на крыле (патент на изобретение №2099248, 1995 г., МПК B64C 39/08). Размещение двух топливных баков на крыле с центром масс вблизи оси жесткости крыла (и центра масс самолета без топлива) вызывает проблемы аэроупругости, связанные с упругими деформациями как самого бака, так и крутильными деформациями крыла. При использовании в качестве второй опоры горизонтального оперения для повышения жесткости всей конструкции центр масс топлива смещается назад, вызывая проблемы балансировки. Компоновка с двумя баками, размещенными от фюзеляжа на расстоянии, обеспечивающем эвакуацию пассажиров при аварийной посадке, ухудшает управляемость самолетом вследствие возрастания его моментов инерции.
Известен средний магистральный самолет Ту-206 (В. Ригмант. Под знаками "АНТ" и "ТУ". Авиация и космонавтика, 2009, №9), содержащий крыло большого удлинения, снабженное механизацией, фюзеляж, вертикальное и горизонтальное оперение с органами управления, силовую установку, шасси. Размещение единственного бака жидководородного топлива на верхней части фюзеляжа над пассажирской кабиной, как предлагается в проекте этого самолета, для дальнего самолета большой пассажировместимости приводит практически к удвоению площади миделевого сечения и высоты фюзеляжа, поскольку диаметр бака мало отличается от диаметра фюзеляжа исходного самолета, снижению аэродинамического качества, ухудшению устойчивости и управляемости самолетом в путевом канале вследствие возрастания производной аэродинамического момента рысканья , усложнению обслуживание бака в эксплуатации и снижению безопасности при нелокализованном разрушении двигателя.
Величина площади миделя дальнего магистрального широкофюзеляжного самолета большой пассажировместимости с двухпроходной пассажирской кабиной при размещении по восемь-десять кресел в ряд (например, самолеты Ил-96-300, Боинг-747) в значительной степени определяется использованием кругового поперечного сечения фюзеляжа. В этом случае значительная часть площади поперечного сечения фюзеляжа, расположенная над пассажирской кабиной и ниже пола пассажирской кабины, используется нерационально.
Задачей настоящего изобретения является разработка компоновочной схемы магистрального самолета большой дальности полета, использующего криогенное топливо малой плотности.
Технический результат состоит в повышении аэродинамического качества самолета и безопасности полета, увеличении эффективности механизации крыла, улучшении эксплуатационных характеристик самолета и уменьшении разности температурных деформаций бака и фюзеляжа.
Технический результат достигается тем, что магистральный пассажирский самолет на криогенном топливе, содержащий крыло большого удлинения, снабженное механизацией, фюзеляж, вертикальное и горизонтальное оперение с органами управления, силовую установку, топливные баки, шасси, содержит две параллельные, соединенные между собой переходами пассажирские кабины, между которыми размещен отсек для бака с криогенным топливом, высота сечения которого равна высоте сечения пассажирских кабин, а центроплан крыла размещен под полом пассажирских кабин и баковым отсеком, причем вне зоны центроплана крыла в нижней части фюзеляжа размещены отсеки для грузовых контейнеров, а турбореактивные двигатели размещены в хвостовой части фюзеляжа.
Технический результат достигается также тем, что в магистральном пассажирском самолете на криогенном топливе турбореактивные двигатели размещаются на верхней поверхности хвостовой части фюзеляжа пакетом по три или четыре штуки с возможностью отбора пограничного слоя фюзеляжа в контур низкого давления двухконтурных двигателей.
Кроме того, технический результат достигается тем, что в магистральном пассажирском самолете на криогенном топливе топливный бак разделен в продольном направлении на два отсека, а форма поперечного сечения выполнена в виде трех пересекающихся окружностей с перемычками.
На фиг. 1 изображена компоновочная схема самолета.
На фиг. 2 изображено поперечное сечение фюзеляжа.
Самолет имеет механизированное крыло большого удлинения, фюзеляж, хвостовое оперение, силовую установку из двухконтурных двигателей. Шасси самолета крепится к фюзеляжу.
Фюзеляж самолета включает две параллельные пассажирские кабины 1 экономического или туристического класса, между которыми размещен отсек для бака криогенного топлива 2 (фиг. 1). Под палубой 3 (фиг. 2), на которую опираются пол пассажирских кабин и отсек топливного бака, размещаются центроплан крыла и два (передний и задний) отсека 4 для грузовых контейнеров 5. В носовой части фюзеляжа размещаются кабина экипажа 6 и салон 1-го класса 7. Пассажирские кабины соединяются переходами 8 для обеспечения эвакуации пассажиров при аварийной посадке. Главные опоры шасси 9 убираются в фюзеляж.
Изменение формы поперечного сечения фюзеляжа при сохранении размеров бака и уровня комфорта пассажиров приводит к уменьшению суммарной площади миделя, уменьшение диаметра кабины снижает величину напряжений в оболочке, вызванных действием избыточного давления в кабине, что повышает безопасность полета.
Форма поперечного сечения фюзеляжа, близкая к овалу, с отношением вертикальной оси к горизонтальной, например, 1:4, улучшает несущие свойства фюзеляжа, т.к. при этом производная коэффициента подъемной силы по углу атаки возрастает по сравнению с круговым поперечным сечением (К.П. Петров. Аэродинамика элементов летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1985, с. 272), что повышает аэродинамическое качество самолета, а следовательно, дальность полета.
Форма поперечного сечения бака 2 криогенного топлива образована тремя пересекающимися окружностями, в частности равного диаметра, с перемычками, обеспечивающими безмоментное напряженнодеформированное состояние оболочки под действием избыточного внутреннего давления. Бак криогенного топлива в продольном направлении разделен на две емкости для уменьшения разности температурных деформаций бака и фюзеляжа. Высота бака определяется высотой пассажирских кабин. Поскольку для всех пассажирских самолетов обязательно требование размещения стандартных грузовых авиационных контейнеров, в сечении под отсеком топливного бака размещаются по два контейнера 5, например, типа LD-3. Силовую основу фюзеляжа в данной компоновке образуют лонжероны, обеспечивающие совместную работу герметичных оболочек пассажирских кабин, отсека топливного бака и грузовых отсеков. Балки, ограничивающие грузовые отсеки, служат опорами топливного бака. Грузовой отсек, размещенный под отсеком топливного бака, снижает вероятность катастрофического разрушения бака при посадке самолета с убранным шасси, что повышает безопасность пассажиров.
Турбореактивные двигатели 10 силовой установки размещаются в хвостовой части пакетом на верхней поверхности хвостовой части фюзеляжа, в частности, с возможностью отбора пограничного слоя фюзеляжа в контур низкого давления двухконтурных двигателей, что повышает аэродинамическое качество. Такое расположение двигателей обеспечивает безопасность пассажиров и топливного бака при нелокализованном разрушении двигателя.
При размещении в ряду каждой из пассажирских кабин по четыре кресла длины бака и пассажирских кабин экономического класса с шагом кресел, соответствующим классу дальних самолетов (810 мм), близки по величине. Таким образом, достигается пассажировместимость дальнего самолета.
Ширина фюзеляжа близка к рациональной величине колеи шасси, что позволяет разместить ниши убранного положения шасси в боковинах фюзеляжа. Это, как и отсутствие на крыле элементов силовой установки, позволяет повысить эффективность механизации крыла и улучшает эксплуатационные характеристики самолета.