В пассажирской авиации экономичность часто связывают прежде всего с двигателем. Но у российского Superjet 100 есть другая сторона инженерного расчёта: его крыло проектировали так, чтобы самолёт получал необходимую подъёмную силу с меньшими аэродинамическими потерями. О том, почему эта схема оказалась важна для регионального лайнера с двигателями SaM146, рассказал Александр Долотовский, заместитель управляющего директора ПАО «Яковлев» и директор филиала «Региональные самолёты», в подкасте Московского авиационного института «Как это работает».

Коэффициент удлинения крыла SSJ100 близок к 10, а при расчёте по трапеции немного превышает эту величину. Для регионального самолёта это высокий показатель: подобная геометрия прежде была характернее для дальнемагистральных машин. Среди отечественных лайнеров с таким удлинением Долотовский выделил Ил-96.

Физика здесь довольно наглядна. При создании подъёмной силы на крыле возникают вихри, а вместе с ними — индуктивное сопротивление. Удлинённое крыло позволяет уменьшить эту составляющую при сопоставимых условиях полёта. Самолёту требуется меньше энергии на преодоление сопротивления, что при прочих равных помогает снизить расход топлива.

По оценке Долотовского, Embraer 190 в среднем расходует на 5–7% больше топлива, чем SSJ100. Это примечательное сравнение: у бразильского самолёта меньше поперечное сечение фюзеляжа, а значит, он располагает и меньшим миделем. Однако одна только площадь поперечного сечения не определяет экономичность — важны вся аэродинамическая компоновка, характеристики двигателей и условия эксплуатации.

Суперкритический профиль против волнового сопротивления

Одного удлинения недостаточно, чтобы сделать крыло эффективным на высоких дозвуковых скоростях. Крейсерское число Маха SSJ100 составляет 0,78–0,79. При приближении к скорости звука поток над отдельными участками крыла может локально ускоряться до сверхзвуковых значений. Возникающие при этом скачки уплотнения увеличивают волновое сопротивление и способны ухудшать аэродинамические характеристики.

Для борьбы с этим эффектом на SSJ100 применили суперкритические аэродинамические профили пятого поколения. Их геометрию оптимизировали с использованием трёхмерного компьютерного моделирования совместно со специалистами Центрального аэрогидродинамического института. Форма такого профиля позволяет контролировать распределение давления и ослаблять неблагоприятные эффекты трансзвукового обтекания.

Иными словами, инженерам было важно не просто сделать крыло длинным, но и сохранить его эффективность на скорости, с которой самолёт проводит значительную часть рейса.

Сайберлеты: изгиб крыла под контролем

Ещё один элемент аэродинамической схемы — саблевидные законцовки крыла, или сайберлеты. Их внедрили позднее, в том числе с учётом требований к эксплуатации SSJ100 в аэропорту Лондон-Сити, куда планировала летать ирландская авиакомпания CityJet. Росавиация одобрила конструкцию в декабре 2019 года.

Законцовки увеличивают эффективный размах крыла и помогают уменьшить индуктивное сопротивление. Но у этого решения есть и конструктивная сторона: увеличение размаха повышает изгибающий момент, поэтому важно правильно распределить нагрузку по крылу. Саблевидная форма законцовок была выбрана по результатам трёхмерного компьютерного моделирования. Она позволяет улучшить аэродинамические характеристики, не увеличивая массу крыла пропорционально росту эффективного размаха.

По приведённой в исходном материале оценке, внедрение сайберлетов улучшило топливную эффективность самолёта примерно на 4%. Это отдельный эффект модернизации законцовок, который не следует складывать с другими показателями экономии без уточнения методики расчёта.

Почему не поставить двигатель с большим вентилятором?

У SaM146 степень двухконтурности составляет 4,43. У двигателей с более высокой степенью двухконтурности значительная часть воздуха проходит через наружный контур, не участвуя непосредственно в сгорании топлива. В подходящих условиях это позволяет повысить эффективность силовой установки.

Но более высокая степень двухконтурности обычно требует увеличения диаметра вентилятора. Для самолёта с двигателями под крылом возникает задача сохранить необходимое расстояние от силовой установки до земли. Более крупные двигатели могут потребовать изменения компоновки, а это влияет на конструкцию и массу самолёта.

Поэтому проектировщики SSJ100 работали с тем, что даёт вся система в целом: двигатель SaM146, крыло большого удлинения, суперкритические профили и оптимизированные законцовки. Долотовский также связал аэродинамические характеристики самолёта с выполнением требований 14-й главы ИКАО по шуму. По его словам, конкурирующим машинам для соответствия этим требованиям потребовался переход на маршевые двигатели со степенью двухконтурности более девяти.

МАИ

Экономичность начинается не только в двигателе

История крыла SSJ100 показывает, почему нельзя оценивать самолёт только по характеристикам его силовой установки. Двигатель определяет значительную часть эффективности, но аэродинамика влияет на то, сколько тяги требуется для поддержания заданной скорости и высоты. Большое удлинение крыла, суперкритические профили и сайберлеты решают разные задачи, дополняя друг друга.