Конкурентные преимущества МС-21 - аэродинамическое качество

При создании перспективного ВС для коммерческого использования уже на стадии предварительного проектирования должен применяться подход, позволяющий связать в единый цикл анализ рынка, прогноз его потребностей, расчёт стоимости производства и эксплуатации самолёта. При этом необходимо учесть параметры пассажирского салона и грузового отсека, массу самолёта, его аэродинамическое качество и скорость. Всё это в целом определяет экономические и конкурентные преимущества будущего лайнера.

Именно такой подход на ранних этапах проектирования будущего самолёта МС-21 был применён конструкторами Инженерного центра имени А.С. Яковлева корпорации «Иркут». Сначала специалисты оценили взаимосвязь требований рынка с техническими и экономическими характеристиками лайнера, после чего была выполнена оптимизация технических параметров в увязке с их влиянием на экономику проекта в целом.

В различных СМИ часто пишут, что МС-21 обладает одним из наиболее совершенных на данный момент конструкций планера в мире. При этом отмечается объём применённых композиционных материалов, большое значение удлинения крыла, менее финансово затратная технология вакуумной инфузии по сравнению с автоклавной технологией и более высокие показатели аэродинамического качества, чем у конкурентов.

При разработке МС-21 в ЦАГИ прошли исследования аэродинамики девяти вариантов геометрии композитного крыла. Было проведено более тысячи испытаний, в результате которых специалисты рекомендовали конструкторам крыло, имеющее порядковый номер 9. Именно высокое аэродинамическое качество крыла позволило обойтись без установки на МС-21 винглетов, и оставить их как задел на будущую модернизацию.

Большему аэродинамическому качеству соответствует большая подъёмная сила и (или) меньшее сопротивление движению.

Аронин Г.С. Практическая аэродинамика. — М.: Военное издательство Министерства обороны, 1962, с. 68–75.

Одной из основных целей при создании самолёта конструкторы ставят перед собой достижение максимально возможного значения величины аэродинамического качества. Эта характеристика определяется отношением подъёмной силы к лобовому сопротивлению, а необходимая подъёмная сила при уменьшении лобового сопротивления приводит к улучшению топливной эффективности лайнера.

Новые методы моделирования при проектировании аэродинамической компоновки МС-21, выполненные на супер-ЭВМ класса «Ломоносов» в Московском государственном университете, позволили достичь высокого аэродинамического совершенства композитного крыла большого удлинения — аэродинамическое качество нового российского лайнера составляет 18,2. Такое значение является главным показателем конкурентоспособности МС-21 по сравнению с самолётами аналогичного класса компаний Boeing (К=15,0) и Airbus (К=16,3).

Достижение К=18,2 потребовало многомесячных расчётов в решении прямой и обратной задачи аэродинамического проектирования при ограниченном наборе оптимизируемых параметров. На основе многодисциплинарных подходов были определены аэродинамические характеристики самолёта, который содержит фюзеляж, механизированное крыло с предкрылком и закрылком (с учётом всех разрывов), пилоны, мотогондолы, крепления предкрылка и обтекатели механизмов выдвижения закрылков, имеющиеся вихрегенераторы на мотогондолах. Кроме того, были смоделированы струи двигателей, а в задаче обтекания решены уравнения Рейнольдса в частных производных в трёхмерной постановке.

МС-21 включает в себя больше российских технологических наработок, чем Superjet. Это не копия западной машины.

аналитик издания Leeham News Скотт Хамильтон

Для подобного расчёта аэродинамики МС-21 в сложной взлётно-посадочной конфигурации с учётом работы силовой установки требуются сетки как минимум с 100-150 млн ячеек, а типичное время расчёта одной точки может составлять несколько дней.

Генеральный директор ЦАГИ, академик РАН Сергей Чернышёв в 2017 году оценивал аэродинамическое качество самолёта МС-21 на 7-10 процентов выше, чем у конкурентов. «Примерно то же преимущество и в расходе топлива. Но, конечно, всё это надо подтвердить в полёте»,- сказал директор ЦАГИ в интервью «Российской газете» в начале января 2017 года.

В феврале 2016 года аналитик Leeham News Скотт Хамильтон писал: «На примере Superjet мы имеем хорошо сконструированный самолёт, который оборудован западными системами. МС-21 идёт тем же путём, но включает в себя больше российских технологических наработок. Это не копия западной машины».

«МС-21 явно представляет собой огромный шаг вперёд по сравнению с Superjet, — считает эксперт американской компании AirInsight Эддисон Шонланд. — Вероятно, он лучше китайского С919, потому что выпускается компанией с более богатой историей в отрасли. Двигатель Pratt & Whitney позволит МС-21 продемонстрировать прекрасные экономические и технические показатели», — уверен он.

По его словам, МС-21 должен потреблять на 10% меньше топлива, чем А320neo и 737МАХ, но если потребление будет даже на уровне конкурентов, то и это уже можно считать прекрасным результатом.

Некоторые весовые, аэродинамические и экономические характеристики среднемагистральных лайнеров сопоставимой пассажировместимости: B737 MAX 8, Airbus A320neo и МС-21.

	B737 MAX 8	A320neo	МС-21
Максимальная компоновка, кресел	200	195	211
Типовая двухклассная компоновка, кресел	178 (12+166)	165 (12+153)	163 (16+147)
Максимальная взлётная масса, кг	82 200	79 000	79 250
Максимальная коммерческая нагрузка, кг	20 882	20 000	22 600
Удлинение крыла	9,45	10,45	11,5
Аэродинамическое качество	15,0	16,3	18,2
Дальность полёта, км	6 570	6 500	6 000
Цена, млн	$110	$106,2	$96,1

Иногда высказывается мнение, что выигрыш в аэродинамике крыла будет «съеден» увеличенным диаметром фюзеляжа МС-21. Заместитель гендиректора ЦАГИ, начальник комплекса аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов Сергей Ляпунов согласен, что улучшения, которые предлагаются другими дисциплинами авиастроения, могут оказывать негативное влияние на аэродинамические параметры ВС. Например, повышение комфорта в значительной степени определяется размерами фюзеляжа, что приводит к утяжелению планера и увеличению лобового сопротивления.

«При разработке МС-21 дискуссия шла вокруг каждого сантиметра, баланс был найден, и аэродинамическое качество МС-21 именно на те 5–6% выше, чем у конкурентов, при большем размере фюзеляжа», - рассказал в интервью ATO.ru Сергей Ляпунов в 2011 году перед открытием МАКС-2011.

Арифметика "в лоб" даёт более кардинальное преимущество российскому лайнеру. Сопоставление данных из вышеприведённой таблицы показывает, что аэродинамика МС-21 на 21,3% лучше, чем у B737 MAX и на 11,6% - чем у А320neo.

Источники: