НАСА сделало еще один шаг к повышению топливной эффективности будущих коммерческих самолетов, разработав технологию обтекания крыла, которая, согласно исследованиям, может снизить расход топлива на целых 10% на крупных пассажирских лайнерах.

Инженеры из Центра летных исследований имени Армстронга НАСА в Калифорнии завершили высокоскоростные испытания концепции поперечного потока с ослабленным естественным ламинарным течением (CATNLF), используя исследовательский самолет F-15B в качестве летающей лаборатории. 

Предыдущие вычислительные исследования НАСА показывают, что при успешном применении этой технологии на широкофюзеляжных самолетах, таких как Boeing 777, она может обеспечить ежегодную экономию топлива в размере миллионов долларов на каждый самолет.

НАСА достигло важного этапа в разработке технологии снижения аэродинамического сопротивления крыла.

В ходе рулежных испытаний, проведенных 12 января, модифицированный F-15 достиг скорости приблизительно 144 миль в час, что стало первым важным этапом в реализации программы CATNLF. 

Под фюзеляжем самолета была установлена экспериментальная конструкция высотой 90 см, визуально похожая на нижний киль, но фактически представляющая собой вертикально ориентированную масштабную модель стреловидного крыла.

НАСА выбрало эту нетрадиционную конфигурацию, чтобы позволить испытать конструкцию крыла в полете без затрат и сложностей, связанных с модификацией всего крыла самолета или разработкой специального демонстрационного образца. 

При вертикальной установке модель испытывает условия обтекания воздушным потоком, сопоставимые с теми, с которыми сталкивается обычный самолет с горизонтальным крылом в крейсерском полете.

Как НАСА планирует расширить зону ламинарного потока на крыльях коммерческих самолетов со стреловидной формой.

Концепция CATNLF направлена на увеличение ламинарного потока по большей части поверхности крыла. 

Ламинарный поток описывает плавное, упорядоченное движение воздуха вблизи обшивки самолета. Когда этот поток переходит в турбулентность, сопротивление трения резко возрастает, что увеличивает расход топлива.

Несмотря на то, что ламинарный поток изучается и применяется в авиации уже несколько десятилетий, его использование на крупных коммерческих самолетах было ограничено. 

Современные пассажирские самолеты используют стреловидные крылья для обеспечения аэродинамической эффективности на крейсерском полете, но такая геометрия подвержена эффектам «поперечного потока», которые дестабилизируют плавный воздушный поток и вызывают преждевременный переход к турбулентности.

CATNLF решает эту задачу за счет усовершенствованной формы крыла, предназначенной для подавления поперечного потока, что позволяет поддерживать ламинарный поток и снижать общее сопротивление.

Моделирование НАСА предполагает экономию топлива до 10% для широкофюзеляжных самолетов.

В период с 2014 по 2017 год НАСА провело серию вычислительных исследований для оценки потенциального влияния CATNLF на коммерческие самолеты. Эти анализы показали, что на двухдвигательных самолетах большой дальности можно достичь снижения расхода топлива почти на 10%.

Хотя НАСА предупреждает, что реальные показатели могут быть подтверждены только в ходе испытаний, даже незначительная доля этого улучшения станет значительным шагом вперед для авиакомпаний, сталкивающихся с ростом цен на топливо и ужесточением норм выбросов.

От испытаний в аэродинамической трубе до летных испытаний крыла НАСА с ламинарным потоком воздуха

Вдохновленные предыдущими исследованиями, исследователи НАСА подтвердили концепцию в ходе испытаний в аэродинамической трубе в исследовательском центре имени Лэнгли в Вирджинии в 2018 году. Эти испытания подтвердили, что геометрия CATNLF способна поддерживать протяженные области ламинарного потока в контролируемых условиях.

На текущем этапе технология переводится в условия, максимально приближенные к условиям полета, где атмосферная турбулентность ниже, чем в аэродинамических трубах, и можно более эффективно исследовать эффекты масштабирования. 

Как заявили в НАСА, испытательный стенд F-15B обеспечивает необходимый запас производительности, при этом затраты на программу остаются значительно ниже, чем при использовании альтернативных подходов. 

НАСА ставит перед собой цель повысить эффективность дозвуковых коммерческих самолетов.

На данный момент программа ориентирована на дозвуковые коммерческие самолеты.

НАСА отмечает, что, хотя CATNLF оптимизирован для дозвукового полета, предыдущие исследования показывают, что аналогичные принципы в конечном итоге могут быть адаптированы для будущих сверхзвуковых конструкций, что расширит потенциальную область применения исследований.

Следующие шаги НАСА по подготовке к летным испытаниям CATNLF

После завершения испытаний на руление НАСА планирует начать серию первых полетов для оценки аэродинамического поведения модели CATNLF в воздухе. 

Эти испытания позволят собрать данные о степени ламинарного потока, его стабильности и чувствительности к условиям эксплуатации.

«После положительных результатов испытаний в аэродинамической трубе НАСА сочло технологию достаточно перспективной, чтобы перейти к летным испытаниям», — сказала Мишель Банчи, главный исследователь проекта CATNLF в Лэнгли.

«Летные испытания позволяют нам увеличить размер модели и проводить полеты в воздухе с меньшей турбулентностью, чем в аэродинамической трубе, что очень важно для изучения ламинарного потока».

Несмотря на то, что проект CATNLF находится еще на относительно ранней стадии разработки, он демонстрирует, как целенаправленные аэродинамические инновации могут принести непропорционально большие выгоды. 

Если технология окажется жизнеспособной в масштабах производства, она может стать частью более широкой программы мер по формированию следующего поколения экономичных коммерческих самолетов.

«Даже небольшие улучшения в эффективности могут в совокупности привести к значительному снижению расхода топлива и выбросов для коммерческих авиакомпаний», — сказал Майк Фредерик, главный исследователь проекта CATNLF в Центре летных исследований им. Армстронга НАСА в Эдвардсе, штат Калифорния.