Electra, начинающий американский производитель самолетов, недавно выпустил концептуальную модель магистрального пассажирского самолета следующего поколения к 2050 году. Это гибридное решение может перевозить более ста пассажиров. Он повышает эффективность и одновременно снижает выбросы за счет электрификации, усовершенствованной аэродинамической компоновки и интегрированной конструкции кузова и мощности. Проект является частью программы НАСА «Передовые концепции самолетов для экологической устойчивости» (AACES 2050), целью которой является изучение возможных путей создания нового поколения экологически чистых пассажирских самолетов, совместимых с существующей инфраструктурой аэропортов.
В отличие от идеи «подключаемых» электродвигателей на традиционном планере, Electra пытается начать с общей конструкции планера и двигательной установки и глубоко связать аэродинамический дизайн и компоновку силовой установки для одновременного улучшения топливной экономичности и экологических показателей. Этот концептуальный самолет основан на исследовательском плане D8 «зеленого авиалайнера», ранее предложенном Массачусетским технологическим институтом. Его наиболее важной особенностью внешнего вида является так называемый фюзеляж «двойной пузырь»: две цилиндрические секции фюзеляжа соединены параллельно друг с другом, подобно современной интерпретации конструкции Boeing 377 Stratocruiser 1940-х годов, которая имела «поперек» 90 градусов.
Электра отметила, что фюзеляж «двойной пузырь» предназначен не только для увеличения пространства кабины без увеличения длины фюзеляжа, но, что более важно, для того, чтобы позволить самому фюзеляжу выдерживать большую подъемную силу, что делает общую компоновку близкой к некоторой форме конструкции слитого крыла и корпуса. Позволив фюзеляжу участвовать в создании подъемной силы, можно значительно уменьшить структурную нагрузку на крыло, тем самым уменьшив размер крыла и обеспечив двойной выигрыш в лобовом сопротивлении и весе.
Настоящая «изобретательность» отражена в его гибридной силовой установке. Под крыльями конструкция сохраняет два турбовентиляторных двигателя, которые отвечают за обеспечение большей тяги и питание электрической системы планера через встроенные мегаваттные генераторы. В хвостовой части фюзеляжа расположены три вентилятора с приводом от электродвигателей. Эти вентиляторы встроены в заднюю часть фюзеляжа и образуют интегрированную турбинно-электрическую гибридную силовую установку с передним турбовентиляторным двигателем.
С интуитивной точки зрения такая компоновка кажется немного ненужной: поскольку турбовентилятор может напрямую генерировать тягу, зачем нам сначала вырабатывать электричество, а затем приводить в действие электрический вентилятор, добавляя в середине многочисленные потери на преобразование энергии? Ответ, данный Electra, кроется в аэродинамической конструкции: ключом к этой системе является использование воздушного потока пограничного слоя на поверхности самолета для восстановления энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую в следе за самолетом.
В этом плане подкрыльевой ТРДД подвешивается под крылом через пилон мотогондолы, намеренно вдали от пограничного слоя на поверхности корпуса самолета, чтобы вдыхать напорный воздух, соответствующий скорости полета самолета и имеющий относительно однородное поле потока, тем самым поддерживая «чистые» условия воздухозаборника в традиционном смысле. В то же время на поверхности фюзеляжа образуется слой более толстого и низкоскоростного пограничного слоя воздушного потока. Этот низкоэнергетический воздушный поток движется назад вдоль фюзеляжа. Если позволить ему упасть естественным путем, в хвосте образуется турбулентный след, снижающий общую аэродинамическую эффективность самолета.
Концептуальный самолет AACES 2050 компании Electra имеет три электрических вентилятора, непосредственно встроенных в конструкцию фюзеляжа в хвостовой части, что позволяет им активно вдыхать этот низкоэнергетический воздушный поток пограничного слоя и повторно заряжать его до того, как поток полностью выйдет из строя, образуя след. Благодаря этому процессу «повторного ускорения хвоста» энергия, которая была бы потеряна в виде вихрей следа, может быть частично восстановлена, след тела может быть «сжат», а сопротивление значительно уменьшено, что повышает общую эффективность движения, снижает расход топлива и выбросы, а также позволяет использовать двигатели меньшего размера и более легкие.
Электра подчеркнула, что эта идея довольно изящна в теории, но она по-прежнему сталкивается с множеством проблем в инженерной практике, включая безопасность и эффективность передачи мощности мегаваттного уровня внутри кузова на большие расстояния, управление температурным режимом двигателей и силовой электроники, а также возможные проблемы с шумом, вызванные электрическими вентиляторами в хвостовой части. Могут ли эти ключевые технологии быть разработаны с учетом ограничений по стоимости и надежности, является сложной проблемой, которую необходимо постепенно решить в течение следующих десяти лет или около того.
Доктор Паркер Васчик, директор по продуктовой стратегии компании Electra, сказал, что ценность электрификации заключается в том, что она позволяет дизайнерам размещать силовые установки в местах, где двигатели ранее не могли быть размещены, тем самым получая большую свободу и преимущества на общем уровне компоновки. Он отметил, что цель этой концепции не только в том, чтобы быть высокоэффективной на бумаге, но и в том, чтобы предложить «решение, которое действительно может быть построено, сертифицировано на предмет летной годности и введено в эксплуатацию», сохраняя при этом совместимость с существующими моделями эксплуатации авиакомпаний и инфраструктурой аэропортов.