Крылышки для крыла
Растущая конкуренция и рост цен на топливо вынуждают авиакомпании повышать свою эффективность самыми разными способами. Авиакомпании наращивают производительность труда, стараются минимизировать расходы на топливо, занимаются тонкой настройкой разнообразных производственных и сервисных затрат. Однако главный актив авиакомпании — парк воздушных судов — с трудом поддается радикальным изменениям. Даже среди ведущих авиакомпаний мира не многим удается держать в парке исключительно самые современные на сегодняшний день типы ВС. Обычно же характеристики имеющихся в компании самолетов воспринимаются как данность, приходится довольствоваться их исходной эффективностью, дальностью полета и расходом топлива на протяжении всего срока эксплуатации.
Самый радикальный способ повысить эффективность, увеличить дальность и сократить расход топлива на существующих воздушных судах является и самым дорогим — это замена двигателей. Поэтому и реализуются такие программы не часто. Можно вспомнить проведенную почтовыми компаниями UPS и FedEx модернизацию Boeing 727, когда вместо боковых двигателей JT8D-17 (или более ранних серий) устанавливались JT8D-209 или -217, а центральный двигатель, размещенный в хвостовой части фюзеляжа, подвергался доработке, поскольку его замена на другой тип невозможна без вмешательства в силовую конструкцию фюзеляжа. Аналогичная замена на самолете Ту-154М первого и третьего двигателей Д-30КУ-154 на Д-30КП-3 "Бурлак" остается теоретической возможностью; также обсуждается установка "Бурлаков" на Ил-86, но ремоторизация каждого самолета будет стоить миллионы долларов, поэтому для заказа подобных работ авиаперевозчик должен иметь очень веские причины (почтовые компании, модернизировавшие Boeing 727, эксплуатировали сотни таких самолетов).
Враждебный вихрь
В отличие от ремоторизации, установка законцовок крыла представляет собой простой и гораздо более дешевый способ улучшить экономические показатели самолета. Такие законцовки, называемые также концевыми крылышками, служат для увеличения эффективного размаха крыла, снижая индуктивное сопротивление, создаваемое срывающимся с конца стреловидного крыла вихрем. Законцовки оказывают относительно небольшой дополнительный изгибающий момент на лонжероны крыла, поэтому они относительно легко применимы для модификации уже существующих крыльев без вмешательства в их исходную силовую конструкцию. Разумеется, оптимально спроектированному крылу не нужны крылышки, и тем не менее в процессе разработки идет поиск компромисса между множеством требований, поэтому законцовки нередко появляются и на самолетах новых типов.
Ричард Уиткомб подробно исследовал аэродинамические свойства законцовок крыла в начале 1970-х (их иногда называют крылышками Уиткомба). Следующий шаг осуществил в 1991 г. Луи Гратцер, главный специалист по аэродинамике компании Aviation Partners, прежде много лет возглавлявший аэродинамический отдел компании Boeing. Он придумал blended winglet — сопряженное крылышко, которое плавно загибается вверх по дуге большого радиуса и имеет большое относительное удлинение. Фирма Aviation Partners запатентовала разработку, и не зря. Первое же применение крылышек новой конструкции для модернизации делового самолета Gulfstream II в 1991 г. позволило сократить расход топлива на 7%. Столь масштабная экономия за счет модернизации оказалась беспрецедентной в истории авиации, если не считать переделки всего самолета или установки новых двигателей.
В 1999 г. компания Boeing использовала технологию blended winglet для повышения дальности полета и рыночной привлекательности самолета Boeing Business Jet. Вскоре после этого Aviation Partners Boeing (APB), совместное предприятие, созданное фирмой Aviation Partners (ее доля составляет 55%) и Boeing, начало предлагать технологию blended winglet эксплуатантам самолетов семейства Boeing 737 Next Generation как в виде модификации уже существующих самолетов, так и при поставке новых машин. В результате экономия топлива составляет 4-5% для самолетов Boeing 737 и даже больше для Boeing 757-200.
По словам главы Aviation Partners Джо Кларка, системы blended winglet повышают эффективность любого коммерческого или делового самолета — разумеется, крылышки необходимо "подгонять" для каждого конкретного типа, однако сама технология применима на любом воздушном судне: от региональных реактивных самолетов до Airbus A380.
Впрочем, размах крыла A380 и так составляет 79,8 м при том, что для существующей в мире аэродромной инфраструктуры максимально допустимый размер — 80 м. Понятно, что 10 см, остающиеся у A380 с каждой стороны, не дают возможности сколько-нибудь плавного сопряжения законцовки с крылом, поэтому традиционные для самолетов компании Airbus стреловидные вертикальные аэродинамические шайбы на концах крыла остаются единственным возможным вариантом.
Между тем помимо технических ограничений есть и коммерческие. По некоторым данным, Boeing не позволил APB продать Airbus лицензию на blended winglet, и сейчас европейский самолетостроитель испытывает два варианта законцовок для A320: собственной конструкции и разработанные фирмой Winglet Technology, которая расположена в г. Вичита, шт. Канзас (создал ее Боб Кайзер, бывший давний партнер Джо Кларка). Заказчиком работ выступает американская низкозатратная авиакомпания JetBlue, предоставившая самолет для проведения испытаний, которые должны завершиться к концу года.
Тот факт, что Airbus изучает возможность установки крылышек на A320, крыло которого изначально было оборудовано вертикальными концевыми аэродинамическими шайбами, свидетельствует о меньшей эффективности последних. По оценкам, такие гребни дают экономию 1,0-1,5%, тогда как крылышки на A320, как ожидается, обеспечат 4-5% экономии, что позволит JetBlue обойтись без технической посадки на рейсах из Нью-Йорка или Бостона в Лос-Анджелес.
Деньги и литры
Стоимость комплекта из двух крылышек производства APB для Boeing 737NG составляет 250 тыс. долл., для Boeing 757-200 — 750 тыс. долл. Плюс затраты на простой самолета в течение примерно недели для переоборудования. Тем не менее за счет экономии топлива расходы окупаются в течение двух-трех лет. Так, эксплуатанты Boeing 737NG в среднем экономят 350-500 тыс. л топлива на самолет в год на протяжении всего срока службы воздушного судна. Эксплуатанты самолетов Boeing 757-200 сберегают еще больше — до 900 тыс. л топлива на самолет в год. В дополнение к значительной экономии топлива крылышки предоставляют ряд важных экологических выгод. Выбросы оксидов углерода на Boeing 737, оснащенном законцовками крыла, сокращаются пропорционально экономии топлива (на 4-5%). Во время набора высоты самолет, оборудованный крылышками, может поддерживать тягу двигателей на 3% меньше по сравнению с таким же самолетом без крылышек. Тогда выбросы оксидов азота сократятся на 5%, а уровень шума на местности — на 6,5%. Это в свою очередь может позволить авиакомпании сэкономить на экологических платежах. А уменьшение тяги двигателей продлевает срок их службы до снятия с крыла, что обеспечивает дальнейшую экономию.
Авиакомпания Icelandair разместила заказ у APB на семь комплектов законцовок по технологии blended winglet для Boeing 757-200 и опцион еще на 15 комплектов. Налет самолетов Boeing 757-200 авиакомпании составляет около 4 тыс. ч в год, средняя дальность полета 2685 км. В таких условиях законцовки окупаются менее чем за два года за счет экономии топлива (почти 760 тыс. л топлива на самолет в год) и экономии на обслуживании двигателей в размере примерно 4 тыс. долл. в месяц.
Авиакомпания Air Senegal стала первым перевозчиком в Западной Африке, заказавшим комплекты крылышек производства APB. На ежедневном рейсе по маршруту Дакар-Париж (4860 км) в стандартном режиме эксплуатации авиакомпания экономит до 455 тыс. л топлива на самолет. Это означает, что каждый 25-й рейс Дакар-Париж получается для Air Senegal бесплатным с точки зрения расходов на топливо, а всего в год набирается 15 таких рейсов.
Все выглядит так замечательно, что остается только удивляться, почему все без исключения самолеты до сих пор не оборудованы волшебными крылышками. Для этого тоже есть веские причины. Дело в том, что в максимальной степени экономический эффект достигается во время крейсерского полета, поскольку законцовки позволяют несколько снизить тягу двигателей. А на коротких маршрутах самолет проводит на эшелоне относительно немного времени, так что крылышки могут никак не проявить себя или даже (при средней продолжительности рейса менее часа) увеличить расход топлива, поскольку они сами увеличивают вес самолета. К примеру, законцовки для Boeing 737NG добавляют к весу самолета от 170 до 235 кг в зависимости от того, установлены ли они сразу во время изготовления самолета или в ходе модернизации. Кроме того, любые дополнительные аэродинамические поверхности неминуемо увеличивают лобовое сопротивление самолета. Поэтому установка крылышек целесообразна не для типа в целом, а только для самолетов, используемых в конкретных условиях.
И все же использование крылышек для улучшения качеств самолета в ближайшие годы, похоже, будет нарастать. По мнению старшего вице-президента Airbus по коммерческим вопросам Джона Лихи, разработка Airbus нового узкофюзеляжного лайнера не оправданна до тех пор, пока не появятся двигатели нового поколения, имеющие заметно лучшие показатели по сравнению с существующими. Поэтому пока Airbus фокусирует внимание на модернизации семейства A320, в том числе и с помощью крылышек. Что касается Boeing, то уже сейчас более половины парка самолетов Boeing 737-700/800 оснащено крылышками от APB, а к концу года, по словам главы APB Майка Марино, эта доля достигнет 65%. Из новых самолетов Boeing 737-700/800 законцовками оборудуется свыше 85% машин. До 2010 г. APB рассчитывает поставлять не менее 400 комплектов крылышек в год. К 2012 г. Southwest Airlines планирует модернизировать до 542 самолетов Boeing 737-700, а Ryanair объявила о намерении приобрести 229 комплектов для самолетов Boeing 737-800. Модернизируются и более старые типы ВС. APB получила сертификат на крылышки для Boeing 737-300 в 2002 г., а для 737-400 — в 2003 г. Компания Continental Airlines намерена оснастить законцовками 51 Boeing 757-200.
Рост требований к самолетам вынуждает авиакомпании присматриваться к вариантам модернизации тех машин, которые, казалось бы, в этом не нуждаются. Например, долго считалось, что крыло самолета Boeing 777 спроектировано так, что никакие законцовки ему не нужны, но сейчас для Boeing 777-200ER разрабатывается особая, "спироидная", законцовка, выглядящая так, будто крылышко, "растущее" из основного крыла, плавно загнулось вверх, совершило полный оборот таким образом, что получилось кольцо, и снова плавно "приросло" к крылу. Эксперименты на Gulfstream II уже показали снижение расхода топлива благодаря такой конструкции на 10%.
