Aviacija: naujos technologijos atneša efektyviau degalus vartojančius, patogesnius ir egzotiškesnius orlaivius. Pasiruoškite skrydžių ateičiai.
Dėl daugybės žmogiškųjų klaidų 1983 m. liepos 23-iosios vakarą „Air Canada“ 143-iojo reiso lėktuvui pristigo degalų. Bandydamas pasiekti artimiausią, už maždaug 120 km esantį, Vinipego oro uostą ne itin apkrautas naujasis „Boeing 767“, skraidinantis 61 keleivį ir aštuonis įgulos narius, pradėjo sklęsti būdamas vos 8 686 metrų aukštyje. Po dešimties minučių buvo aišku, kad lėktuvas žemyn smunka per greitai ir oro uosto nepasieks.
Pilotai pakeitė kursą vildamiesi pasiekti buvusią oro pajėgų bazę netoli Gimlio miesto. Jie nežinojo, kad tenykščiai kilimo ir tūpimo takai paversti traukos lenktynių trasa. Pamatę tyliai artėjantį orlaivį žiūrovai išsilakstė. Orlaivio ratams palietus lenktynių trasą, priekinė važiuoklė nulūžo, ir nosis vožėsi į asfaltą pažerdama kibirkštis. Braukdamas apsauginę tvorelę, kuri trasą skyrė į dvi dalis, orlaivis šliauždamas sustojo. Niekas nežuvo.
Jeigu pilotai būtų skridę vienu iš geresnes aerodinamines savybes turinčių šiandienių oro lainerių, jie būtų galėję lengvai pasiekti Vinipego oro uostą, sako pramoginio sklandymo instruktorius ir Sidnėjuje įsikūrusios konsultacijų bendrovės „Holden Dynamics“, kuri konsultuoja Australijos civilinės aviacijos saugumo administraciją, vadovas Carlas Holdenas. Pasak jo, šiandieniai oro laineriai nusklęstų apie 25 proc. ilgesnį atstumą, o nauja karta žada dar geresnius rezultatus.
Sklendimo atstumas – netobulas oro lainerio aerodinaminio efektyvumo matas, nes oro laineris sklandymui nenumatytas. Bet „Gimli Glider“ (liet. – Gimlio sklandytuvas) vardu pagarsėjęs incidentas padeda vaizdžiai parodyti aviacijos technologijų pažangos mastą. Dėl didesnio efektyvumo naujasis „Boeing 787“ oro laineris vienam keleiviui suvartoja apie 40 proc. mažiau degalų nei šios bendrovės XX a. aštuntojo dešimtmečio orlaiviai. „Airbus“ ir kiti gamintojai pasiekė panašių rezultatų.
Lėktuvų technologijos ne visuomet tobulinamos nuosekliai. Masei technologijų pasiekiant brandą, atsiranda galimybė kurti naujo pobūdžio orlaivius. Nepilotuojami orlaiviai daugiau kaip penkiskart viršijo garso greitį. Pernai lengvas, šveicarų pilotuojamas orlaivis „Solar Impulse“ per dieną sukaupė pakankamai saulės energijos visos nakties skrydžiui. Kuriami nedideli nepilotuojami lėktuvai, kurių sparnų apačioje įrengiami itin našūs infraraudonųjų spindulių elementai, renkantys nuo žemės atspindėtą spinduliuotės energiją. „Boeing“ kuria nepilotuojamą žvalgybinį orlaivį, kuris, naudodamas vandenilio energiją, ore gali likti penkerius metus be degalų papildymo. Projekto vadovas Drew Mallowas prototipą „Phantom Eye“, kurio sparnų mojis – 46 metrai, vadina „vargšo palydovu“. Artimiausiu metu skrydžių ateitis bus susijusi su nuosekliais pokyčiais, o per ateinančius dešimtmečius galima tikėtis radikalesnių poslinkių.
Tyrimus dažniausiai skatino pastangos taupyti reaktyvinius degalus. Jų kainai pastaraisiais metais išaugus daugiau kaip dvigubai, nūnai jie sudaro apie pusę oro bendrovių veiklos sąnaudų. Greitai atsiperka net menkiausia pažanga: efektyvumui padidėjus 1 proc., per tarnybos laiką, kuris siekia apie 20 metų, oro lainerio degalų sąskaita paprastai sumažėja daugiau kaip 1 mln. JAV dolerių, sako „Boeing“ viceprezidentas prekybai su Kinija Ihssane’as Mouniras. Šios santaupos auga kaip sniego kamuolys. Taupiai degalus vartojantys lėktuvai pelningesni, tad juos finansuodami bankai taiko mažesnes palūkanų normas.
Metas mesti svorį
Siekiant didinti efektyvumą, užsparnius nūnai valdo lengvos elektrinės sistemos, o ne hidraulika. Bent viena oro bendrovė – Australijos „Jetstar Airways“ – skrydžio pramogų komplektus keičia „Apple“ planšetiniais kompiuteriais „iPad“, kurie daug lengvesni. Santa Barbaroje (Kalifornija) įsikūrusi konsultacijų bendrovė „Flight Sciences International“ nustatė, kad fiuzeliažo izoliacinis sluoksnis be reikalo didina oro bendrovių sąnaudas: ilgainiui jis prisigeria drėgmės ir pasunkėja. Tai būdingas taupymo vajaus pavyzdys. Vienintelė sritis, kurioje technologams nepavyko padidinti efektyvumo, – keleivių svoris, sako Johnas Corlas iš „Flight Sciences“. Jis juokauja tik iš dalies.
Ne vienus metus metalines dalis orlaivių inžinieriai mėgina pakeisti lengvu plastiku, sutvirtintu anglies pluoštu. Anot aviacijos ir kosmoso bendrovės ATK, šios kompozitais vadinamos medžiagos paprastai esti 20–40 proc. lengvesnės; ši Jutoje įsikūrusi bendrovė jas tiekia orlaivių gamintojams. Šiandienos oro laineriuose kompozitai sudaro net 15 proc., bet kai kuriuose naujos kartos orlaiviuose kompozitų bus daugiau nei metalo, įskaitant „Boeing 787“ (kuris eksploatacijai atiduodamas šiais metais) ir „Airbus A350“ (numatytas 2013 m.).
Naudojant naują lengvą keramiką, metalo orlaiviuose reikės dar mažiau, sako ją kuriančio padalinio „ATK Aerospace Structures“ viceprezidentas Joy de Lisseris. Be to, keraminiai kompozitai atsparesni aukštesnei temperatūrai nei metalo lydiniai. Dėl to reaktyviniuose varikliuose, kuriuos kuria Prancūzijos gamintoja „Snecma“ ir JAV gamintoja „General Electric“ (GE), jie pradeda išstumti kai kurias metalines dalis. GE sako, kad naudodama turbinos žiedą ir mentes iš keramikos kompozitų (pirmoji pasaulyje) nuo „Boeing 787“ variklio masės nurėžė 136 kg (3 proc.).
Be to, GE sugalvojo, kaip metalinius komponentus, įskaitant dalį skirtų varikliui, palengvinti juos „spausdinant“, o ne kaldinant. Tai trimačiu spausdinimu arba adityvine gamyba vadinamas procesas, kurio metu komponentai formuojami paeiliui pilant plonus metalo miltelių sluoksnius, o medžiagą tirpdo ir suriša lazeris arba elektronų spindulys. Tikslumas matuojamas mikronais. Projektuotojai kai kuriuose komponentuose palieka tuštumų jų svorį sumažindami penktadaliu.
Bendradarbiaudama su JAV kosmoso administracija NASA, 2009 m. GE grįžo prie darbo, kurį XX a. 9-ajame dešimtmetyje buvo iš esmės atidėjusi: sukurti visiškai kitokio pobūdžio variklį, kuris vadinamas bekanalio ventiliatoriaus varikliu. Šiame variklyje naudojami du į oro sraigtus panašūs rotoriai su trumpomis mentėmis, kurie įrengiami išorėje, reaktyvinio variklio korpuso gale ir sukasi priešingomis kryptimis, tad variklyje dera sraigtiniam varikliui būdingas efektyvus degalų vartojimas ir didesnė reaktyvinio variklio galia bei akceleracija. Anot GE, varikliui reikia beveik trečdaliu mažiau degalų nei kitokiems modeliams. Bet jis triukšmingas, o nulūžęs rotorius gali trenktis į fiuzeliažą.
Dar viena amerikiečių variklių gamintoja „Pratt & Whitney“ sukūrė kitokį projektą, kuris kur kas tinkamesnis visuotiniam naudojimui. Jis vadinamas pavariniu turboventiliatoriniu varikliu, kuriame turbina (kuri sukasi iš galo veržiantis karštų dujų srautui) ventiliatorių (kuris priekyje siurbia orą) varo per pavarų dėžę, o ne ašį. Turbinai tai leidžia suktis greičiau nei ventiliatoriui, tad efektyvumas didesnis. Pasak Paulo Finklesteino iš „Pratt & Whitney“, šis variklis, pavadintas „PurePower PW1000G“, degalų vartojimą (ir triukšmą) sumažina apie 15 proc., sutaupydamas apie 400 JAV dolerių per skrydžio valandą. Jau užsakyta per 1,2 tūkst. vienetų po apytikriai 13 mln. JAV dolerių. Pirmieji gaminiai bus pristatyti 2013-aisiais.
Daugumoje keleivinių reaktyvinių lėktuvų sparnams tenka apie 90 proc., o fiuzeliažui apie 10 proc. keliamosios jėgos. Finansuojant administracijai NASA, aviacijos ir kosmoso inžinieriai iš Masačusetso technologijų instituto (MTI) suprojektavo lėktuvą, kurio liemuo toks stambus, o sparnai tokie siauri, kad fiuzeliažui tenka apie penktadalis orlaivio keliamosios jėgos. Jo skerspjūvis primena du sulipusius burbulus. „Dvigubu burbulu“ (angl. – Double Bubble) vadinamas orlaivis atrodo nerangus, bet, komandos skaičiavimais, toks dizainas degalų vartojimą sumažintų apie 70 proc. Žinoma, tik iš dalies, nes jis skristų apie 10 proc. lėčiau nei šiandienos oro laineriai.
Uodegos sparnai orlaivio galą stumia žemyn, kad pakiltų nosis, taip didindami priekinį pasipriešinimą. „Dvigubo burbulo“ nosis plati, su nusklembta apačia ir aukštyn ją stumia oro srautas, tad uodegos sparnai gali būti daug mažesni. Tradiciniams sklandmenims reikia sunkios konstrukcinės medžiagos, kad į šonus paskirstytų važiuoklei ir ratams po sparnais tenkantį fiuzeliažo svorį. MTI komanda lėktuvo masę apie 1 proc. sumažino pastorindama orlaivio liemenį – „iš esmės išplatindama fiuzeliažą, kad jis pasiektų važiuoklę“, kaip sakė komandos vadovas Markas Drela. Varikliai sumontuoti fiuzeliažo gale, o ne po sparnais. Išilgai fiuzeliažo tekantis oras juda lėčiau, tad varikliai naudoja mažiau deguonies ir degina mažiau degalų.
Slidesni lėktuvai
Orlaivio formą galima keisti ne tik makroskopiškai, bet ir mikroskopiškai. „Per mikroskopą orlaivio dažai primena Pirėnų kalnus“, – sako Pule (Anglija) įsikūrusios bendrovės „tripleO“ vykdomasis direktorius Paulas Bookeris. Jo bendrovė sugalvojo, kaip priekinį pasipriešinimą sumažinti išlyginant dažytus orlaivio paviršius; tam naudojamas labai plonas akrilinės dervos sluoksnis, kuris užpildo mažyčius plyšelius. Maždaug prieš 16 mėnesių pirmoji iš komercinių vežėjų produktu pasinaudojo britų „easyJet“, užsakiusi padengti tris oro lainerius. Vėliau ši bendrovė padengė dar penkis lėktuvus, kitos dvi oro bendrovės irgi nutarė pabandyti. Pasak P. Bookerio, didesnis slidumas degalų vartojimą sumažina apie 1 proc., tad padengimas atsiperka per kelis mėnesius.
Galbūt priekinį pasipriešinimą galima riboti ir mažinant kai kurių paviršių slidumą. Europos Sąjungos finansuojamo tyrimo metu Alessandro Bottaro iš Genujos universiteto (Italija) sukūrė nedidelius keratino šerelius, imituojančius smulkiausias paukščių plunksnas, vadinamas dengiamosiomis. Virpėdami vėjyje pasipriešinimą šereliai šiek tiek didina. Bet jie taip pat mažina už sparno susidarantį sūkuriuotą srautą – žemo slėgio turbulencijos zoną, kuri sparną traukia atgal; taigi dėl jų pasipriešinimas mažėja. A. Bottaro aiškina, kad dėl tos pačios priežasties pūkuotas teniso kamuoliukas skrenda greičiau už lygų.
Kad ir kaip tobulai suręstas orlaivis, be tiksliai apskaičiuotos trajektorijos viso potencialo įkinkyti nepavyks. Daugumoje oro uostų skrydžių vadovai atvykstančių lėktuvų artėjimo ir tūpimo tvarką nustato per paskutinį jų skrydžio pusvalandį. Dėl to pilotai eikvoja degalus, kai lėtėja ir greitėja leisdamiesi pakopomis. Šį ir kitus efektyvumo trūkumus (pavyzdžiui, sukimąsi ratais laukiant vietos nusileistii) netrukus gerokai sumažins naujo pobūdžio skrydžių valdymo programinė įranga.
Ši programinė įranga apdoroja kiekvieno orlaivio charakteristikų bei kitų eismo dalyvių ore arba oro uostuose duomenis ir taip nustato optimalų skrydžio planą. Pavyzdžiui, ši programinė įranga gali apskaičiuoti tikslų tempą, kokiu lėktuvas turėtų kilti į retesnį orą (idant sumažintų priekinį pasipriešinimą), kai degant degalams lengvėja. Orlaiviai gali rinkti duomenis apie atmosferą ir jais mainytis padėdami vienas kitam tikslinti trajektoriją bei greitį. Labai svarbu, kad ši technologija įvaldo oro lainerių gebėjimą sklęsti. Esant palankiam vėjui, naujo oro lainerio variklius laisvąja eiga galima paleisti iki oro uosto likus daugiau kaip 150 km ir nusileidimo taką pasiekti sklendžiant.
Pasak derybų su oro bendrovėmis vadovo Torbjorno Henrikseno iš bendrovės „Avinor“, kuri Norvegijoje valdo 19 komercinių oro uostų, vienas „žaliasis metodas“, kaip jie vadinami, sutaupo apie 100 kg degalų. Steve’as Fultonas iš tokias sistemas projektuojančio ir diegiančio GE filialo „Naverus“ jas prilygina geležinkeliui: nuo nustatyto kurso lėktuvai nukrypsta ne daugiau kaip per sparnų mojį ir nutūpia su dešimties sekundžių paklaida nuo numatyto laiko.
Brisbeno (Australija) oro uostas sistemą visu pajėgumu naudoja kol kas vienintelis. Vėlavimą ir triukšmą gretimose apylinkėse ji sumažino beveik trečdaliu. Pasak S. Fultono, taikant ją visoje Europoje, vidinių skrydžių degalų sąnaudos (ir tarša) sumažėtų daugiau kaip 8 proc. Technologiją pradeda naudoti tuzinai oro uostų, bet procesui reikia daug diegimo darbų ir mokomųjų kursų. „Avinor“ sako, kad, norint Norvegijoje technologiją taikyti plačiai, prireiks dar bent penkerių metų.
Galbūt mąstote, kad labai šaunu, kai taupomi degalai, bet kaip technologijos galėtų pagerinti sąlygas keleiviams? Ruošdamasi šį birželį vykusiai Paryžiaus aviacijos parodai „Airbus“ pristatė 2050 m. viziją apie patogumus oro laineryje. Korpuso sienas pakeitė rėminė konstrukcija ir skaidri membrana. „Atgaivinančios“ sukamosios sėdynės prisitaiko prie kiekvieno keleivio kūno ir jį masažuoja kartu rinkdamos kūno šilumą, kuria maitina individualias garso sistemas, nuotaiką kuriantį apšvietimą ir holografinius pramogų centrus. Skamba nuostabiai, net jei „Airbus“ inžinerijos viceprezidentas Charlesas Championas pripažįsta, kad naudojant šiandienes technologijas didžiosios tokio rinkinio dalies pagaminti neįmanoma.
Tačiau nepaisant to, kad 2003 m. buvo nutraukta „Concorde“ eksploatacija, viršgarsinio skrydžio svajonė nemirė. Prancūzų „Dassault Aviation“ ir amerikiečių „Aerion“ bei „Gulfstream Aerospace“ yra iš tų bendrovių, kurios kuria technologijas privatiems viršgarsiniams reaktyviniams lėktuvams. Įveikus garso barjerą susidaro garso smūgis, tad viršgarsiniai skrydžiai virš sausumos griežtai ribojami. NASA bandymai su modifikuotu naikintuvu parodė, kad naujoviškų formų sklandmenys smūgį gali sumažinti. Bet, „Aerion“ manymu, verčiau atsisakyti pastangų sumažinti garso smūgį ir viršgarsiniu greičiu skristi tik virš vandens. Bendrovės suprojektuotame, bet dar nepagamintame 8–12 vietų privačiame reaktyviniame viršgarsiniame lėktuve numatyti ploni, bet platūs „peilio ašmenų formos“ sparnai ir kiti aerodinaminiai elementai. Pasak Douglaso Nicholso iš „Aerion“, jie užtikrina mažesnį priekinį pasipriešinimą nei konkuruojančiuose projektuose. Apie 50 potencialių klientų jau sumokėjo 250 tūkst. JAV dolerių pradinį įnašą už 80 mln. kainuosiantį reaktyvinį lėktuvą, kuris skristų 1,6 karto už garsą didesniu greičiu (1,6 macho). Tačiau „Aerion“ dar neturi gamybos partnerio.
JAV ginkluotosios pajėgos mato potencialą hipergarsiniuose orlaiviuose, kurie skrenda 5 machų arba didesniu greičiu, naudodami variklį, kuris vadinamas viršgarsiniu tiesiasroviu reaktyviniu varikliu (angl. scramjet). Nepilotuojamas hipergarsinis orlaivis HTV-2, pagal projektą turėjęs skristi 20 machų greičiu, praėjusį mėnesį neįveikė bandomojo skrydžio. Kitam hipergarsiniam orlaiviui „X-51A WaveRider“, kurį sukūrė „Boeing“, sekėsi ne ką geriau. Buvo bandomi du „WaveRider“ – abu trumpais atstumais virš Ramiojo vandenyno. Vienam nepavyko. Bet projekto vadovas Joe Vogelis iš „Boeing“ sako, kad technologija „įveikė slenkstį“ ir pasiekė hipergarsinį greitį. Jis mano, kad galbūt vieną dieną viršgarsiniai tiesiasroviai reaktyviniai varikliai varys ir civilinius orlaivius.
Kariniuose sluoksniuose yra entuziastingai kalbančių, kad iki tol būtų galima pagaminti hipergarsinių karinių transporterių. Bet vyresnysis technologijų pareigūnas Robertas Mercier iš Oro pajėgų mokslinės laboratorijos Oro erdvės ir varomosios jėgos skyriaus pastebi, kad, švelniai tariant, leistis parašiutu į sūkurius, likusius po tokio orlaivio, būtų gana nemalonu. Pasak jo, didesnė tikimybė, kad hipergarsiniai orlaiviai bus naudojami kaip itin greitos sparnuotosios raketos, netikėtai triuškinamu smūgiu sudrebinančios priešų užnugarį. Tokiu atveju smogti tolimojo nuotolio balistine raketa būtų rizikinga, nes jos paleidimą galima supainioti su neišvengiamu branduoliniu smūgiu.
Ar gali būti, kad grįžta keletą metų snūduriavusi beveik hipergarsinio keleivinio orlaivio idėja? Šiųmetėje Paryžiaus aviacijos parodoje EADS, kuriai priklauso „Airbus“, pristatė kartu su mokslininkais iš Japonijos sukurtą koncepcinį orlaivio projektą, pavadintą ZEHST (Zero Emission High Supersonic Transport; liet. nulinės emisijos viršgarsinis transportas). Jis turi tris skirtingus variklius: įprastus reaktyvinius (varomus biodegalų iš jūržolių arba jūros dumblių) pakilti, raketinius – įsibėgėti iki 2,5 macho ir tiesiasrovius reaktyvinius įsibėgėti iki 4 machų. Orlaivyje tilptų 50–100 keleivių, o iš Paryžiaus į Tokiją jis nuskristų per maždaug 2,5 valandos, kai šiandien kelionė trunka 11 valandų.
Net jo projektuotojai pripažįsta, kad skraidančių ZEHST neverta tikėtis iki 2040 m. „Bet oro kelionių ateitis bus panaši į ZEHST“, – pareiškė EADS technologijų ir inovacijų generalinis direktorius Jeanas Botti. Skamba kaip fantazija. Bet visai neseniai nerealios atrodė ir sparčios, kasdienės tarpžemyninės oro kelionės. Tai, kas aviacijoje šiandien skamba keistai, rytoj gali būti įprasta.
