Kaip pagaminti ekologiškesnį lėktuvą, kuris būtų priimtinas avialinijoms?
Kad ir kaip klientą erzintų oro kelionės, paklausa nemažėja. 2009 metais siekęs 2,5 mlrd. iki 2014-ųjų individualių keleivių skrydžių skaičius turėtų pasiekti 3,3 mlrd. Iš dalies tai lemia sumažėjusi skrydžių kaina – per pastaruosius 40 metų bilietų kainos realiai sumažėjo 60 proc. Tačiau avialinijų sektoriui tenka nerimauti ne tik dėl to, kaip išlaikyti mažas kainas ir rasti daugiau orlaivių visiems tiems žmonėms sukišti. Dar reikia ir apsivalyti. Aviacijos įtaka pasauliniam atšilimui nėra didelė, bet auga; jai tenka 12 proc. transporto priemonių išmetamo anglies dvideginio. O net jei neprisidėtų, avialinijoms kuras – vienas daugiausia išlaidų reikalaujančių aspektų, taigi yra rimtų paskatų jo deginti mažiau. Vadinasi, kuro taupymo prasme tokia dorybė apsimoka savaime.
Nekeista, kad orlaiviai jau gerokai efektyvesni nei būdavo. Pirmasis „Boeing 737“, pristatytas 1967 metais, galėjo nuskristi 2 775 km, jame tilpo apie 100 keleivių. Šiuolaikinėje versijoje B737-800 keleivių telpa beveik dukart daugiau, jis gali nuskristi dukart didesnį atstumą sudegindamas 23 proc. mažiau kuro (48 proc. mažiau pagal vietų skaičių). Visa tai dėl efektyvesnių turboreaktyvinių variklių, lengvesnių konstrukcijų, įvairių aerodinaminių patobulinimų ir išplėtotų sudėtingų skrydžių valdymo sistemų. Tačiau patys orlaiviai iš esmės tebeatrodo kaip visuomet: jų fiuzeliažas cigaro formos su didele uodega, juos varo gondolas primenantys varikliai, kabantys po išsišovusiais sparnais. Kai kurie orlaivių dizaineriai jau mano, kad iš šios tradicinės formos išspaustos beveik visos efektyvumo galimybės, o norint dar labiau sumažinti kuro vartojimą reikia naujos rūšies orlaivių.
Bėgant metams siūlytas ne vienas visiškai kitoks dizaino variantas, bet nė vienas neprigijo. Antai forma milžiniškus skraidančius sparnus primenantys orlaiviai būtų efektyvesni, bet nesuderinami su avialinijų veiklos realijomis. Jeigu sėdynių eilės būtų tokios plačios kaip kino teatre, daugelis keleivių būtų labai toli nuo lango arba durų. Saugos įstatymai reikalauja, kad visus evakuoti privaloma greičiau kaip per 90 sekundžių pro pusę turimų išėjimų. Skraidančiame sparne tai būtų sudėtinga. Be to, orlaivių dizainas vystėsi kartu su oro uostų infrastruktūra. Dabartiniai išvykimo vartai, bagažo ir orlaivių priežiūros sistemos tokiai naujovei ne itin pritaikytos. O žvelgiant iš patogumo perspektyvos, tokiam lėktuvui sukant pakrypus, kraštuose sėdintys keleiviai pasijustų atrakcionų parko, o ne komercinės aviacijos klientais.
Nusileiskime ant žemės
Nepaisant tokių apribojimų, dvi orlaivių ateitį kuriančios grupės sugalvojo projektus, kurie galėtų tenkinti praktinius sektoriaus poreikius, o kuro vartojimą sumažinti perpus. Šie tyrėjai, dirbantys Masačusetso technologijos institute (MTI) ir Imperijos koledže Londone, projektuodami dažnai iš esmės pasikliauja turimomis technologijomis.
Jei B737-800 forma būtų pakeista į vieno iš D serijos orlaivių, kuriuos Markas Drela bando MTI aerodinaminiame vamzdyje, tuomet jo dydis iš esmės liktų toks pat, jis galėtų skristi tais pačiais maršrutais ir jame tilptų panašus keleivių skaičius. Tačiau D8.1 versija (kurią būtų galima gaminti įprastai, iš aliuminio) naudotų 49 proc. mažiau kuro. D8.5 versija (panaši, bet konstruojama iš kompozitinių medžiagų, kurias tikimasi turėti jau 2035 metais) kuro degintų 71 proc. mažiau.
M. Drela kuriami D serijos orlaiviai nuo dabartinių skiriasi ne vienu aspektu. Vietoj vieno cilindrinio fiuzeliažo naudojami du sujungti puscilindriai (nuotraukoje). Tai duoda papildomos keliamosios jėgos. Orlaivio nosis nusklembta aukštyn, o tai suteikia dar keliamosios jėgos. Taigi sparnai gali būti plonesni sutaupant svorio. Trys varikliai sumontuoti gale, lygiai su fiuzeliažu. „Varikliai tokioje vietoje suteikia nemažai pranašumų, – sako M. Drela, – o svarbiausias – uodega gali būti mažesnė.“ Viena priežasčių, kodėl oro lainerio tokia aukšta vertikali uodega, kad pilotas krypties vairu galėtų kompensuoti nukrypimą nuo kurso, sugedus prie sparno montuojamam varikliui. Variklius sumontavus gale (tokį projektą XX a. šeštajame dešimtmetyje išpopuliarino „Sud Aviation“ orlaivis „Caravelle“, bet vėliau didiesiems orlaiviams gaminti toks variantas nebebuvo naudojamas), nuo kurso nukrypstama mažiau, taigi nebereikia ir didelės uodegos. D serijos dviguba uodega iš viso 70 proc. lengvesnė už viengubą 737 uodegą.
Be to, fiuzeliažo galas suformuojamas taip, kad oras būtų nukreipiamas į variklius, panaudojant ribinio sluoksnio įsiurbimu (angl. boundary-layer ingestion) vadinamą procesą. Dėl trinties pasipriešinimo oras prie pat fiuzeliažo paviršiaus juda lėčiau nei kitur. Įsiurbdamas tokį lėtesnį orą variklis gali efektyviau deginti kurą duodamas tą pačią varomąją jėgą. Tačiau naudojant ribinio sluoksnio įsiurbimą į variklį patenka kintamas oro srautas. Kuo toliau oras nuo fiuzeliažo, tuo greičiau jis juda. Dėl to variklio komponentus gali veikti nepageidautini įtempiai.
MTI projekte dalyvaujanti orlaivių variklių gamintoja „Pratt & Whitney“ šią problemą mėgina išspręsti perprojektuodama ir stiprindama reaktyvinio variklio komponentus. Kitas būdas – skristi lėčiau ir taip apskritai mažiau apkrauti komponentus. Tuomet D8.1 skristų 0,72 macho greičiu (septynios dešimtosios garso greičio), o D8.5 greitis būtų 0,74 macho, palyginti su apytikriai 0,79 macho pasiekiančiu B737-800. Tačiau, pasak M. Drelos, tai kompensuotų platesnis D serijos fiuzeliažas. Jame galima suplanuoti dar vieną praėjimą tarp eilių, taigi įlipti ir išlipti būtų galima greičiau nei naudojant B737 su vienu praėjimu. O trumpesniais atstumais D serijos lėktuvai vis tiek nuo vartų iki vartų nuskristų greičiau nei 737.
Nykstanti uodega
Imperijos koledže Varnavasas Serghidesas sukūrė kelis lengvesnių lėktuvų projektus su mažesniu pasipriešinimu, taigi jiems pakanka mažesnių variklių, deginančių mažiau kuro. Vienas projektų turi porą reaktyvinių variklių, montuojamų arčiau galo, bet virš sparnų. Šis orlaivis apskritai uodegoje neturi kilio ir stabilizatorių.
Kadaise orlaiviu be kilio ir stabilizatorių būtų buvę sudėtinga skristi. Tačiau viskas pasikeitė. Mechanines sistemas pakeitė elektrinės skrydžio valdymo sistemos (angl. fly-by-wire), kurių kompiuteriai saugiausiai ir efektyviausiai interpretuoja piloto komandas. Jeigu pilotams tektų pasikliauti vien mechaniniu valdymu, nūnai būtų neįmanoma skraidyti daugeliu karinių reaktyvinių lėktuvų. Taigi, kaip aiškina V. Serghidesas, horizontaliojo stabilizatoriaus ir vertikaliojo kilio atsisakymas – ne itin radikalus žingsnis. Kompiuterinės orlaivio valdymo sistemos signalus gali suderinti taip, kad eleronai, užsparniai ir kiti ant sparno esantys valdymo paviršiai suveiktų vienu metu, ir poveikis būtų kaip panaudojus uodegos krypties ir aukščio vairus. V. Serghidesas skraidino savo prototipą imitatoriuje ir sako, kad valdyti sekasi gerai.
Taip pat labai svarbu pagerinti oro judėjimą virš sparnų. Laminarusis (kitaip tariant, vienalytis) tekėjimas už turbulentinį geriau, nes dėl sūkurių atsiranda pasipriešinimas. Virš aerodinamine prasme tobulo sparno laminarusis srautas judėtų nuo priekinio krašto iki pat galo. Tačiau sparnai nėra tobuli, ir tam tikrame taške atsiranda oro sūkurių. Dėl to apie pusė kuro sudeginama norint išlaikyti lygią trajektoriją, nes tenka įveikti ribinio turbulentinio sluoksnio sukeltą pasipriešinimą.
Norint suprasti, kodėl laminarusis tekėjimas virsta turbulentiniu, reikia galingų sistemų matematiniams skaičiavimams. Tačiau jeigu V. Serghideso kolegai Philipui Hallui ir jo komandai pavyks išsiaiškinti smulkmenas, jie turėtų sugebėti suprojektuoti sparnus, kurių forma išlaiko laminarųjį tekėjimą nuo priekio iki galo taip sumažindama kuro vartojimą.
Kitas inžinierius iš Imperijos koledžo, Dominicas von Terzi, siūlo tuo neapsiriboti. Užuot paprasčiausiai keitęs sparnų formą, jis svajoja padaryti juos aktyvesnius. Būtų galima naudoti formą keičiančius paviršius arba sistemą iš angų ir plyšių, kuriuos prireikus galima atverti ir užverti sukuriant įsiurbimą, leidžiantį išlaikyti laminarųjį tekėjimą. Be to, kartais pilotui gali prireikti priešingo efekto, pavyzdžiui, lėtėjant, taigi jis sukurtų turbulentinį tekėjimą. Galbūt tuomet orlaiviai apskritai galėtų apsieiti be užsparnių, ir pavyktų sutaupyti dar daugiau svorio.
Orlaivių gamybos sektorius itin reguliuojamas, ir niekas nėra linkęs rizikuoti, taigi tokius pokyčius įvesti bus nepaprastai sunku, tačiau dėl didesnio efektyvumo verta pakovoti. Skraidantys sparnai gal ir neprigis, tačiau gali būti, kad lėktuvai be uodegų, užsparnių ir gondolų artimiausiame oro uoste kada nors nusileis.
