Создание новых большегрузных транспортных коридоров в России с выходом на Арктику и комплексное развитие воздушно-наземных систем по освоению шельфовых регионов являются ключевыми современными проектами. В статье анализируются перспективные технологии разработки современных электро-гибридных аэротранспортных систем с использованием экранопланов и дискообразных дирижаблей (ДСА) с пленочными солнечными нанобатареями на основе проекта Термоплан МАИ для обеспечения транспортно-монтажных операций нефте-газового сектора и крупнотоннажных безаэродромных перевозок.
Национальные и отраслевые целевые нефте-газовые программы прорывного развития экономики России были и всегда будут во взаимосвязи с реальными инновационными научными достижениями, технологическим уровнем оснащения промышленного производства и эксплуатационными возможностями наземных и воздушных транспортных систем. И это особенно актуально для суровых и богатейших недрами Северных регионов России и Арктических шельфовых зон. Безусловно создание новых большегрузных транспортных коридоров в России с выходом на Арктику и комплексное развитие воздушно-наземных систем по освоению шельфовых регионов являются ключевыми «сверхважными» современными проектами.
Необходимо анализировать возможности использования новых аэротранспортных гибридно-электрических систем, как уникальной и безаэродромной основы транспортных коридоров России, с внедрением перспективных технологий по разработке современных электро-гибридных воздушно-транспортных систем с использованием экранопланов и дискообразных дирижаблей (ДСА) с пленочными солнечными нанобатареями, учитывая успешные результаты экспериментального диск-дирижабля на основе проекта Термоплан МАИ и/или нового проекта эллипс-дирижабля Атлант фирмы Авгурь.
Подобные аэростатические летательные аппараты (АЛА) типа Термоплан МАИ могут решить сразу несколько наиболее актуальных проблем
– всепогодное круглосуточное обеспечение транспортно-монтажных операций нефте-газового сектора в районах шельфовых зон и Арктики,
- крупнотоннажные безаэродромные перевозки вне зависимости от наземной ж/д и дорожной инфраструктуры,
- обеспечение безопасности и сопровождение вахтовых буровых операций, геологической разведки шельфа и спасения в аварийных критических ситуациях.
Комплексный системный анализ развития Арктических воздушных маршрутов основан на преимуществах и опыте прошлого в создании дирижаблей и экранопланов, их развития и модернизации в мире. Использование гибридного дирижабля большой вместимости с аэростатической разгрузкой для транспортных операций, не требующих обязательного аэродромного базирования, является сегодня наиболее актуальным и приоритетным направлением научно-технических разработок. В отличие от тяжелых транспортных самолетов для аэростатических летательных аппаратов (АЛА) весовые ограничения по максимально предельной размерности не являются ограничивающими, так как физический закон "куб-куб" является положительно улучшающим принципом.
Концепции дирижаблей для новых транспортных проектов
Несколько лет назад в Московском Авиационном Институте (МАИ) проводились комплексные научно-технические исследования совместно с ЦАГИ, ЦИАМ, АВИАСТАР СП, РСПП и РИТЭК и другими ведущими Международными и российскими научными центрами, и были разработаны и запатентованы в России и Швейцарии несколько новых вариантов проектов АЛА Термоплан МАИ в виде инновационно выгодной сфероидной (симметричной дискообразной «линзовой» 3D геометрии) с двумя газовыми полостями – для гелия и для перегретого воздуха с отбором выхлопных газов от двигателей. Необходимо выделить основные преимущества этого нового дирижабля-концепта и демонстратора для наземных и летных испытаний в качестве малого среднего варианта ЛТА-Термоплана АЛА-40 (40 метров в диаметре) [1, 2, 3]:
- сфероидная симметричная геометрия (в плане – диск, в профиль – чечевица), как перспективная аэродинамическая форма исключает постоянную регулировку-ориентировку в направлении бокового ветра, что является неизбежным недостатком для постоянного «флюгирования по ветру» несимметричных сигарообразных форм дирижаблей;
- 3D форма диска симметричной геометрии позволяет добиться наиболее облегченной конструкции за счет равномерного распределения нагрузок в конструкции и на куполах, что видно из диаграмм поверхностной тензометрии на Рисунке 1, и форма диска создается без лишних конструктивных распорок применением силового композитного тора с заданными деформациями по методу предварительного напряжения (принцип равномерного натяжения спиц к обжатому ободу велосипедного колеса);
Рисунок 1. Анализ тензометрии визуальных напряжений несимметричной и дисковой геометрии
- использование в АЛА двухобъемной газовой комоновки, один объем которой предназначен для заправки гелием (или водородом с негорючей добавкой), а второй объем-перегретым воздухом с отбором и утилизацией отработавших газов из основных маршевых газотурбинных двигателей (ГТД), что позволяет создать выгодную сбалансированную схему АЛА, не требующую дополнительного балласта и обслуживания заправочных станций в месте разгрузки полезного груза или контейнеров, как показано на Рис. 2 [4].;
- размещение по всей верхней поверхности покрытия пленочных солнечных нано батарей (ПСНБ) позволяет использовать и питать установленные по контуру поворотные электрические двигатели (как многоточечные турбины у дронов для аэростатических проектов) и их гироскопических систем (как при динамическом управлении дронами) при горизонтальной балансировке и для противодействия вертикальным порывам ветра, а также для создания дополнительной горизонтальной тяги при необходимости, как и от маршевых двигателей АЛА.
Рисунок 2. Созданный дирижабль - проект АЛА Термоплан МАИ
Прорывные возможности электро-гибридных дискообразных Арктических дирижаблей
Проект дискообразного Термоплана МАИ стал основным инициативным и прорывным технологическим проектом, отражающим развитие нового типа АЛА в России для ускоренного экономического развития и повышения эффективности воздушных Северных перевозок на больших «бездорожных» территориях Сибири, Дальнего Востока и Арктики, удаленных от ж/д путей и дорожных магистралей из-за суровых климатических минусовых и снежных негативных факторов, ограничивающих возможности развития любых наземных и речных транспортных и энерго-сетевых систем.
Определнные надежны были связаны с появлением инициативной Банковской группы в 2000-е годы по новому проекту АЛА Локомоскай, как аналог АЛА Термоплан МАИ, в котором измененная верхняя поверхность купола была выполнена более выпуклой, чем нижняя, что дало увеличение подъемной силы при больших скоростях полета. А в 2010-е годы появился новый проект Аэростатического Термобалластного ЛА (АТЛА) Атлант компании Авгуръ, выполненный в форме продольно эллиптической геометрии, который включен в финансирование Фондом Сколково и в долгосрочную Российскую Национальную программу "Развитие новых транспортных коридоров для прорывного освоения Сибири, Дальнего Востока и Севера России" (начальная фаза программы была выполнена в 2016-2018 под контролем А. Дворковича). Но, к сожалению, следует отметить, что при эллиптической форме дирижабля весовая эффективность снижается на 15-25% за счет увеличения нагрузок на продольную ось, а это существенные экономические потери.
Дискообразный АЛА Термоплан MAИ может использоваться в качестве высотной мониторингово-передающей платформы по трансполярным маршрутам дальне магистральных самолетов (ДМС), выполненных по интегральной компоновке с несущим фюзеляжем (Body-Plane), обеспечивающей экранный эффект прироста подъемной силы, как для экранопланов с полетом вблизи заснеженной или водной поверхности. При этом возможно использование дисковых АЛА для размещения радио-и оптических телескопов в безоблачной и чистой стратосфере, а также для ретрансляции мобильной широкополосной связи 4G/5G, что дешевле, чем использование космических спутниковых систем.
Запланировано создание на базе современного МАИ (Научного исследовательского университета) нового Межотраслевого Центра Воздухоплавательных Систем с поддержкой ведущих структур Ростеха и по реализации транспортной Программы «Связанных территорий России» по инициативе Ректора МАИ Погосяна М.А. Следует отметить, что небольшая фирма Aerosmena, взявшая за основу проект АЛА Термоплан МАИI, также нацелена на создание малых дисковых летательных аппаратов (МДЛА) и создание высоко рентабельных небесных систем, чтобы повысить эффективность Sky Start многоразовых аэрокосмических запусков и посадок с использованием новых высокопрочных армированных многоточечных связанных графен-сетчатых систем.
Проект дискообразного Термоплана МАИ стал инновационным импульсом в разработках новых типов АЛА, как в России, так и во Франции (проект одноместного диск-дирижабля Shanendoa), Германии (проект CargoLifter), Австралии (Disc Airship), Великобритании (AirlanderXX) и США(RosAeroship) для создания и повышения эффективности крупнотоннажных воздушных перевозок, как показано на рисунке 3 [ 5].
Различные концепции АЛА Термоплан МАИ, как новых инновационно-экологических транспортных проектов и использование быстрого 3D-моделирования для синтеза проектов и прототипирования, как показано на Рисунке 4, ориентированы на основную систему автомаизированного проектирования (CAD, CATIA5) и конструкторскую разработку (PLM) нового типа АЛА для России, для ее ускоренного экономического развития и повышения эффективности ведущих нефте-газовых концернов и комплексов.
Рисунок 3. Анализ различных геометрических типов дирижаблей
Кроме транспортных задач дискообразный дирижабль-Термоплан МАИ может быть использован для создания высотной системы и сети низкозатратной солнечно-ветровой энергетики (НСВЭ) для буровых платформ на шельфе Арктики, а также для сети интернет-раздачи и глобальной мобильной связи в дополнение (или вместо) к сети орбитальных спутниковых систем.
Рисунок 4. Аэродинамические прототип- модели для экспериментальных исследований в МАИ
Концепции большого Арктического самолета экраноплана с несущим фюзеляжем
Для освоения территорий Севера России и Арктики интересен еще один новый проект большого магистрального самолета по направлению новых экологических технологий с экранным эффектом и с коротким взлетом-посадкой. Это самолет с V-образным несущим фюзеляжем-крылом Дельфтского университета (Голландия), по расчетам дающий более высокий уровень аэродинамической эффективности в полете и комфортом внутри объемного пассажирского салона по программе EC Ecology Projection 2025-2030, который показан на Рисунке 5 [ 6 ].
Возможности такого самолета, как экраноплана, позволяют использовать такой проект для короткого и укороченного взлета и посадки (STOL) на снежных с малыми длинами взлетно-посадочных полос аэродромах Арктики с шасси на воздушной подушке (ШВП), по которым В МАИ был выполнен комплекс НИОКР совместно с ОКБ г.Пренае.
Рисунок 5. Новая концепция летательного аппарата Delft University FLYING-V Body Wing и базового проекта МАИ, как прототипа современных разработок AIRBUS и DLR
На основе САПР МАИ осуществлен анализ оптимальной конструкции современного самолета и он проводится на основе комплексных данных по различным самолетам. Проводилось комплексное определение оптимальной компоновки, ограничивающей пространство и уровень взлетной массы большого самолета [7], с декомпозицией по характерным признакам и определением критического фактора для инновационного проекта дальне магистрального самолета (ДМС).
С точки зрения трехмерной объемно-весовой конфигурации, оптимальным решением будет самолет, для которого внешний контур был получен в результате позиционирования отдельных агрегатов с учетом критичности компоновки, как относительно трех осей координат и в трех плоскостях, так и для любого произвольного радиус-вектора, начиная от динамического центра масс самолета и оптимального площадного положения гибридных двигателей для проекций Е-самолета по аналогии с новыми Boeing концепциями Body-Plane Concepts (BPC), которые отражены в новых исследованиях и разработках по программам ЕС FUTPRINT50 и IMOTHEP [ 9, 10, 11, 12 ].
В новых интегральных концепциях самолета корпус-крыло выступает в качестве акцента на характерную особенность компоновки и " жесткие " размерные ограничения что обеспечивает возможность осуществления пространственного сопряжения многих узлов в первой итерации, а также позволяет строить компоновку из некоторого виртуального центра масс. Удобно было выбрать начало координат, как соответствующей точки системы координат, совпадающей с реальным центром масс большого самолета. Поэтому задача компоновки сводилась к размещению и взаимному соединению агрегатов, узлов и комплектующих в пространстве компоновки за счет инфраструктурных ограничений из условия приведения реального центра масс (РЦМ) к виртуальному центру масс (ВЦМ) и обеспечения характерных особенностей конструкции интегрального самолета МАИ, как показано на Рисунке 6, удовлетворяющих, как инфраструктурным требованиям, так и другим, например, динамическим и массо-аэродинамическим показателям [8].
Трехмерное изображение компоновки внутреннего объема воздушного пространства для ДМС, полученное по результатам структурно-параметрического анализа конфигураций аэропортовых комплексов цифровым методом проектирования стоянок воздушных судов и с учетом ограничений высоты воздушного судна от условия возможности 3Д слотов до рукавов на стоянке (23 м). В этом случае учитываются вопросы размещения антенн и оборудования в верхней части. Второй уровень показывает условно допустимый диапазон размещения пассажирских палуб ДМС. Их компоновка определяется габаритной высотой (3,8 м), длиной (20-25 м, а в перспективе – 40-50 м) и предельными углами отклонения в вертикальной плоскости (10%) концевых пазов посадочных рукавов.
Проведен сравнительный анализ выбора компоновки большого самолета, как основной схемы летающего крыла-экраноплана и нормальной схемы, данные приведены в Таблице 1.
Рисунок 6. Влияние инфраструктурных ограничений на геометрическую форму ДМС
Таблица 1. Анализ схемы компоновки самолета летающего крыла и стандартной формы
Пассажирский отсек ДМС (по первой итерации) был принят за базовый. Вторая цифровая итерация-это крыло и фюзеляж. Третья итерация-крыло, фюзеляж и хвостовое оперение. И четвертая цифровая итерация - это вся композиция авиационной системы, которой соответствует полная омываемая поверхность (с учетом мотогондол).. Удельный объем на одного пассажира (в среднем по всем кабинам) составил 2,485 м3, что в 1,17 раза хуже, чем для базового самолета (в аэродинамической нормальной схеме), но в 1,30 раза лучше, чем для самолета с несущим фюзеляжем-крылом, и на 2-2, 5% лучше, чем для самолета схемы Триплан и в форме сочлененного крыла.
Разработанная методика автоматизированной цифровой внешней компоновки самолета из компоновки внутреннего пространства позволила получить компоновку самолета, отвечающую всем инфраструктурным требованиям, со взлетной массой на 30-40 тонн меньше, чем у опытных образцов.
Заключение
Реализация новых научных технологий и исследований для нефте-газовой отрасли России в ближайшее время возможна за счет достаточного финансирования и внедрения в производство новых экологических проектов семейства крупных ЛА с возможным увеличением объемов полезной нагрузки до 50-100-200 тонн, и может быть обеспечено за счет использования разработок электро-гибридных диск-дирижаблей и самолетов с несущим фюзеляжем-экранопланов, как инновационных тенденций для прорывного развития новых транспортных систем.
Комплексное развитие авиатранспортных услуг для ТЭКа России на более высоком уровне рентабельности и расширения производственных мощностей предприятий и смежников с новыми рабочими местами будет осуществляться на основе использования искусственного интеллекта и аддитивных технологий, новых композиционных материалов и активных структур, электро-энергетических установок с эффектом высоко-температурной сверхпроводимости и адаптивного управления робототехническими системами в ближайшие 10-15 лет станут архи важными для огромной территории России.
При этом обеспечиваются регулярные круглосуточные всесезонные авиатранспортные перевозки на крупнотоннажных электро-гибридных дисковых АЛА с солнечными энергосистемами и короткий взлет-посадка тяжелых самолетов-экранопланов с шасси на воздушной подушке в труднодоступных местах Севера России и Арктики,
- достигаются выгодные условия по весовой эффективности и транспортной отдаче от применения дисковых АЛА и экранопланов с большей грузоподъемностью по принципу «от завода до буровой" при независимости от направления полета и зависания над буровой платформой от воздействия "розы" ветров,
- снижаются затраты-расходы и требуемое время на экспресс авиа-доставку оборудования и продукции, осуществление ремонто-восстановительных работ по замене аварийных участков нефте-газовых трубопроводов, или аварийно-спасательных работ при пожарах или наводнениях при низкой себестоимости эксплуатации на больших территориях и с лучшим экологическим уровнем по токсичности и уровню шума,
- повышаются возможности осуществления более длительных и увеличенных по дальности полетов АЛА без посадки (для более электрического ЛА с большой площадью солнечных пленочных батарей для восполнения энергии) с расширенным периодом жизненного цикла при безопасной эксплуатации и более простом и надежном послепродажном обслуживании.
Литература:
.[1] Поняев Л. П. 2018 Периодическая геометрия принципов инженерного проектирования с использованием оптимального сферического преобразования дискообразных АЛА / Scientific Technologies, S&P Journal PSSN 223-2966 с. 5
[2] Куприков М. Ю., Долгов О С и Куприков Н.М. 2012 Особенности выбора моментно-инерционного облика перспективных летательных аппаратов на ранних стадиях проектирования / Вестник Московского авиационного института # 2 (17) с. 1
[3] Куприков М. Ю. 2014 Структурно-параметрический синтез геометрической формы летательного аппарата в условиях жестких ограничений / Москва: Московский авиационный институт, 64 с.
[4] Ponyaev L 1996-97 JANE’s Catalog: Thermoplane Russia ALA-40/ ALA-600 / Brassey's World Aircraft & System Directory 97, 545 p
[5] Поняев Л. П. 2018 Научные технологии / S&P Journal PSSN 223-2966: Москва, Россия, Естественные и технические науки № 9 с. 60
[6] Delft University 2019 FLYING-V Body Wing Aircraft - новый экологический проект / Яндекс Новости [5 июня 2019]
[7] Аведян А., Куприков М. и Маркин Л. 2012 Макет самолета (Москва: МАИ пресс) 294 с.
[8] Куприков М. и Патраков А. 2012 Использование систем CAD / CAE при определении внешнего вида летательных аппаратов. IX Международный симпозиум Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред (Москва: МАИ) с. 58
[9] FUTPTINT 2020 Future propulsion systems: towards a hybrid/electric aircraft, EC GA #875551, H2020-MG-2019- INEA
[10] IMOTHEP 2019 Future propulsion and integration: towards a hybrid/electric aircraft, EC GA #875006, H2020 MG-2019- INEA
[11] Corfield G 2020 Airbus and Rolls-Royce hit eject on hybrid-electric airliner testbed after E-Fan X project fails to get off the ground test Internet Science View 27 April
[12] Ponyaev L, Kuprikov M and Kuprikov N 2020 New Arctic air transportation with Hybrid electrical disc shaped Airship and body plane Aircraft innovation/ International Conference Arctica 2020, St.-Peterburg, 8 p
