Согласно распространённой точке зрения использование композитов в гражданской авиации позволяет облегчить конструкцию самолёта и, следовательно, при прочих равных приводит к а) уменьшению расхода топлива (за счёт уменьшения средней массы самолёта в полёте) и б) увеличению дальности (за счёт бОльшего количества доступного топлива). Так это на самом деле или нет мы попробуем разобрать в данной заметке и сделаем это на примере первого массового практически полностью композитного самолёта - Боинг 787.
Boeing 787 Dreamliner - с технической точки зрения один из лучших современных дальнемагистральных широкофюзеляжных самолётов. В 787-м революционным было без малого всё! Конечно, в первую очередь это касается крыла и фюзеляжа, которые были сделаны в основном из композита.
И если в отношении крыла вопросов не возникает, то целесообразность "пластмассового" фюзеляжа вызывает небеспочвенные сомнения. Вот про пластмассовый фюзеляж, и насколько он себя оправдал, и поговорим.
Во-первых, спустя 12 лет после начала коммерческой эксплуатации можно отметить, что 787, несмотря не всю свою инновационность, глубоко убыточный проект, который всё ещё не отбил затраты на НИОКР, составившие, по разным оценкам, от 16 до 31 миллиарда долларов. Вот что по этому поводу в 2011 году, со ссылкой на The Times, писала газета Seattle Times:
Основываясь на опубликованных финансовых результатах Boeing, The Times оценивает, что затраты на разработку выросли как минимум до 15 миллиардов долларов.
Сам Boeing не отчитывается о затратах на разработку конкретных программ самолетов и отказался комментировать эту часть оценки The Times.
Помимо этих 15 миллиардов долларов, компания потратила еще 16 миллиардов долларов на постройку примерно 40 самолетов, которые были развернуты или частично завершены к 30 июня (2011 г.), согласно её последнему отчету. (Эта цифра не включает первые три самолета, которые компания Boeing списала как непродаваемые.)
Еще как минимум 1 миллиард долларов было потрачено на выкуп партнеров в Чарльстоне.
Единственный способ вылезти из этой денежной ямы — быстро снизить стоимость строительства самолетов.
https://www.seattletimes.com/business/boeing-celebrates-787-delivery-as-programs-costs-top-32-billion/
Упомянутый миллиард на покупку компании в Чарльстоне был как раз связан с производством композитных фюзеляжей. Очевидно, это была не единственная статья расходов, связанная с фюзеляжем.
С одной стороны прочный пластмассовый фюзеляж позволил получить совершенно новое качество комфорта пассажиров. По материалам CNN, в статье от 28 октября 2021 года:
Композитные фюзеляжи не ржавеют и фактически не стареют от циклических изменений давления. Таким образом, вместо крайне низких 3-5% влажности в салоне обычного самолета, в Dreamliner уровень влажности воздуха составляет около 25%. Кроме того, в салоне поддерживается давление, соответствующее высоте 1800 метров по сравнению с 2400 м на классических авиалайнерах. Это не просто цифры, всё это снижает общую усталость пассажиров, уменьшает обезвоживание и нехватку кислорода, что особенно важно на длительных рейсах.
https://www.cnn.com/travel/article/boeing-787-dreamliner-10th-anniversary/index.html
Кроме более комфортного микроклимата композит позволил увеличить размеры иллюминаторов до рекордных показателей в отрасли.
Надо отметить, что само по себе использование углепластика в гражданских самолётах не было чем-то совершенно новым. Композит уже активно применялся. Например, всё хвостовое оперение предшественника 787-го, Боинг 777, композитное. Также, у 777-го композитный пол-перекрытие в салоне.
Видимо, вдохновившись результатами крайне удачного 777-го, инженеры Боинга решили пойти ва-банк и сделать фюзеляж практически полностью композитным.
Фюзеляж 787-го наматывается целиком из нитей на специальном оборудовании.
Здесь можно посмотреть на процесс производства 787-го (на английском).
С другой стороны за всё время эксплуатации с 787-ми регулярно возникают различные технические проблемы. В том числе непосредственно связанные с революционным фюзеляжем. В той же статье:
Поставки Боинг 787 были в существенной степени приостановлены в прошлом году из-за обнаруженных дефектов, включающих микроскопические допуски крепежных элементов, соединяющих секции корпуса фюзеляжа, а также проблем с электрическими системами и ветровыми стеклами. В результате около 100 уже построенных самолетов 787 подлежат доработке. Компания недосчиталась миллиарды долларов, и некогда прибыльная, в расчёте на единицу продукции, программа снова превратилась в убыточную. В случае задержки заказы на эти недоставленные планеры могут быть отменены заказчиками, которые также могут потребовать значительную компенсацию.
https://www.cnn.com/travel/article/boeing-787-dreamliner-10th-anniversary/index.html
В 2021 году проблемы с фюзеляжем не закончились. Новость от 24 февраля 2023 года:
Boeing прекратил поставки самолетов 787 Dreamliner после того, как недавно обнаружилась еще одна проблема, связанная с фюзеляжем. Компания называет это «ошибкой анализа», но уверена, что это не представляет непосредственной угрозы для действующего парка самолетов. Ранее компания Boeing приостановила поставки самолетов 787 более чем на год из-за производственных недостатков; текущие события привели к падению акций компании почти на 3%.
Источник
Агентство Блумберг (Bloomberg) вторит:
Boeing прекращает поставки Dreamliner после изучения деталей фюзеляжа
Источник
Из ещё более свежего - 6 июня 2023 г., снова Seattle Times:
Boeing обнаружил еще одну проблему с качеством 787, снова задерживая поставки
Источник
На этот раз дефекты были обнаружены в месте стыковки хвостового оперения и фюзеляжа.
Другими словами, улучшение потребительских качеств обошлось Боингу в кругленькую сумму. Стоило ли оно того - вопрос... Особенно учитывая достаточно мучительный процесс разработки и доводки "Лайнера мечты".
Почему вообще появился 787-й?
Считается, что главной причиной разработки 787-го стала растущая конкуренция с Airbus A330. И хотя это было одним из существенных факторов, всё же истинная причина совершенно нового проекта, на мой взгляд, стало закрытие проекта сверхзвукового Boeing Sonic Cruiser, который стал неактуален на фоне растущих цен на нефть. А волна накопленного технологического задела и инновационного энтузиазма, возникшая в процессе первоначальной работы над потенциальным конкурентом ещё летавшего в то время Конкорда, перетекла в новый проект - широкофюзеляжного дальнемагистрального самолёта средней весовой категории. Разработка 787-го заняла около 8 лет. При этом первоначально запланированные сроки неоднократно сдвигались из-за различных технических проблем.
Для сравнения - разработка с нуля Боинга 777 заняла около 5 лет. В сентябре 1990 года было составлено техзадание, в январе 1993 началась сборка первого самолёта, и 12 июня 1994 года состоялся первый полёт. Наконец, через год, 7 июня 1995 года состоялся первый коммерческий полёт. Вот такие темпы - менее пяти лет от проектного задания до коммерческой эксплуатации. Пример классической американской инженерной школы и легендарной американской деловой хватки. При этом отметим, что при разработке 777-го было также немало революционного - кроме упомянутых выше композитных элементов весь проект 777-го был выполнен в цифровом виде, впервые в мире! Потенциал, заложенный в проект 777-го, позволил разработать несколько модификаций, вплоть до 777-300ER, о чём я писал в другой статье.
С начала 1990-х 777-й прошёл путь от полуфабриката 777-200 (с взлётным весом 250 тонн) до гиганта 777-300ER (350+ тонн). Причём начало испытательных полётов и коммерческой эксплуатации 777-300ER (2003-2004) совпало с началом работ над 787-м. (29 января 2003 г. компания Boeing анонсировала новый проект - 7E7, будущий 787)
Который, по странному совпадению, находился в той же весовой категории, что и ранние 777-е - 250 тонн.
Отмотаем назад и посмотрим какой в то время (начало 2000-х) был контекст. В гражданском секторе Боинга линейка их трёх (точнее, трёх с половиной) моделей широкофюзеляжных дальнемагистральных самолётов:
1) Боинг 747, большой, тяжёлый, прилично устаревший по крылу и двигателям, но вполне ещё конкурентоспособный в своей нише (особо больших и особо дальних). Конкурентоспособный настолько, что как раз в это время Эрбас в противовес ему конструирует гигантский А380. Взлётная масса - под 400 тонн. Вместимость - до 500 человек и больше. Дальность - 13-14 тысяч километров. Мест в ряду (в основном салоне) - 10 (3-4-3)
2) Боинг 767. Был специально спроектирован как младший брат 747-го, для менее загруженных рейсов. Начало коммерческой эксплуатации - 1982 год. Наиболее популярная разновидность - 767-300ER. 186 тонн, 215 пассажиров в трёх классах, дальность 11 тыс. км. Мест в ряду - 7 (2-3-2).
3) Боинг-777. Самый новый (из трёх) на тот момент, занимающий промежуточное положение между 747 и 767.
4) "Половинка", и то, условно - MD-11, доставшийся в наследство от McDonnell Douglas. Та же ниша, что и у 777-200 (не ER!), но только с тремя движками. Если исключить фактор количества моторов, то в принципе сопоставим с 777-200. Меньше вместимость, но дальнобойнее. В любом случае, самолёт с тремя двигателями и устаревшим крылом, конкурирующий с другой машиной собственного производства, Боингу, очевидно, был не нужен. Полученный от МакДоннел-Дуглас портфель заказов был закрыт выпуском двух последних MD-11 в 2001 году.
И Боинг, и Airbus, в гражданском секторе, основные деньги делают на среднемагистральниках. Airbus со своим, очень оптимально спроектированным A320, в конце 1990-х-начале 2000-х явно вырывался вперёд. Fly-by-wire, комфортные размеры кресел и прохода, и многое другое - всё это были фишки нового самолёта. Боинг 737 даже после нескольких радикальных модификаций оставался самолётом середины 1960-х, с фюзеляжем вообще образца 1957 года. Тросиковая система управления, незакрывающиеся ниши основных шасси, с недостаточно длинными стойками, из-за чего мотогондолы получили экзотическую форму, приплюснутую снизу. Казалось бы, именно среднемагистральник - это идеальный кандидат на разработку новейшего самолёта. Но руководство Боинга, очевидно, посчитало иначе.
С 2011 года по октябрь 2023 (написание этой статьи) было выпущено почти 5000 737-х. Это с учётом провалов в 2019-2020. И ещё имеется 4300 заказов на 737 MAX, ждущих своей очереди. Сравните с 1087 экземплярами 787-го, пик производства которых был в 2015-2019 (до 150 самолётов в год), и падением до 31 единиц в 2022 году. (За неполный 2023 выпущено 51). При этом стоимость среднемагистральника в среднем примерно в 2 раза ниже, чем ШФ самолёта, то есть выручка от гипотетического композитного 737 была бы в 2,5 раза больше, чем от 787-го только для фактически выпущенных самолётов.
Если композитное крыло, повторюсь, вопросов не вызывает, так как это позволило получить существенно улучшенное аэродинамическое качество, то насколько оправданным был переход на композитный фюзеляж? В частности, привело ли это к снижению веса планера? Давайте разберёмся.
Сравним с Боингом 777. А именно, с его первой моделью - 777-200. Его максимальный взлётный вес 250 тонн, практически такой же как и у 787-9 и 787-10. При этом 777 с самого начала проектировался под взлётный вес 290-300 тонн. Под этот вес были заложены размах и площадь крыла и мощное трёхопорное шасси. Сравним вместимость 777-200 и 787.
Типичная компоновка пассажирских салонов разных моделей 787-го:
И 777-200:
Отметим характерные отличия компоновки 777 и 787.
Наружные размеры фюзеляжа 787-го - 5,77 (ширина) на 5,94 (метров) метров. Единственная раскладка кресел - 9 в ряд, 3-3-3. Ширина места - 17,2 дюйма (43,7 см).
Ширина кресел в 777 при рассадке 3-4-3 - 17 дюймов (43,2 см), Аж целых 5 мм разницы по сравнению с 787-м! (Кстати, в 777 в компоновке 3-4-3 ширина кресел точно такая же, что и у 737/757/727/707!).
При одноклассной компоновке вместимость 777-200 - 440 мест. Аналогичная вместимость - 440 мест - заявлена и для Boeing 787-10 (при длине фюзеляжа - 67,48 м). При этом схема рассадки не приводится, разумеется, "у джентльменов принято верить на слово". Есть только схема для 2-х классной компоновки, с 32 полноразмерными спальными местами первого класса длиной 85 дюймов (216 см), и 298 местами эконом-класса, с шагом 32 дюйма (81 см).
Если умозрительно заменить "спальники" на эконом, 16 рядов по центру и 14 рядов у окон, то получится 16*3+14*2*3 = 132 места. Что даёт в сумме 290+132=422 места. Не 440! Но не будем придираться - Боинг он как жираф, большой, и ему видней. 440 так 440.
Другими словами, просто примем как данность, что по вместимости 777-200 эквивалентен 787-10.
Снаряжённый вес 777-200 в зависимости от типа двигателей и модификации - от 133,3 тонн (обычный 777-200 с движками Rolls Royce) до 138 тонн (777-200ER со взлётным весом 287 тонн и двигателями от General Motors). Базовый операционный вес 777-200ER (MTOW 287 т) с двигателями Rolls-Royce - 135,6 тонн.
Сравним с 787-10 - его базовый вес 135,5 тонн, то есть практически такой же как и у 777-200 без всяких модификаций!
787-9
Теперь посмотрим на 787-9. Заявлены 406 мест в эконом-классе. Длина фюзеляжа - 62 м. На 5,48 метров меньше по сравнению с "десяткой" - это минус 6 или 7 рядов. И плюс 4 места за счёт одного туалета. Всего - минус 50 мест. Соответственно, предельная вместимость в одноклассной компоновке в принципе не может быть больше 440-50=390 мест. Каким образом у Боинга на картинке выше получилась цифра 406 и как предполагается разместить ещё 16 кресел - лучше обратиться прямо в Эверетт. Может, предполагается шаг кресел 70 см как в какой-нибудь галимой маршрутке?
Зайдём с другой стороны: насколько нужно укоротить 777-200, чтобы получить такую же компоновку как в стандартном 787-9 -
(28F+262Y) 28 мест первого класса (6 рядов по центру, 4 у окон) и 262 эконома. Или эквивалент 16 и 11 рядов эконом-класса. Всего - 114 кресел. В сумме - 376. Для 777-200 такой салон первого класса соответствует 128 местам в начале салона. То есть, если уменьшить 777-200 нв 5 рядов (~4 метра, или ~3,5 тонны), можно получить тот же расклад, что и у 787-9: 28F и 262Y.
787-8
Длина фюзеляжа 787-8 - 55,91 м, заявлена вместимость 359 мест в сплошном эконом-классе, если верить Airport Planning Manual. Эта модель на 11,57 метров короче, чем 787-10. Что даёт 14 рядов по 9 кресел - минус 126 мест. Плюс 8 кресел вместо 2 заминусованных туалетов. Итого - 322. Никак не 359!
Стандартная компоновка 787-8 - 24 спальных места и 218 эконом. 24 спальника - это эквивалент 11 обычных рядов, или 106 мест в 777. Фюзеляж укорачивается на (440-106-218=116) 11-12 рядов (~9 метров или ~8 тонн).
Нумерация самолётов по туалетам!
Теперь, после скучных цифр, переведём взгляд на туалеты - каждая кабинка со всем хозяйством (трубы, баки, соответствующий запас воды и прочего) весит несколько сот килограммов. Точной цифры мне найти не удалось, примем 500 кг, хотя скорее всего больше. (Если кто-то из читателей в курсе сколько весит типичная кабинка авиасортира вместе с причиндалами и сопутствующим запасом воды - поделитесь). В 787-10 и 777-200 - по 10 кабин. В 787-9 - 9, в 787-8 - 8 кабин.
(Кажется, я только что разгадал систему индексации разных моделей 787-х :) ).
Для укороченной версии 777-200, соответствующей по вместимости 787-9, получается следующий расклад - минус 5 рядов, примерно 3,5 тонны фюзеляжа и 1 туалет:
133.3 - 4 = 129.3. Сравните с реальным 787-9 - 128,9 т.
Наконец, "малыш" 787-8:
Минус 12 рядов от 777-200, или примерно 10 метров. Минус 2 туалета, в сумме примерно 10 тонн.
133,3 - 10 = 123,4. Реальный 787-8 - 120 тонн.
Это без учёта того, что 787-8, вообще-то, имеет максимальный взлётный вес 228 тонн (9 и 10 - 254 тонны), то есть резерв по облегчению конструкции центроплана имелся.
И это мы ещё не посчитали, что 777 изначально делался из расчёта 290-300 взлётных тонн и 70+ метров длины, что отразилось на:
1) основном шасси - 3 оси у 777 против 2 осей у 787
2) бОльшем металлическом крыле - 428 кв. метров дюраля против 377 квадратов композита в 787-го.
3) размерах хвостового оперения:
777/787
Высота вертикального оперения - 10,03 м/8.92 м
Размах горизонтального оперения - 21,53 м/19.81 м
Поэтому для гипотетической уменьшенной версии 777-го вполне логично было бы уменьшить размеры ВО и ГО до образца 787-го и, таким образом, уменьшить вес пустого ещё немного.
Точно оценить развесовку перечисленных элементов не представляется возможным, но можно предположить, что экономия составила бы как минимум пару тонн. Возможно, больше.
При таких вводных получаем, что старый добрый 777-200 с новым крылом и новым шасси был бы точно ЛЕГЧЕ, чем 787-10 и 787-9, и скорее всего, был бы на уровне с 787-8, и это всё без модного пластмассового фюзеляжа!
Получается, что композитный фюзеляж Боинг 787 - блажь и хипстерские заморочки. Использование унифицированного и проверенного алюминиевого баклажана от 777 вместе с новым композитным крылом, новым облегчённым шасси, уменьшенным хвостовым оперением и новым двигателем позволило бы получить сопоставимые весовые и лётные характеристики, не множить линейку широкофюзеляжников и сэкономить миллиарды.
Прикидывало ли руководство Боинг такой вариант? Уверен, что да. Почему был выбран вариант с инновационным и рискованным пластмассовым фюзеляжем вместо проверенного дюралевого - загадка великая есть. Мысли о "давайте сделаем смелый эксперимент за казённый кошт" я отметаю - кто сказал "распил" и "техническое лоббирование"?
Так что, получается - "Не всё то золото, что композит!". Реальная польза от композитов - это возможность получить аэродинамически более совершенное крыло. Польза же от композитов для фюзеляжа совсем неочевидна. Для МС-21 с его композитным крылом и традиционным алюминиевым фюзеляжем в этом смысле было принято оптимальное решение.
Спасибо, что дочитали до конца!
Лайки, комменты и подписка приветствуются.
Выскажите своё мнение в комментариях. Буду признателен!