NASA и Boeing: крылья будущего для авиации

Будущие авиалайнеры могут существенно отличаться от современных, оснащаясь более длинными и тонкими крыльями. Такая конструкция обещает более плавный полет и экономию топлива, но сопряжена с определенными инженерными задачами.

Специалисты NASA и Boeing совместно работают над решением этих вызовов. Длинные и узкие крылья эффективно генерируют подъемную силу, снижая сопротивление воздуха, однако в полете они могут становиться излишне гибкими.

В рамках сотрудничества по программе Integrated Adaptive Wing Technology Maturation были проведены испытания в аэродинамической трубе модели крыла с высоким удлинением. Цель — добиться повышенной эффективности без сопутствующих проблем, которые могут возникнуть у таких конструкций.

«При высокой гибкости крыла возникают значительные колебания, — объясняет Дженнифер Пинкертон, аэрокосмический инженер NASA. — Нагрузки от порывов ветра и маневров могут вызывать большую амплитуду возбуждения по сравнению с крылом меньшего удлинения. Крылья с высоким удлинением более экономичны, и мы стремимся использовать это преимущество, одновременно контролируя аэроупругую реакцию».

Без должного инженерного подхода длинные и тонкие крылья могут подвергаться изгибу или опасному явлению, известному как флаттер, что приводит к вибрации и тряске самолета в условиях сильного ветра.

«Флаттер — это крайне опасное взаимодействие, — подчеркивает Пинкертон. — Когда поток воздуха над крылом взаимодействует со структурой самолета, и естественные частоты крыла возбуждаются, колебания усиливаются и могут расти экспоненциально, что потенциально ведет к катастрофическим последствиям. Часть наших испытаний направлена на выявление таких аэроупругих неустойчивостей, как флаттер, для концепций самолетов, чтобы в реальном полете их можно было безопасно избежать».

Для демонстрации и лучшего понимания этого явления исследователи NASA и Boeing стремились смягчить воздействие порывов ветра на самолет, уменьшить нагрузки на крылья при поворотах и маневрах, а также подавить флаттер.

Контроль этих факторов может существенно повлиять на летные характеристики самолета, топливную эффективность и комфорт пассажиров.

Полномасштабные испытания такого рода в контролируемых условиях невозможны, так как ни одна аэродинамическая труба не смогла бы вместить пассажирский лайнер.

Однако Транссубзвуковая аэродинамическая труба NASA Langley, которая уже более 60 лет участвует в разработке американских гражданских и военных самолетов, ракет-носителей и космических аппаратов, имеет испытательную секцию размером 16 на 16 футов, что достаточно для моделей большого масштаба.

Для создания уменьшенной копии самолета NASA и Boeing сотрудничали с компанией NextGen Aeronautics, которая разработала и изготовила сложную модель, представляющую самолет, разделенный пополам, с одним крылом длиной 13 футов. Модель, закрепленная на стене аэродинамической трубы, была оснащена 10 подвижными управляющими поверхностями вдоль задней кромки крыла. Исследователи регулировали эти поверхности для контроля воздушного потока и снижения сил, вызывающих вибрацию крыла.

Датчики, установленные внутри модели, измеряли действующие на нее силы и реакцию самолета.

Модель крыла демонстрирует значительный шаг вперед по сравнению с меньшей моделью, разработанной в рамках предыдущего сотрудничества NASA и Boeing — программы Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR). «Модель SUGAR имела две активные управляющие поверхности, — отмечает Патрик С. Хини, главный исследователь NASA по проекту Integrated Adaptive Wing Technology Maturation. — Теперь у нас десять. Мы увеличиваем сложность и расширяем цели управления».

Первый этап испытаний, проведенный в 2024 году, позволил получить базовые данные, которые затем сравнивались с результатами вычислительных симуляций NASA, что способствовало уточнению моделей.

Второй этап испытаний в 2025 году предусматривал использование дополнительных управляющих поверхностей в новых конфигурациях. Наиболее заметные преимущества новых возможностей проявились при испытаниях по снижению нагрузок от порывов ветра — исследователи зафиксировали значительное уменьшение тряски крыла.

По завершении испытаний специалисты NASA и Boeing анализируют полученные данные и готовятся представить результаты авиационному сообществу. Авиакомпании и производители оборудования смогут изучить полученный опыт и применить его в разработке нового поколения самолетов.

«Предварительный анализ данных показывает, что разработанные NASA и Boeing контроллеры, использованные в ходе испытаний, продемонстрировали значительное улучшение характеристик, — сообщил Хини. — Мы с нетерпением ждем дальнейшего анализа данных и будем делиться результатами в ближайшие месяцы».

Проект NASA Advanced Air Transport Technology занимается совершенствованием конструкций и технологий воздушных судов в рамках программы Advanced Air Vehicles, в рамках которой изучаются, оцениваются и разрабатываются технологии и возможности для новых авиационных систем. Этот проект и программа относятся к Директорату миссии аэронавтики NASA.