Авиация Aerospatiale-BAC Concorde - Конструкция самолёта

Для «Конкорда» выбрана аэродинамическая схема «бесхвостка» с низкорасположенным треугольным крылом оживальной формы. Самолёт оптимизирован для выполнения длительного крейсерского полёта на сверхзвуковой скорости.

Основным конструкционным материалом стал алюминиевый сплав RR58. Кроме этого в конструкции самолёта использована сталь, титан, никелевые сплавы.

Планер

Фюзеляж «Конкорда» полумонококовой конструкции, в поперечном сечении напоминает неправильный овал с расширенной верхней частью. Материал изготовления фюзеляжа — жаропрочные алюминиевые сплавы. Длина фюзеляжа различалась для прототипов, предсерийных и серийных самолётов, и составляла 56,24, 58,84 и 61,66 метров, соответственно. Максимальная ширина фюзеляжа 2,90 м.

Фюзеляж состоит из передней секции с кабиной экипажа и остеклением, средней секции, выполненной вместе с центральной частью крыла, и хвостовой секции конической формы, конструктивно выполненной вместе с килем самолёта. Передняя и средняя секция фюзеляжа заняты герметичной кабиной, хвостовая секция фюзеляжа содержит багажное отделение, балансировочный топливный бак, а также отсек, занятый системой кондиционирования и кислородной системой.

В процессе выполнения полёта фюзеляж мог удлиняться примерно на 24 см, в связи с тепловым расширением конструкции.

В носовой части фюзеляжа расположен обтекатель в виде конуса, который мог отклоняться вниз, обеспечивая пилотам обзор на взлёте, посадке и рулении. В обтекатель встроено подвижное дополнительное остекление, прикрывавшее основное остекление кабины пилотов в режиме сверхзвукового полёта.

Положение обтекателя и дополнительного остекления регулировалось из кабины пилотов следующим образом:

• Обтекатель находится в верхнем положении, дополнительное остекление поднято. Основная полётная конфигурация, для полётов на скорости более 0,8 M.
• Обтекатель находится в верхнем положении, дополнительное остекление опущено. Эта конфигурация могла применяться для полёта на скорости не выше 0,8 M.
• Обтекатель опущен на 5 градусов, дополнительное остекление опущено. Эта конфигурация является основной для наземных операций, рулежки и взлёта.
• Обтекатель опущен на максимальный угол 12,5°, дополнительное остекление опущено. Эта конфигурация применялась для захода на посадку, поскольку большой угол атаки самолёта в посадочной конфигурации не давал возможность экипажу наблюдать ВПП при меньшем отклонении обтекателя.

Механизмы управления обтекателем и дополнительным остеклением гидравлические, с приводом от одной из основных и резервной гидросистем.

Крыло треугольное, оживальной формы, с непрерывно меняющимся по размаху крыла углом стреловидности. У корня крыла этот угол составляет 80 %, ближе к законцовкам около 60 %. Относительное удлинение крыла 1,85, относительная толщина профилей крыла от 3 % до 2,15 %. Крыло имеет ярко выраженную геометрическую крутку законцовок.

Конструкция крыла многолонжеронная, кессонная. Основной материал — жаростойкие алюминиевые сплавы. В конструкции крыла применены монолитные фрезерованные панели большой размерности. Толщина обшивки 1,5 мм.

Особенностью производства «Конкорда» стало то, что вместо изготовления отдельно фюзеляжа и отдельно крыла с центропланом, изготавливался набор поперечных секций, каждая из которых включала часть крыла и соответствующую ей часть фюзеляжа, после чего секции стыковывались вместе. Такой подход позволял облегчить конструкцию.

Механизация крыла состоит из 6 элевонов относительно большого размера, общая площадь элевонов 32 м². Другой механизации крыла не предусматривалось.

Самолёт имеет только вертикальное оперение, конструктивно аналогичное крылу. Руль направления двухсекционный, с независимым приводом верхней и нижней секции.

Силовая установка

Силовая установка состоит из четырёх ТРДФ Rolls-Royce/SNECMA Olympus 593, установленных попарно в подкрыльевых гондолах, расположенных примерно на полуразмахе консолей крыла. Двигатели расположены таким образом, что срез сопла двигателя совпадает с задней кромкой крыла.

Двигатель Olympus 593 — сильно модифицированная версия ТРД Bristol Siddeley Olympus 301, применявшегося на бомбардировщиках Avro Vulcan. Двигатель одноконтурный, двухвальный, каждая из двух секций компрессора имеет по 7 ступеней, турбины одноступенчатые. Степень сжатия компрессора 11,7:1. Из-за высокой степени сжатия на крейсерской скорости последние 4 ступени компрессора работали в очень жёстком температурном режиме, что привело к необходимости изготовления их из никелевого сплава, применявшегося ранее только для лопаток турбин. Двигатель использовал обычное авиационное топливо A1.

Новинкой для коммерческой авиации стала автоматическая электронная аналоговая система управления двигателями. Каждый двигатель имеет две идентичные системы управления, основную и резервную.

Особенностью двигателей «Конкорда», отличавшей их от других двигателей авиалайнеров, стало наличие форсажной камеры. Форсаж давал относительно небольшой прирост тяги, около 10 %, и использовался только на взлёте, а также для преодоления звукового барьера и разгона до 1,7 М. В крейсерском полёте форсаж двигателей не использовался, что благоприятным образом сказывалось на топливной экономичности «Конкорда» и дальности сверхзвукового полёта.

Схема работы воздухозаборников «Конкорда»

Воздухозаборники «Конкорда»

Для каждого двигателя имеется отдельный плоский воздухозаборник прямоугольного сечения с регулируемым горизонтальным клином. Воздухозаборник имеет систему слива пограничного слоя, и весьма сложную кинематику дополнительных створок. На крейсерcкой скорости 2,0 М поступающий в воздухозаборники воздух тормозился в системе создаваемых скачков уплотнения до скорости около 0,45 М, его давление при этом повышалось примерно в 7 раз. Таким образом, общая степень компрессии воздухозаборника и компрессора двигателя приблизительно 80:1. Механизация воздухозаборника гидравлическая, управление автоматическое, электронное, аналоговое.

Двигатели оборудованы регулируемыми соплами и системой реверсирования тяги ковшового типа, которая позволяла создавать обратную тягу около 40 % от номинальной. Створки системы реверса служат также вторичными регулируемыми инжекционными соплами двигателей. В задней части каждого пакета из двух двигателей установлены специальные вертикальные теплошумоотражатели. Эти отражатели оснащены отклоняемые внутрь законцовками, «сплющивавшими» с боков выхлопную струю двигателей на взлёте, что также служило целям шумоподавления. Кроме этого, в основном сопле каждого двигателя установлено по 8 лопатообразных шумоподавителей, которые вводились в реактивную струю при пролёте густозаселённых районов на дозвуковой скорости. Механизация регулируемого сопла, системы реверса и шумоподавления пневматическая, с электронным управлением.

Двигатели «Конкордов» имели следующие характеристики:

• Olympus 593 — первоначальный вариант, был установлен на прототипы № 001 и 002. Тяга в бесфорсажном режиме 89 кН, форсированная тяга 136 кН.
• Olympus 593-22R — более мощный вариант двигателя, сменивший предыдущий на предсерийных 01 и 02. Тяга в бесфорсажном режиме 154 кН, форсированная тяга 165 кН.
• Olympus 593—610-14-28 — устанавливался на серийные самолёты. Тяга в бесфорсажном режиме 142 кН, форсированная тяга 169 кН. Одно из основных отличий от предыдущих вариантов — камера сгорания с предварительным испарением топлива, что позволило повысить эффективность сгорания топлива и снизить дымность.

Двигатель номер 4 имел несколько отличающиеся от остальных двигателей режимы на малых скоростях. Это было вызвано тем, что вихревые потоки, генерируемые носком крыла в его корневой части, затягивались в воздухозаборник, имея при этом направление вращения, противоположное направлению вращения компрессора двигателя. Так как это явление вызывало повышенную вибрацию двигателя на малых скоростях движения самолёта, режим 4-го двигателя был ограничен 88 % N1 на скоростях ниже 60 узлов, ограничение устанавливалось бортинженером и автоматически отменялось при наборе скорости. На крайний левый двигатель вихревые потоки не оказывали заметного влияния, поскольку направление их вращения совпадало с направлением вращения компрессора.

Из соображений снижения полётного веса «Конкорд» не был оборудован вспомогательной силовой установкой. Это не создавало существенных проблем, поскольку эксплуатация самолёта происходила с хорошо оборудованных аэродромов, на которых всегда было доступно внешнее электрическое и воздушное снабжение.

Пуск двигателей пневматический, на земле двигатели запускались от наземного источника воздуха высокого давления, в полёте двигатели могли перезапускаться путём отбора ВВД от работающих двигателей.

Шасси

«Конкорд» в посадочной конфигурации. Хорошо видны все три стойки шасси, а также выдвижные посадочные фары. Светлые элементы в районе колёс основных стоек — водоотражатели, на передней стойке водоотражатель находится с задней стороны, и потому не виден

Шасси «Конкорда» трёхстоечное, с носовой опорой. В связи с тем, что на взлёте и на посадке самолёт выходил на весьма большие углы атаки, стойки шасси имеют необычно большую высоту, около 3,5 м. Это привело к тому, что двери «Конкорда» находились примерно на той же высоте, что и двери намного более крупного Boeing 747.

Основные стойки шасси имеют по две пары колёс, расположенных друг за другом, и убираются поворотом внутрь к фюзеляжу. Передняя стойка имеет два колеса и убирается поворотом вперёд. Передняя стойка снабжена гидравлическим механизмом разворота для управления самолётом на земле. К стойкам шасси крепятся композитные водоотражатели, служащие для предотвращения попадания воды, поднимаемой колёсами, в воздухозаборники двигателей. Механизмы уборки стоек шасси гидравлические, причём уборка шасси происходит от одной основной гидросистемы, а для выпуска может быть использована резервная.

Дополнительная хвостовая стойка шасси

Тормозная система самолёта дисковая, с гидравлическим приводом от двух независимых гидравлических систем. Система управления тормозами электронная, аналоговая, с антиблокировочной функцией, «Конкорд» стал первым в мире авиалайнером, имеющим подобную систему. Пакеты карбоновых тормозных дисков основных стоек шасси охлаждаются при помощи электровентиляторов, встроенных в ступицы колёс.

Колея основных стоек шасси 7,72 м, давление в пневматических шинах колёс передней стойки 1,23 МПа, а в основных 1,26 МПа.

Для предотвращения повреждения хвостовой части фюзеляжа при взлёте и посадке, на «Конкордах» установлена дополнительная наклонная хвостовая стойка шасси с двумя небольшими пневматиками. Стойка убирается в фюзеляжный отсек поворотом назад.

Основные системы

Топливная система «Конкорда» достаточно сложна, и помимо своей основной функции служит также для перебалансировки самолёта при переходе звукового барьера. Топливная система включает в себя 17 топливных баков общей ёмкостью 119280 литров, располагающихся в кессонах крыла и в нижней части фюзеляжа. Кроме основных баков, в топливную систему включён балансировочный бак, расположенный в одной из секций хвостовой части фюзеляжа, сразу за хвостовым багажным отделением. Кроме него, в качестве балансировочных используются 4 бака в корневой части крыла. Всего в балансировочных баках могло находиться 33 тонны топлива.

При достижении околозвуковой скорости, и перед дальнейшим разгоном, насосы топливной системы перемещали около 20 тонн топлива из передних балансировочных баков в хвостовой балансировочный бак. Это позволяло сместить центр тяжести самолёта приблизительно на 2 метра назад, что было необходимо для сверхзвукового полёта. После торможения до околозвуковой скорости производилась обратная операция. Кроме того, незначительное перемещение топлива в основных баках использовалось для общей продольной и поперечной балансировки самолёта, на всех полётных режимах. Основные помпы подачи топлива в двигатели имели механический привод, помпы перекачки топлива между балансировочными баками гидравлические, вспомогательные помпы основных баков и помпы сброса топлива электрические. Управлением топливной системой «Конкорда» занимался бортинженер, что являлось его основной задачей в течение всего полёта.

Топливная система самолёта использовалась также для отвода в поступающее в двигатели топливо излишков тепла от различных систем, таких как система кондиционирования, гидравлические системы и системы смазки двигателей. Самолёт оборудован системой сброса топлива в процессе полёта, с выходными патрубками в хвостовом обтекателе фюзеляжа.

«Конкорд» оборудован тремя независимыми гидравлическими системами, двумя основными и резервной:

• «Зелёная» гидравлическая система левого борта, подключена к гидравлическим помпам 1 и 2 двигателей.
• «Синяя» гидравлическая система правого борта, подключена к гидравлическим помпам 3 и 4 двигателей.
• «Жёлтая» резервная гидравлическая система, подключена к гидравлическим помпам 2 и 4 двигателей.

Рабочее давление гидравлических систем 4000 psi. Все гидравлические системы имели электрические вспомогательные помпы для создания давления на земле при подключённом внешнем питании. В нижней части левой консоли крыла размещена выдвижная вспомогательная турбина, которая использовалась для создания давления в «Зелёной» или «Жёлтой» гидравлических системах в случае отказа всех двигателей во время полёта. Турбина могла быть использована только на дозвуковой скорости.

«Конкорд» имеет две независимых электрических системы правого и левого борта, каждая из которых состоит из подсистемы переменного тока 200 В/400 Гц, питаемой двумя 60 кВА генераторами двигателей, и 28-вольтовой подсистемы постоянного тока, питаемой двумя выпрямителями с максимальным током 150 А. В подсистемы постоянного тока включены аккумуляторные батареи. При наземных операциях подключалось внешнее электропитание. В случае отказа основных генераторов мог использоваться резервный генератор переменного тока с гидравлическим приводом от «Зелёной» гидравлической системы.

Управление по тангажу и крену осуществляется отклонением шести элевонов, по три на каждой консоли крыла. Управление рысканьем отклонением двух секций руля направления.

«Конкорд» стал первым авиалайнером, имевшим электродистанционную систему управления. В отличие от современных авиалайнеров, ЭДСУ была аналоговой.

Отклонение штурвальных колонок и педалей формирует электрические сигналы, поступающие в контроллеры ЭДСУ. Контроллеры преобразуют эти сигналы в сигналы управления, поступающие на гидравлические исполнительные устройства привода элевонов и руля направления. Передача осуществляется по двум независимым каналам, «Зелёному» и «Синему», каждый из которых имеет собственный набор контроллеров и отдельные цепи питания.

Кроме этого, имеется независимая механическая система, связывающая органы управления с исполнительными устройствами посредством тяг и тросов. В механическую систему встроены сервоприводы, служащие одновременно для системы стабилизации, и в качестве сервоприводов автопилота. При работе автопилота сервоприводы через механическую систему вызывают отклонение органов управления, что в свою очередь приводит к выработке управляющих сигналов. Для удобства пилотов реализована система гидравлических загружателей по каждому из каналов управления, загружатели работали в зависимости от скорости самолёта. Загружатели также использовались для триммирования.

Управляющие поверхности объединены в три группы: внешние и центральные элевоны, внутренние элевоны, обе секции руля направления. Для каждой из групп может быть выбран собственный канал управления, «Зелёный», «Синий» или механический. Исполнительные устройства, сервоприводы и нагружатели работают от двух независимых гидравлических систем, а также могут использовать резервную гидравлическую систему. Для осуществления управления по тангажу элевоны отклоняются синхронно, для управления по крену — дифференцированно. При управлении по электрическим каналам смешивание сигналов тангажа и крена происходит электрическим путём, в случае использования механической системы — механическим.

Система наддува и кондиционирования состояла из четырёх отдельных независимых блоков кондиционирования воздуха. Особенностями данной системы были более высокое, чем в дозвуковых авиалайнерах разница внутреннего и внешнего давления, а также наличие дополнительного теплообменника, использовавшего для охлаждения воздуха поступающее в двигатели топливо. При нахождении самолёта на стоянке подключалось внешнее воздушное питание воздухом высокого давления и кондиционированным воздухом.

Кабина пилотов серийного «Конкорда»

Для своего времени «Конкорд» имел весьма совершенную авионику, высокую степень автоматизации и широкий набор приборного оборудования. Это позволяло управлять самолётом экипажу из трёх человек.

Основное приборное оборудование:

• Три независимых инерциальных навигационных системы, каждая из которых имеет отдельную гиростабилизированную платформу и цифровой вычислитель. ИНС может сохранять в памяти маршрут из 10 пунктов, автоматически переключаться между пунктами маршрута по мере их прохождения, рассчитывать курс на перехват ЛЗП, определять и отображать скорость и направление ветра, угол сноса, и множество других навигационных параметров. Управление ИНС осуществляется при помощи двух пультов управления с цифровой индикацией.
• Два независимых автопилота, имеющих большое количество режимов.
• Два автомата тяги, работающих совместно с автопилотами.
• Два приёмника VOR/ILS
• Один приёмник ADF
• Два комплекта DME
• Погодный радар с двумя дисплеями
• Две радиостанции УКВ диапазона
• Система SELCAL
• Два транспондера УВД
• Различное контрольное оборудование, включающее в себя стрелочные и линейные аналоговые приборы.

Авионика «Конкорда» позволяла осуществлять самолётовождение в сложных погодных условиях, выполнять трансатлантические перелёты, осуществлять автоматический заход на посадку и автоматическую посадку по категории IIIa ИКАО. Автопилот мог контролировать самолёт от набора высоты до касания ВПП. В процессе выполнения крейсерского полёта на скорости 2 Маха, «Конкорд» не следовал на определённой высоте, как обычные авиалайнеры. Поскольку на высоте полёта «Конкорда» не было никакого воздушного движения, использовался более выгодный режим полёта — постоянный набор высоты по мере облегчения самолёта из-за выработки топлива. Полёт в этом режиме осуществлялся полностью автоматически.

Пассажирский салон

Салон «Конкорда» British Airways после модернизации 2001 года

Гермокабина «Конкорда» занимает порядка 85 % общего объёма фюзеляжа. В кабине размещено два пассажирских салона, передний и задний, задний салон немного длиннее переднего. Максимальная ширина салонов 2,62 м, что меньше чем, например, у Ту-134. Изначально предполагалась следующие варианты конфигурации салонов:

• 108 пассажиров в одноклассной конфигурации первого класса
• 124 пассажира в одноклассной конфигурации стандартного класса
• 144 пассажира в одноклассной конфигурации туристического класса

Также возможно было использовать сочетание разных классов на одном самолёте. Максимальное количество пассажиров, на перевозку которого был сертифицирован «Конкорд», составляло 128, но в реальности такая конфигурация салонов никогда не использовалась. Выпускаемые «Конкорды» имели салоны одноклассной компоновки на 108 человек, впоследствии салоны несколько раз модернизировались авиакомпаниями. На момент вывода из эксплуатации «Конкорды» British Airways имели компоновку салона на 100 мест с шагом 37 дюймов, а «Конкорды» Air France двухклассную на 92 места с таким же шагом. Различие в числе мест связано с тем, что британская авиакомпания в ходе последней модернизации в 2001 году установила новые кресла облегчённой конструкции для компенсации увеличения массы самолёта. Air France предпочла просто уменьшить число пассажиров с той же целью.

В передней части гермокабины, непосредственно за кабиной экипажа и отсеками оборудования находится тамбур основного входа, от переднего салона его отделяет отсек с небольшим гардеробом и туалетом. Между салонами располагается тамбур второго входа, а также ещё два туалета, размещённые по бортам кабины. Заднюю часть кабины занимает отсек с кухонным блоком, служащий также тамбуром запасного выхода. Так как средний выход вёл на крыло самолёта, для посадки и высадки пассажиров использовался передний выход.

Размер иллюминаторов 10×16", шаг около 50 см. В передней части каждого из салонов было установлено большое информационное табло, показывающее в реальном времени скорость и высоту полёта самолёта.

В целом, несмотря на то, что по своей конструкции и характеристикам «Конкорд» почти ничем не напоминал современные ему дозвуковые узкофюзеляжные авиалайнеры, его внутренняя конфигурация и оснащение практически не отличались от общепринятых на момент его появления. Удобство размещения пассажиров и предоставляемые в полёте услуги делали сверхзвуковые перелёты ничуть не менее комфортабельными, чем обычные.