Weights and Balance

17. Массы, центровка и полезная нагрузка (Preliminary W&B)

Бюджет массы

предварительная разбивка массовых характеристик R4X представлена в таблице ниже (Appendix C содержит детальную таблицу). Ниже - укрупнённо основные статьи весов при расчётной максимальной взлётной массе MTOW ≈ 350 000 кг:

Планер (конструкции крыла и корпуса): ≈150 000 кг. Это включает всю силовую конструкцию, обшивку, механизацию крыла, шасси, гидросистему. Такая масса несколько выше, чем у аналогичного классического самолёта (для A350-900 планер ≈135 т), что объясняется очень большой площадью крыла и применением усилений под двигатели. Расчётная удельная масса композитной конструкции - 60-65 кг/м² несущей поверхности. При площади ≈1200 м² получаем ≈72-78 т. Добавляем механизацию (≈5 т), шасси (≈8 т), узлы крепления (≈4 т), системы (≈10 т) - итого порядка 100 т. Но надо учесть неопределённости, поэтому заложен запас +50%, получается 150 т. В дальнейшем цифра может быть уменьшена оптимизацией.
Силовая установка (4 × двигатели и сопла): ≈40 000 кг. Масса одного Trent XWB около 7000 кг, четырёх - 28 т. Поворотные сопла и пилоны - ещё примерно 12 т на всё (каждый пилон ≈2 т, сопло + привод ≈1 т). Итого 40 т.
Оборудование (БРЭО), системы управления, кабина: ≈15 000 кг. Включает: авионика ≈2 т, компьютеры управления ≈0.5 т, проводка и электрические сети ≈3 т, система кондиционирования ≈2 т, кабина пилотов с креслами и панелями ≈1 т, тестовое оборудование (телеметрия, датчики) ≈2 т, прочее (крепеж, панели) ≈4 т.
Заправленное топливо (макс): ≈120 000 кг. Объём ≈150 000 л, но плотность авиатоплива ≈0.8 г/см³, поэтому масса ≈120 т. Это для перегонной дальности (которая может превышать 12 000 км). На типовой же полёт (испытания вокруг аэродрома или недальний перелёт < 2000 км) будет заправляться лишь ≈30-50 т.
Полезная нагрузка: до ≈30 000 кг в экспериментальной конфигурации. Это включает: экипаж (2-4 человека, ≈0.4 т с оборудованием), балласт/нагрузка (например, имитация пассажиров или оборудования, ≈20 т), запасной груз (приборы, инструменты, 5 т), непредвиденное (еда, вода, мелочи, 0.5 т). В пассажирском варианте (гипотетически) эта цифра могла бы быть ≈80-100 т (900 человек с багажом), но в нашем исследовательском - обычно будет меньше.

Таким образом, пустой вес самолёта (OEW) оценивается ≈205 000 кг (планер 150 + двигатели 40 + системы 15). Отсюда полезная (вес топлива + полезн.нагрузки) ≈145 т, что укладывается в MTOW 350 т. Отметим, что удельная нагрузка на площадь при взлётном весе: $W/S \approx 350000 \times 9.81 / 1200 \approx 2866$ Н/м², то есть ≈292 кг/м². Это вдвое меньше, чем у A350 (≈600 kg/m²) - так и было задумано ради малых скоростей отрыва. Даже при неполной загрузке (например, вес 250 т) нагрузка будет ещё ниже (≈210 kg/м²). То есть аппарат может “перенести” даже большие перегрузки по весу, если потребуется (т.е. сильный запас по несущей способности).

Влияние топлива на центровку

топливо распределено: 50% в центральном баке, 25% в каждом крылевом. Центральный бак близок к CG, потому расход оттуда мало влияет. Крылевые баки - чуть позади CG (примерно на 40% МАС). Выработка топлива из крыльев смещает CG вперед (т.к. нос тяжелее становится относ.). Расчёты: если сжечь весь керосин из крыльев (≈60 т) и не трогать центр, CG может уйти вперёд на ≈3% МАС. Это не критично (даже повысит устойчивость, правда увеличит интерференцию - но не сильно). Обратная ситуация: выработан центр, а крылья полные - CG чуть назад (≈2% МАС). Такую ситуацию автоматика не допустит - будет брать пропорционально. В общем, система fuel management следит, чтобы центровка держалась в узком диапазоне. В аварийных случаях (неперекачиваемый остаток) возможно отклонение, но тогда либо отключается продольный law, либо включается предупреждение.

Запасы по росту массы

на этапе концепта всегда есть риск недобора веса (оптимистичных оценок). Мы заложили очень консервативно (веса планера +50% от теории). Всё равно, если по мере проектирования что-то неожиданно утяжелится, есть резерв - можно немного уменьшить запас топлива, либо снизить полезную нагрузку, сохранив MTOW. Кроме того, 350 т - не догма, если надо, можно сертифицировать и 370 т (в этом классе аэродромы подходят). Но это нежелательно по нагрузке на шасси. Так что лучше держать 350.

“Массогены риска”

обычно в таких новых проектах главные виновники перевеса - механизация, система TVC, крепления. Мы это учли: сделали пессимистичную массу сопел/пилонов (≈12 т). Если реальное проектирование покажет меньше, отлично. Если больше - можно подумать об облегчении (например, применить больше композита или оптимизировать уголки). Другой риск - обшивка композитная может требовать усиления против нагрузок струи (темп, вибрация), а это доп. вес. Пока неясно, сколько, но держим 1-2 т резерва на это. И, конечно, электроника: испытав самолёт, наверняка добавим датчиков, системы - может на пару тонн больше уйдёт. Но с другой стороны, часть испытательного оборудования потом снимут.

Параметры инерции

масса 350 т распределена широко (размах 70 м) - это значит, момент инерции по крену огромный. То есть, крен поворачивать медленно. Мы ожидаем время крена на 30° ≈5-6 секунд, что приемлемо. По тангажу тоже инерция велика (объёмный корпус), но TVC может приложить большие моменты, поэтому, наоборот, тангаж можно менять бодро (0→10° за ≈4 с). Что важно: кинетическая энергия при посадке (350 т × (50 m/s)^2 /2 ≈ 438 MJ). Поглотить её должны тормоза, реверс, парашюты (последнее можно иметь как запасной тормоз). Тормозные системы рассчитываются исходя из многократных посадок без перегрева - не так просто, но возможно (применяются керамические диски).

Вывод: масса и центровка R4X находятся в разумных пределах для планируемых характеристик. Да, самолёт получился тяжелее обычного на ту же нагрузку (900 пассажиров 350т, против классики 300 пассажиров 268т[8] - показатель, что BWB не дал выигрыш в весе, а даже проигрыш). Однако, главная цель - STOL, а она достигнута: удельная нагрузка крыло ≈300 kg/m², что уникально мало для реактивного. Это плата весом за короткий взлёт. Возможно, до серийного образца есть резервы экономии (допустим, новые материалы, улучшение интеграции), и вес снизят на ≈15%. Но пока учитываем - экспериментальный аппарат всегда тяжелее.

Полезная нагрузка

в испытательных полётах R4X обычно будет летать не на полном весе, а скажем 250-300 т (чтобы снизить риски на ВПП). Это значит, часть грузов будет искусственно облегчена. Но возможность взять 30 т - это позволяет в перспективе возить, например, какой-то крупный научный модуль (скажем, радиотелескоп) или выполнять транспортные задачи (30 т - эквивалент 2 средних вертолётов, или 6 внедорожников). Так что при желании R4X можно использовать как сверхтранспорт - благо грузовая кабина позволяет. Влезет, например, вертолёт типа Apache (длиной 17 м, шириной 5 м - да, у нас отсек ≈20×10×3 м). Конечно, сейчас это не задача, но приятно осознавать мультифункциональность концепта.

Далее, раздел 19. Производительность и лётные оценки обсудит лётные характеристики, косвенно связанные с массой, а в разделе 23. Анализ отказов и рисков - риски перевеса и как ими управлять.