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 обсудит лётные характеристики, косвенно связанные с массой, а в разделе 23 - риски перевеса и как ими управлять.