В новом исследовании Адриан Бежан, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка, показывает, что закон физики, который он написал более двух десятилетий назад, помогает объяснить эволюцию пассажирских самолетов от небольших винтовых самолетов DC-3. давным-давно сегодняшним гигантом Boeing 787s. Анализ также дает представление о том, как аэрокосмические компании могут разрабатывать успешные будущие проекты.
Concorde, увы, был слишком далек от изгиба этих хороших дизайнов, говорит Беджан. Статья появится в Интернете 22 июля в Journal of Applied Physics.
«Эволюция видов на Земле происходила в слишком больших временных масштабах, чтобы люди могли их засвидетельствовать», – сказал Беджан. "Но эволюция нашего использования технологий и самолетов для перевозки людей и товаров произошла немногим больше, чем за одну жизнь, что делает это видимым для тех, кто смотрит. Эволюция – это универсальное явление, охватывающее технологии, бассейны рек и дизайн животных, и оно уходит корнями в физику как конструктивный закон."
Конструктивный закон был разработан Бежаном в 1996 году и гласит, что для того, чтобы система выжила, она должна развиваться, чтобы расширить ее доступ к потоку.
Например, сосудистая система человека эволюционировала, чтобы обеспечить доступ крови для потока через сеть из нескольких крупных артерий и множества мелких капилляров. По его словам, в речных системах, ветвях деревьев и современных сетях автомагистралей и дорог действуют одни и те же силы.
В случае с коммерческими самолетами конструкция эволюционировала, чтобы позволить большему количеству людей и товаров перемещаться по поверхности Земли.
Строительный закон также продиктовал основные конструктивные особенности, необходимые для успеха самолета; масса двигателя осталась пропорциональной размеру корпуса, размер крыла привязан к длине фюзеляжа, а топливная нагрузка выросла в соответствии с общей массой.
«Те же конструктивные особенности можно увидеть у любого крупного наземного животного», – сказал Беджан. "Более крупные животные живут дольше и путешествуют на большие расстояния, как и пассажирские самолеты. Например, отношение размера двигателя к размеру самолета аналогично отношению общего размера тела крупного животного к его сердцу, легким и мышцам."
Чтобы применить свои теории к конструкции самолетов, Бежан объединился с Джорданом Чарльзом, исследователем и инженером-разработчиком, и Сильви Лоренте, профессором гражданского строительства в Университете Тулузы, чтобы изучить исторические базы данных успешных коммерческих самолетов. Когда они построили тысячи статистических данных, включая год выпуска, размер, крейсерскую скорость, вес двигателя, вес топлива, дальность полета, размах крыла и длину фюзеляжа, стали появляться многие закономерности.
Но особенно выделялись два.
На одной диаграмме четкая кривая показывает увеличение размеров коммерческих самолетов на протяжении почти столетия авиации.
Со временем появляются новые коммерческие авиалайнеры всех размеров, но к самым большим добавляются еще более крупные модели. На другом графике линия, которая лучше всего отслеживает взаимосвязь массы тела со скоростью самолета, почти идентична статистике массы и скорости у различных млекопитающих, ящериц, птиц, насекомых и т. Д. Другими словами, эволюционные ограничения, встречающиеся в природе, можно увидеть в работе авиационной отрасли.
Однако на графике был один выброс – Concorde.
«Конкорд был слишком далек от передаточных чисел, которые эволюция произвела в пассажирских реактивных самолетах», – пояснил Беджан, отметив, что у обреченного самолета была ограниченная пассажировместимость, низкое соотношение массы к скорости и нестандартный фюзеляж. размах крыльев, массивные двигатели и низкая топливная экономичность. "Чтобы добиться успеха, нужно было придерживаться правил проектирования."
Беджан сказал, что этот анализ показывает, что авиационная отрасль на протяжении десятилетий преуспевала в своих разработках и что доминирующие в отрасли тенденции действительно являются наиболее эффективными. Они также раскрывают общие конструктивные параметры, которым должны соответствовать будущие пассажирские самолеты, чтобы добиться экономического успеха.
«Это исследование дает грубый набросок того, какие конструкции самолетов помогут вам в игре», – сказал Беджан. «Для проектных компаний это деньги в банке."
Хосе Камберос, аэрокосмический инженер-исследователь и руководитель отдела проектирования космических исследований в Многопрофильном научно-техническом центре исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон в Дейтоне, штат Огайо, сказал, что эта работа, надеюсь, поможет лучше понять, где проектирование самолетов идет.
«Определенно существует аналогия, которую следует понять и сформулировать, чтобы объяснить, почему двигатели и самолеты имеют такие же размеры, как и сейчас, и как они развивались», – сказал Камберос, не участвовавший в этом исследовании. "Рассматривая развитие самолетов в более широком контексте с этих позиций, можно понять, как лучше всего достичь того, что природа уже смогла сделать."