Большие самолеты позволяют перевозить большие и/или тяжелые грузы на большие расстояния. Увеличение конструкции самолета также может улучшить общую топливную эффективность и человеко-часы для транспортировки заданного груза, в то время как большее пространство доступно для перевозки легких грузов или дает пассажирам возможность перемещаться. Однако по мере увеличения размера самолетов возникают существенные проблемы с конструкцией, которых нет у самолетов меньших размеров. К ним относятся структурная эффективность, реакция управления полетом и достаточная мощность в надежной и экономически эффективной установке.
Большим самолетам также требуются специализированные наземные сооружения, и в некоторых странах для них действуют особые нормативные требования.
Гигантские дирижабли 1930-х годов остаются, по состоянию на 2016 год, крупнейшими самолетами, когда-либо построенными, в то время как Hughes H-4 "Spruce Goose" 1947 года имел самый большой размах крыльев среди всех типов самолетов с фиксированным крылом. Гибридный дирижабль Airlander 10 от The Hybrid Air Vehicles является крупнейшим самолетом, летающим сегодня.
Грузоподъемность самолета зависит от размера крыла и его «нагрузки», веса на единицу площади, которую может выдержать крыло. Нагрузка более или менее постоянна для данного уровня технологии. Таким образом, по мере увеличения размера самолета грузоподъемность увеличивается с площадью поверхности. Для данной аэродинамической формы площадь, в свою очередь, увеличивается с квадратом размаха крыла. Если структурная эффективность может быть сохранена, структурный вес планера также увеличивается с его площадью поверхности и квадратом размаха. Но внутренний объем увеличивается с кубом размаха.
Например, если все размеры увеличить вдвое, то площадь и грузоподъемность увеличатся в 2 × 2 = 4 раза, а объем увеличится в 2 × 2 × 2 = 8 раз.
Для пассажирского самолета это удвоение размера позволяет увеличить пространство салона на одного пассажира до двух раз. В качестве альтернативы для транспортного самолета это позволяет увеличить пространство до двух раз для размещения громоздкого, но легкого груза. Таким образом, большие самолеты и более удобны, и более гибки в эксплуатации, чем меньшие типы.
Хотя большее крыло несет большие силы, оно также толще. Главный лонжерон в крыле приближается к двутавровой балке , глубина которой равна толщине крыла. Для данной общей нагрузки, которую необходимо выдержать, силы в балке уменьшаются пропорционально квадрату ее высоты. Если размах крыла увеличивается вдвое, его толщина также увеличивается вдвое. Это уменьшает силы в лонжероне в 2 x 2 = 4 раза, что позволяет увеличить общую нагрузку в четыре раза. Это точно соответствует увеличенной подъемной силе, доступной от большей площади крыла.
Это означает, что металлические части большого самолета не должны быть толще или тяжелее, чем у меньшего самолета. Однако, поскольку эти части должны покрывать в четыре раза большую площадь, они делают самолет в четыре раза тяжелее. Это снова точно соответствует увеличению веса с грузом, поэтому нет структурного ограничения на то, насколько большим (или маленьким) может быть самолет.
Большие самолеты все еще представляют собой проблему проектирования. Структурные элементы могут быть не толще, но теперь они вдвое длиннее, поэтому жесткость становится проблемой, и подход к проектированию должен быть адаптирован для обеспечения адекватной общей жесткости. Обычно это достигается путем создания ячеистых структурных элементов. Например, лонжерон крыла в небольшом самолете может фактически быть простой двутавровой балкой со сплошным поперечным сечением, но в более крупной конструкции вертикальная часть балки или «паутина» будет построена как открытая решетка ферм в треугольной структуре.
Эффективность органа управления полетом, такого как элерон, зависит в основном от его площади и расстояния от центра самолета - его плеча рычага . Если размах крыла увеличивается вдвое, площадь увеличивается вчетверо, а плечо рычага удваивается, что делает элерон в 8 раз эффективнее.
Поскольку самолет также в четыре раза тяжелее, а его средний вес в два раза больше, для достижения того же ускорения конца крыла требуется в 8 раз больше усилий.
Они уравновешивают друг друга, поэтому на большом самолете эквивалентный элерон будет ускорять конец крыла вверх или вниз с той же скоростью, что и на меньшем самолете. Но на крыле, размах которого вдвое больше, конец должен пройти вдвое большее расстояние, чтобы достичь того же изменения положения самолета. Это занимает больше времени, поэтому большой самолет маневрирует медленнее, чем эквивалентный меньший самолет.
На очень больших типах самолетов, таких как Airbus A380 , одних только обычных элеронов недостаточно, и для уменьшения подъемной силы наклоненного вниз крыла и увеличения скорости крена до практичного и безопасного уровня используются дополнительные подъемные интерцепторы.
Аналогичные проблемы возникают с управлением рулем высоты и тангажа. Без дополнительных мер по проектированию, обеспечивающих адекватную реакцию управления, любая попытка внести исправление в траекторию полета в последнюю минуту, скорее всего, окажется слишком незначительной и слишком запоздалой, что сделает посадку, отмену и облет в последнюю минуту сложными и опасными.
Количество двигателей на самолете влияет на его надежность и безопасность. Чем больше двигателей, тем безопаснее, если один из них выйдет из строя. Но с другой стороны, чем больше двигателей, тем больше вероятность отказа одного или нескольких и тем больше нагрузка на бортинженера. В настоящее время на практике предпочитают два двигателя, и даже довольно большие широкофюзеляжные самолеты имеют только два двигателя. Четыре обычно принимаются как предел, как по соображениям безопасности, так и по соображениям стоимости.
За исключением нескольких военных типов, ни один практический большой самолет никогда не имел более четырех двигателей. Поскольку самолеты становятся больше, возникает необходимость в проектировании более крупных двигателей.
Скорость воздуха лопасти вентилятора должна поддерживаться ниже скорости звука, чтобы избежать разрушительных и шумных ударных волн. Эта максимальная скорость кончика устанавливает ограничение на скорость вращения. При заданной скорости вращения кончик большего вентилятора будет двигаться быстрее. Поэтому, чтобы снизить максимальную скорость большого двигателя, вентилятор должен вращаться медленнее. Вентилятор приводится в действие турбиной с того же вала, поэтому лопасти турбины также вращаются медленнее.
На практике экономия эксплуатационных расходов, присущая использованию меньшего количества самолетов, делает более крупные типы более экономичными на маршрутах, которые могут выдержать их размеры.
Однако наземные объекты, такие как взлетно-посадочные полосы, погрузочно-разгрузочные сооружения и ангары, должны быть увеличены, чтобы справиться с этим, и расходы на это должны быть компенсированы более низкими эксплуатационными расходами. Ограниченная ширина, доступная в некоторых аэропортах, ограничивает размах крыла, достижимый на практическом самолете.
При регулировании воздушной деятельности власти устанавливают дополнительные правила и ограничения для видов, превышающих определенный размер.
Федеральное управление гражданской авиации США определяет крупногабаритный самолет как любой самолет с максимальным сертифицированным взлетным весом более 12 500 фунтов (5,7 тонн) [1] .
Европейское агентство по безопасности полетов (EASA) определяет крупное воздушное судно как «самолет с максимальной взлетной массой более 5700 килограммов (12 600 фунтов), многомоторный вертолет или газовый дирижабль объемом более 15 000 м3». [2]
Первыми практическими летательными аппаратами были воздушные шары, использовавшиеся для спорта и военных наблюдений. В 1901 году гигантский воздушный шар Preusen (Пруссия) объемом 8400 кубических метров (300 000 кубических футов) поднялся на высоту 9 155 метров (30 036 футов). Ранние дирижабли были немногим больше, чем удлиненные воздушные шары с двигателем, подвешенным снизу. Эти летательные аппараты были ограничены в размерах, поскольку их корпуса были нежесткими и не могли быть сделаны слишком длинными. Немецкий граф Фердинанд фон Цеппелин понял, что жесткая рама может выдерживать гораздо больший объем, и в 1900 году Luftschiff Zeppelin 1 объемом 11 300 кубических метров (400 000 кубических футов) и длиной 128 метров (420 футов) ненадолго поднялся в воздух. [3]
Ранние самолеты с фиксированным крылом были в основном одномоторными. Когда русский Игорь Сикорский спроектировал и поднял в воздух свой Илья Муромец в 1913 году, он стал не только первым четырехмоторным самолетом, но и, с размахом крыла 29,8 метра (98 футов) и загруженным весом 4600 килограммов (10 100 фунтов), безусловно, самым большим и тяжелым на сегодняшний день. Для сравнения, дирижабль LZ 18 , который летал в том же году, имел длину 158 метров (518 футов) (объем оболочки составлял 270 000 м 3 (9 500 000 куб. футов)) и пустой вес 20 тонн.
Beardmore Inflexible 1928 года имел размах крыльев 157 футов 6 дюймов (48,01 м) и полный взлетный вес 37 000 фунтов. Однако он был недостаточно мощным для такого тяжелого самолета. Он был конструктивно передовым для своего времени, имея цельнометаллическую конструкцию с несущей обшивкой. [4] Dornier Do X был самой большой, тяжелой и мощной летающей лодкой в мире, когда он поднялся в воздух в 1929 году, имея аналогичный размах крыльев 48 м (157 футов 6 дюймов) и максимальный взлетный вес 56 000 кг (123 459 фунтов).
В период между двумя мировыми войнами только советский сухопутный самолет Туполев АНТ-20 «Максим Горький» 1934 года выпуска был крупнее — размах крыла составлял 63,00 м (206 футов 9 дюймов), но при максимальном взлетном весе в 53 тонны он не был таким тяжелым, как Do X — 56 тонн.
Самым большим дирижаблем из когда-либо построенных был Zeppelin LZ 129 «Hindenburg». Впервые поднявшийся в воздух в 1936 году, «Hindenburg» имел объем 200 000 кубических метров (7 100 000 кубических футов) и длину 245 метров (804 фута). Его максимальная полезная нагрузка, состоящая из пассажиров и груза, составляла 19 000 килограммов (42 000 фунтов). После катастрофического конца «Hindenburg» с тех пор не было построено ни одного дирижабля такого масштаба.
К тому времени более крупные самолеты, особенно дальние летающие лодки , превзошли Илью Муромца по масштабу. Затем, во время Второй мировой войны, Америка предвидела потребность в большом транстихоокеанском грузовом перевозчике, способном работать с баз без подготовленной посадочной полосы. Гигантская летающая лодка Hughes H-4 Hercules была построена из древесины, за что получила название «Еловый гусь». Когда она, наконец, совершила короткий полет в 1947 году, ее размах крыльев 97,82 метра (320 футов 11 дюймов) сделал ее самым большим самолетом, когда-либо летавшим, пока Stratolaunch на высоте 117 метров (385 футов) не поднялся в воздух в первый раз 13 апреля 2019 года. Для того, чтобы поднять ее в воздух, требовалось 8 радиальных двигателей Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major. К тому времени сухопутный самолет взял на себя дальние полеты, а H-4, совершив не более одного полета длиной в милю на высоте менее 100 футов от воды, больше никогда не летал. Сегодня он хранится как музейный экспонат.
В начале Второй мировой войны Барнс Уоллис предложил «бомбардировщик Победы» весом 50 тонн для перевозки 10-тонной бомбы, но Министерство авиации отклонило его из-за ограниченного применения. По мере развития войны британцы рассматривали очень большие проекты бомбардировщиков (от 75 до 100 тонн с бомбовой нагрузкой 25 тонн и шестью или более двигателями), но посчитали, что время, необходимое для их ввода в эксплуатацию, сложность балансировки бомбовой нагрузки, оборонительного вооружения и дальности, а также успех существующих проектов (таких как Avro Lancaster) перевешивают любые преимущества. Часть работы над большими самолетами вошла в послевоенный Bristol Brabazon — 130-тонный авиалайнер с размахом крыльев 70 м, который мог бы предоставить своим 100 пассажирам уровень пространства и комфорта, подобный корабельному. [5]
С приходом реактивной эры размеры авиалайнеров продолжали увеличиваться. Были введены широкофюзеляжные типы, и в 1970 году в эксплуатацию поступил Boeing 747 «Jumbo jet». Он отличался короткой второй верхней палубой, что обеспечивало большее количество пассажиров. Варианты 747 оставались крупнейшими авиалайнерами, летавшими более тридцати лет, некоторые с «удлиненной» верхней палубой, до появления серии Airbus A380 в 2007 году с полноразмерной верхней палубой. Обе линейки продолжают развиваться, и вводятся все более крупные варианты. Самым крупным в настоящее время (2014) является A380-800, способный вместить до 853 человек.
Для перевозки по воздуху космического челнока «Буран» в 1988 году Советский Союз представил единственный самолет Антонов Ан-225 «Мрия» ( мечта ). С максимальным взлетным весом более 640 тонн (1 410 000 фунтов) и размахом крыла 88,4 метра (290 футов) это был самый большой действующий самолет в мире. После завершения полетов «Бурана» «Мрия» оставалась на вооружении в качестве тяжелого транспортного самолета до своего уничтожения в битве за аэропорт Антонова во время российского вторжения на Украину в 2022 году .
Самый большой самолет из всех летающих сегодня (2014) — это гибридный дирижабль Airlander 10 компании Hybrid Air Vehicles с внутренним объемом 38 000 кубических метров и длиной 91 м. [6] [7]
Эти списки показывают историческую прогрессию в размерах для каждого основного класса летательных аппаратов: воздушный шар, дирижабль, самолет и винтокрыл. Гибриды перечислены под самым большим компонентом, будь то длина оболочки, размах крыльев или диаметр ротора. -->
