Трёхдвигательные самолёты: конструкция, преимущества и недостатки

Введение

Самолет, приводимый в движение тремя реактивными двигателями. Реактивный самолет.

Триджет – это реактивный самолет, оснащенный тремя реактивными двигателями. Как правило, пассажирские триджеты относят ко второму поколению реактивных авиалайнеров благодаря инновационному расположению двигателей и развитию технологии турбовентиляторных двигателей. Триджеты более экономичны, чем кваджеты, но менее экономичны, чем двухдвигательные самолеты, которые заменили триджеты по мере появления более крупных и надежных турбовентиляторных двигателей.

Дизайн

Одним из важных аспектов при проектировании триджетов является расположение центрального двигателя. Обычно это достигается размещением двигателя вдоль продольной оси самолета, однако это все равно представляет определенные сложности. Наиболее распространенной является конфигурация с центральным двигателем, расположенным в задней части фюзеляжа и получающим воздух по S-образному воздухозаборнику; такая схема используется на самолетах Hawker Siddeley Trident, Boeing 727, Tupolev Tu 154, Lockheed L 1011 TriStar и, более недавно, Dassault Falcon 7X. S-образный воздухозаборник обладает низким аэродинамическим сопротивлением, а поскольку третий двигатель расположен ближе к продольной оси, самолет обычно легко управляется в случае отказа одного из двигателей. Однако конструкция S-образного воздухозаборника более сложна и дорога, особенно для авиалайнеров. Кроме того, центральный моторный отсек потребует структурных изменений при серьезной замене двигателя (модернизации силовой установки). Например, центральный отсек Boeing 727 был достаточно широк только для турбовентиляторного двигателя с малой степенью двухконтурности, а не для более современных турбовентиляторных двигателей с высокой степенью двухконтурности, которые были тише и мощнее. Boeing посчитал, что перепроектирование слишком дорогостоящее и вместо дальнейшей разработки прекратил производство. Хвостовая часть Lockheed Tristar была слишком короткой для установки существующего двухкатушного двигателя, поскольку она была рассчитана только на новый трехкатушный двигатель Rolls Royce RB211, а задержки в разработке RB211, в свою очередь, отодвинули сроки ввода TriStar в эксплуатацию, что повлияло на продажи. McDonnell Douglas DC-10 и его модификация MD-11 используют альтернативную схему расположения центрального двигателя с "прямоточным" воздухозаборником, что упрощает установку, модификацию и доступ к двигателю. Эта схема также имеет дополнительное преимущество – облегчает замену двигателя. Однако она ухудшает аэродинамические характеристики по сравнению со схемой с S-образным воздухозаборником. Кроме того, поскольку двигатель расположен значительно выше, чем двигатели, установленные на крыльях, отказ двигателя создаст больший тангажный момент, что затруднит управление самолетом. Расположение двух оставшихся двигателей может варьироваться. Большинство небольших самолетов, таких как Hawker Siddeley Trident и Boeing 727, а также самолеты среднего размера, такие как Tupolev Tu 154, имеют два боковых двигателя на пилонах в конфигурации с Т-образным хвостовым оперением. Более крупные широкофюзеляжные самолеты Lockheed TriStar и DC-10/MD-11 имеют по одному двигателю под каждым крылом. На TriStar проводились предварительные исследования по повторному использованию фюзеляжа и крыла для двухдвигательной конструкции, но они так и не были реализованы из-за недостатка финансирования у Lockheed. Кроме того, в конце 1990-х годов Boeing, после поглощения McDonnell Douglas, рассматривал возможность удаления хвостового двигателя MD-11 для превращения его в двухдвигательный самолет, но вместо этого полностью прекратил производство MD-11. Это выгодно, если самолет находится далеко от базы технического обслуживания авиакомпании, поскольку пилоты могут продолжить полет и приземлиться в аэропорту, где более целесообразно выполнить ремонт. Кроме того, для триджетов на земле с одним неработающим двигателем может быть получено разрешение на выполнение перелетных рейсов с двумя работающими двигателями. До введения правил ETOPS только триджетам и квадрджетам разрешалось выполнять дальние международные рейсы над районами, где отсутствуют запасные аэродромы. Однако это преимущество в значительной степени исчезло в последние годы, поскольку двухдвигательные самолеты, сертифицированные по правилам ETOPS, также могут выполнять такие полеты. Главным препятствием для триджетов сегодня являются эксплуатационные расходы, в первую очередь топливная эффективность, поскольку конструкция с тремя двигателями почти наверняка потребляет больше топлива, чем сопоставимая конструкция с двумя двигателями. Это также значительно усложняет маркетинг нового триджета, особенно для пассажирских перевозок. Однако это было оправдано в период с 1970 по 1990-е годы, когда триджеты и двухдвигательные самолеты использовали двигатели схожей мощности, например, когда DC-10, MD-11, Boeing 767 и Airbus A300, A310 и A330 были оснащены двигателями General Electric CF6, а дополнительная мощность третьего двигателя давала DC-10/MD-11 преимущества в дальности и/или грузоподъемности по сравнению с двухдвигательными A300/A330. С 1990-х годов, с дальнейшим развитием турбовентиляторных двигателей с высокой степенью двухконтурности, большие двухдвигательные самолеты стали оснащаться двигателями специальной конструкции, такими как General Electric GE90 на Boeing 777, что позволило им выполнять те же задачи, что и большинство триджетов и даже многие квадрджеты, но более эффективно.

One consideration with trijets is positioning the central engine. This is usually accomplished by placing the engine along the centerline, but still poses difficulties. The most common configuration is having the central engine located in the rear fuselage and supplied with air by an S shaped duct; this is used on the Hawker Siddeley Trident, Boeing 727, Tupolev Tu 154, Lockheed L 1011 TriStar, and, more recently, the Dassault Falcon 7X. The S duct has low drag, and since the third engine is mounted closer to the centerline, the aircraft will normally be easy to handle in the event of an engine failure. However, S duct designs are more complex and costlier, particularly for an airliner. Furthermore, the central engine bay would require structural changes in the event of a major re engining (remodeling of the engine). For example, the 727's central bay was only wide enough to fit a low bypass turbofan and not the newer high bypass turbofans which were quieter and more powerful. Boeing decided that a redesign was too expensive and ended its production instead of pursuing further development. The Lockheed Tristar's tail section was too short to fit an existing two spool engine as it was designed only to accommodate the new three spool Rolls Royce RB211 engine, and delays in the RB211's development, in turn, pushed back the TriStar's entry into service which affected sales. The McDonnell Douglas DC 10 and related MD 11 use an alternative "straight through" central engine layout, which allows for easier installation, modification, and access. It also has the additional benefit of being much easier to re engine. However, this sacrifices aerodynamics compared to the S duct. Also, as the engine is located much higher up than the wing mounted engines, engine failure will produce a greater pitching moment, making it more difficult to control. The placement of the remaining two engines varies. Most smaller aircraft, such as the Hawker Siddeley Trident and the Boeing 727, as well as the intermediate sized Tupolev Tu 154, have two side mount engine pylons in a T tail configuration. The larger widebody Lockheed TriStar and DC 10/MD 11 mount an engine underneath each wing. Preliminary studies were done on the TriStar to reuse the fuselage and wing for a twinjet design though these never materialized due to Lockheed's lack of funds. Additionally in the late 1990s Boeing, which had taken over McDonnell Douglas, considered removing the tail engine from the MD 11 to make it a twinjet but instead cancelled MD 11 production altogether. This is advantageous if the aircraft is not near one of the operator's maintenance bases, as the pilots may then continue the flight and land at an airport where it is more suitable to perform repairs. Additionally, for trijets on the ground with one engine inoperative, approval can be granted to perform two engine ferry flights. Prior to the introduction of ETOPS, only trijets and quadjets were able to perform long international flights over areas without any diversion airports. However, this advantage has largely disappeared in recent years as ETOPS certified twin engined aircraft are able to do so as well. The biggest obstacle trijets face today is operating costs, primarily fuel efficiency, as a three engine design almost certainly consumes more fuel than a comparable two engine design. This also greatly increases the difficulty of marketing a new trijet aircraft today, especially for passenger service. However, this was worth the trade off between 1970 and the 1990s when trijets and twinjets shared engines of similar output, such as when the DC 10, MD 11, Boeing's 767, and Airbus's A300, A310, and A330 were all powered by the General Electric CF6, and the additional power from the third engine gave the DC 10/MD 11 advantages in longer range and/or heavier payload over the A300/A330 twinjet. Since the 1990s, with further advancements in high bypass turbofan technology, large twinjets have been equipped with purpose designed engines such as the Boeing 777's General Electric GE90, allowing twinjets to perform the same tasks as most trijets and even many quadjets but more efficiently.

История

Первым трехреактивным самолетом, поднявшимся в воздух, был прототип бомбардировщика Ту-73, совершивший первый полет в 1947 году. Первыми коммерческими триджетами стали Hawker Siddeley Trident (1962) и Boeing 727 (1963). Оба представляли собой компромисс, призванный удовлетворить требования авиакомпаний: Trident – меняющиеся потребности BEA, а 727 должен был быть приемлем для трех различных авиаперевозчиков. Хотя возможность сотрудничества между производителями рассматривалась, она не была реализована. Ранние американские двухдвигательные самолеты ограничивались правилом FAA о 60 минутах, согласно которому маршрут полета двухдвигательных реактивных лайнеров должен был находиться в пределах 60 минут летного времени от подходящего аэропорта на случай отказа двигателя. В 1964 году это правило было отменено для триджетов, поскольку они обеспечивали больший запас прочности. Для реактивных авиалайнеров второго поколения, с внедрением турбовентиляторных двигателей с высокой степенью двухконтурности для повышения эффективности и снижения шума, а также широкофюзеляжной компоновки (два прохода) для увеличения пассажировместимости и грузоподъемности, триджетная схема рассматривалась как оптимальная конфигурация для средне- и широкофюзеляжных реактивных самолетов, занимая промежуточное положение по размеру, дальности и стоимости между кваджетными (четырехдвигательными) и двухдвигательными самолетами, что привело к появлению множества триджетных проектов. Четырехдвигательный Boeing 747 был популярен на трансокеанских рейсах благодаря большой дальности и вместительности, но он был дорогостоящим, и не все маршруты могли заполнить его пассажирские места, в то время как первые модели двухдвигательного Airbus A300 были ограничены короткими и средними расстояниями. В этот период различные реактивные авиалайнеры использовали двигатели схожей мощности, например, McDonnell Douglas DC-10, Airbus A300 и Boeing 767, оснащенные двигателем General Electric CF6. Дополнительная мощность третьего двигателя давала DC-10 преимущества в дальности и/или грузоподъемности по сравнению с двухдвигательными A300 и 767. Таким образом, триджетные конструкции, такие как DC-10 и L 1011 TriStar, представляли собой наилучший компромисс по дальности от средней до большой и размеру, который американские авиакомпании искали для своих внутренних и трансатлантических маршрутов. Благодаря этим широкофюзеляжным триджетам и популярности Boeing 727, в период их расцвета в 1980-х годах триджеты составляли большинство американских реактивных авиалайнеров. С 1985 по 2003 год количество таких самолетов в эксплуатации сократилось с 1488 до 602. В то же время число двухдвигательных самолетов за тот же период более чем учетверилось. Lockheed и McDonnell Douglas испытывали финансовые трудности, конкурируя на рынке широкофюзеляжных самолетов, что привело к прекращению Lockheed производства L 1011 в 1984 году после выпуска лишь половины необходимого количества единиц для достижения безубыточности, а ряд катастроф DC-10 также замедлил продажи. В отличие от McDonnell Douglas, придерживавшегося существующей триджетной конфигурации, Airbus (который никогда не производил триджет) и Boeing работали над новыми широкофюзеляжными двухдвигательными конструкциями, которые стали A330 и 777 соответственно. Преимущество MD-11 в дальности полета было недолгим, поскольку ему вскоре стали угрожать четырехдвигательные версии A330 – A340 и 777. Единственным другим заметным развитием триджетной авиации в 1980-х годах стало переоборудование в Советском Союзе самолета Туполев Ту-154 двигателями Соловьева Д-30, а также новая конструкция крыла, после чего в 1984 году началась серийная его постройка под обозначением Ту-154М. За исключением бизнес-джетов Dassault Falcon 7X, Falcon 8x и Falcon 900, в настоящее время ни один производитель не выпускает трехдвигательные авиалайнеры.

The first trijet design to fly was the Tupolev Tu 73 bomber prototype, first flown in 1947. The first commercial trijets were the Hawker Siddeley Trident (1962) and the Boeing 727 (1963). Both were compromises to meet airline requirements; in the case of the Trident, it was to meet BEA's changing needs, while the 727 had to be acceptable for three different airlines. Although collaboration between the manufacturers was considered, it did not come about. Early American twinjet designs were limited by the FAA's 60 minute rule, whereby the flight path of twin engine jetliners was restricted to within 60 minutes' flying time from a suitable airport, in case of engine failure. In 1964, this rule was lifted for trijet designs, as they had a greater safety margin. For second generation jet airliners, with the innovations of the high bypass turbofan for greater efficiency and reduced noise, and the wide body (twin aisle) for greater passenger/cargo capacity, the trijet design was seen as the optimal configuration for the medium wide body jet airliner, sitting in terms of size, range, and cost between quadjets (four engine aircraft) and twinjets, and this led to a flurry of trijet designs. The four engine Boeing 747 was popular for transoceanic flights due to its long range and large size, but it was expensive and not all routes were able to fill its seating capacity, while the original models of the Airbus A300 twinjet were limited to short to medium range distances. During this period, different jet airliners shared engines of similar output, such as when the McDonnell Douglas DC 10, Airbus A300, and Boeing 767 were powered by the General Electric CF6, the additional power from the third engine gave the DC 10 advantages in longer range and/or heavier payload over the A300 and 767 twinjets. Thus trijet designs such as the DC 10 and L 1011 TriStar represented the best compromise with medium to long range and medium size that US airlines sought for their domestic and transatlantic routes. As a result of these trijet wide bodies, as well as the popularity of the Boeing 727, in their heyday of the 1980s trijets made up a majority of all such US jet airliners. From 1985 to 2003 the number of such planes in service had sunk from 1488 to 602. The number of twinjets, on the other hand, had more than quadrupled in the same period. Both Lockheed and McDonnell Douglas were financially weakened competing in the widebody market, which led to Lockheed ending production of the L 1011 in 1984 after producing only half the units needed to break even, while a number of fatal DC 10 crashes also slowed its sales. In contrast to McDonnell Douglas sticking with their existing trijet configuration, Airbus (which never produced a trijet aircraft) and Boeing worked on new widebody twinjet designs that would become the A330 and 777, respectively. The MD 11's long range advantage was brief as it soon was threatened by the A330's four engine derivative, the A340, and the 777. The only other notable trijet development during the 1980s was in the Soviet Union, where the Tupolev Tu 154 was re engined with the Soloviev D 30 engine as well as a new wing design and entered serial production from 1984 as the Tu 154M. With the exceptions of the Dassault Falcon 7X, Falcon 8x, and Falcon 900 business jets, no manufacturer currently produces three engine airliners.

Текущий статус

Современные двигатели имеют чрезвычайно низкий уровень отказов и способны развивать значительно большую мощность и тягу, чем двигатели ранних моделей. Это делает двухдвигательные самолеты более подходящими для дальних трансокеанских рейсов, что, в свою очередь, привело к смягчению ограничений ETOPS. Современные широкофюзеляжные двухдвигательные самолеты обычно имеют сертификат ETOPS 180, а в случае Boeing 777 и 787 – ETOPS 330 и даже ETOPS 370 для Airbus A350. Таким образом, наличие более двух двигателей больше не считается необходимым, за исключением очень больших или тяжелых самолетов, таких как Boeing 747, Airbus A380 (в компоновке с более чем 400 местами), Antonov An 124 и An 225, или для полетов через Южное полушарие, преимущественно в Австралию и обратно (которая пока не внедрила стандарт ETOPS 330), где наиболее прямой маршрут для некоторых рейсов пролегает над Антарктидой. С 2000 года производство трехдвигательных самолетов, как узкофюзеляжных, так и широкофюзеляжных, практически полностью прекращено и заменено двухдвигательными. По состоянию на 2016 год бизнес-джеты Falcon 7X, 8X и 900, использующие S-воздухозаборники, являются единственными трехдвигательными самолетами, находящимися в производстве. Трехдвигательные самолеты, снятые с производства, такие как 727, Ту-154, DC-10 и MD-11, получили вторую жизнь в качестве грузовых самолетов, а также в ограниченном чартерном, государственном и военном использовании. Однако, учитывая средний возраст трехдвигательных самолетов и пандемию COVID-19, большинство авиакомпаний отказались от четырехдвигательных и трехдвигательных самолетов в пользу более экономичных двухдвигательных. На сегодняшний день единственным широко используемым трехдвигательным самолетом является MD-11, в основном эксплуатируемый UPS Airlines и FedEx Express для грузовых перевозок. Для небольших частных и корпоративных операторов, где максимальная топливная эффективность часто менее важна, чем для авиакомпаний, выполняющих регулярные рейсы, трехдвигательные самолеты могут оставаться привлекательными благодаря отсутствию ограничений ETOPS и возможности взлетать с более коротких взлетно-посадочных полос, что обеспечивает доступ к большему количеству аэропортов. В результате значительное количество трехдвигательных самолетов, таких как недавно построенные Dassault Falcons, используются частными операторами и корпоративными авиационными подразделениями.

Modern engines have extremely low failure rates and can generate much higher shaft power and thrust than early types. This makes twinjets more suitable than they were before for long haul trans oceanic operations, resulting in eased ETOPS restrictions; modern wide body twin engine jets usually have an ETOPS 180 or (in the case of the Boeing 777 and 787) ETOPS 330 rating, and even ETOPS 370 for the Airbus A350. As such, having more than two engines is no longer considered necessary, except for very large or heavy aircraft such as the Boeing 747, Airbus A380 (over 400 seats in a mixed class configuration), Antonov An 124, and An 225, or for flights through the Southern Hemisphere, primarily to and from Australia (which has not yet adopted the ETOPS 330 standard), where the most direct route for some flights is over Antarctica. Since 2000, both narrow body and wide body trijet production has ceased for almost all commercial aircraft, being replaced by twinjets. As of 2016, the Falcon 7X, 8X, and 900 business jets, all of which use S ducts, are the only trijets in production. Trijets that are no longer in production, such as the 727, Tu 154, DC 10, and MD 11, have found second careers as cargo aircraft, as well as in limited charter, governmental, and military service. However, because of the average age of trijets and the COVID 19 pandemic, most non private operators have chosen to retire quadjets and trijets and replace them with more efficient and cost saving twinjets. Today, the only widely used trijet is the MD 11, mostly operated by UPS Airlines and FedEx Express in cargo service. For smaller private and corporate operators, where maximum fuel efficiency is often less important than for scheduled route operating airlines, trijets may still be of interest due to their immunity from ETOPS and the ability to take off from shorter runways and therefore have access to more airports. As a result, a sizeable number of trijets, such as the newly built Dassault Falcons, are in use by private operators and corporate flight departments.

Будущее триджетов

В 2008 году Airbus подала заявку на патент на новую конструкцию трехдвигательного самолета с двумя вертикальными стабилизаторами, в которой хвостовой двигатель, по всей видимости, имеет "прямую" схему расположения, аналогичную MD-11, однако неизвестно, будет ли эта конструкция разработана и запущена в производство. Тем не менее, предлагаемая конструкция планера с интегральным крылом Boeing X-48, проектное исследование Lockheed N+2 и сверхзвуковой бизнес-джет Aerion AS2 также предполагалось оснастить тремя двигателями. Программа AS2 была прекращена в мае 2021 года после закрытия компании Aerion Corporation. Изначально планировалось, что сверхзвуковой транспортный самолет (SST) Overture компании Boom Technology будет оснащен тремя двигателями, причем третий двигатель должен был быть установлен в хвостовой части с Y-образным воздухозаборником и воздухозаборниками по обе стороны кормовой части. Однако на авиасалоне в Фарнборо 19 июля 2022 года был представлен обновленный проект с четырьмя двигателями, расположенными под дельтавидным крылом.