Меняя парадигму авиастроения
Научный руководитель Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского академик РАН Сергей Леонидович Чернышев рассказал, как исследования и разработки ЦАГИ формируют ближние и дальние горизонты развития авиационного транспорта.
Ваши научные интересы лежат в области теории звукового удара, вы руководите исследованиями ЦАГИ по созданию до-, сверх- и гиперзвуковых ЛА нового поколения. Чего достигли российские ученые в этой области?
Недавно на международном конгрессе ICAS2018 в Бразилии я представлял обзор проектов в области сверхзвука от имени Международного форума по авиационным исследованиям (IFAR) — право сделать этот доклад предоставили России, отдавая дань нашим наработкам и квалификации в этой области. Мне передали материалы NASA (США), JAXA (Япония), DLR (Германия), ONERA (Франция) — ведущие национальные исследовательские центры. Доклад был посвящен степени готовности всего мирового авиационного сообщества к созданию сверхзвукового пассажирского самолета следующего поколения.
Можно констатировать, что технологический базис для этого подготовлен. Мы научились бороться с нашим главным врагом — звуковым ударом, шум от которого сейчас делает невозможными полеты над населенными районами. Человечество вплотную подошло к созданию сверхзвукового самолета с очень низким уровнем звукового удара: не громче звука захлопнувшейся двери автомобиля или среднего уровня шума в большом городе, около 65 децибел.
Определение приемлемого уровня звукового удара, который станет всеобщим стандартом, сейчас ведется в рамках международного проекта RUMBLE, где сложилась мощная кооперация европейских компаний. Сам проект является составной частью большой дорожной карты, посвященной сверхзвуковыми самолетами разработанной ICAO (International Civil Aviation Organization) при ООН — там устанавливаются и требования по шуму, которые Россия, как и другие члены ООН, обязана выполнять.
Какие задачи ставит проект RUMBLE перед ЦАГИ, как в их решении участвует МАИ? Чего уже удалось достичь?
Мы сильны в расчетных методах, которым посвящена часть проекта RUMBLE. Очень сильная команда специалистов в области численных методов работает в МАИ— вуз выступает полноправным партнером ЦАГИ по этим исследованиям. Мы ведем расчеты параллельно, часть задач в МАИ решают самостоятельно. Ректор МАИ, академик РАН Михаил Погосян занимался разработкой концепции сверхзвуковых пассажирских самолетов, будучи еще молодым руководителем, в 80-х годах. Отечественные исследования на эту тему идут уже давно, все это время мы повышали свою квалификацию и сейчас хорошо понимаем, как нужно проектировать такой самолет.
Все мировые разработки в области сверхзвуковой авиации сейчас останавливает отсутствие таких нормативов или какая-то страна продвинулась дальше других?
По нашим наблюдениям, сейчас все оттачивают инструментарий для создания «сверхзвука». Мы уже примерно понимаем зону допустимого звукового удара и стараемся предварительно разработать концепцию, форму летательного аппарата, который впишется в эти рамки. Но реальная работа начнется сразу после принятия норм. Американская компания ORION сделала заявление, что в 2023 году запустит в небо демонстратор или даже прототип сверхзвукового самолета, но в условиях отсутствия норм это большой риск. Возможно, американцы постараются пролоббировать нужные им нормативы.
У нас уже проработаны предварительные варианты, общий вид, концепт самолета. На «Гидроавиасалоне-2018» ЦАГИ представил один из вариантов— прототип легкого делового «сверхзвука» на шесть пассажиров. У этих самолетов очень необычный облик: фюзеляж с кривой осевой линией, с разными поперечными сечениями, крылья как у ласточки, с двойным V-образным углом. Самолет чем-то напоминает чайку. Двигатели находятся в хвосте и на верхней поверхности крыла, чтобы ударная волна от них не распространялась вниз. Эта уникальная отечественная компоновка— результат совместной работы компании «Сухой», ЦАГИ, ЦИАМ. Но есть и другие варианты и формы.
Гиперзвуковая гражданская авиация— это еще более смелый вызов всему авиастроению. На какой стадии здесь находятся отечественные разработки?
Гражданский гиперзвуковой самолет— это, конечно, пока очень далекая перспектива. Но работать надо уже сейчас, и один из проектов ЦАГИ (в нем участвует также несколько европейских компаний, его финансируют и Россия, и Европа) посвящен тому, чтобы продемонстрировать саму возможность длительного полета пассажирского самолета на скорости в 7–8 раз выше скорости звука. Мы должны убедиться, что потенциал мировой авиационной промышленности уже достаточен для того, чтобы выйти на этот рубеж.
Вероятно, первые сверхзвуковые пассажирские самолеты появятся в 30-х годах. Начнется все с самолетов бизнес-класса, для них уже сейчас есть рынок: слетать на переговоры в Китай и обратно за один день— мечта бизнесменов, за которую они готовы платить. Позже появятся и сверхзвуковые самолеты других классов. Технологии масштабируются, нужно только осуществить этот прорыв. Еще одна непростая задача— вписать «гиперзвук» в авиационную транспортную систему, ведь он будет летать выше дозвуковой авиации, с потолком полета от 14 до 16 км.
Какие технологии по гиперзвуку предлагает сейчас Россия, ЦАГИ? В чем состоит наш вклад?
Это технологии формирования аэродинамического облика летательного аппарата. Гиперзвуковые самолеты— самолеты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, где очень важно поймать воздух через воздухозаборник, доставить его в камеру сгорания, куда впрыскивается жидкий водород, добиться устойчивого горения и температур, которые смогут выдержать материалы, организовать выход из камеры сгорания и просчитать конструкцию, чтобы она выдержала перегрузки и изменение траектории. Такие научные проблемы мы решаем.
Одновременно идет изучение процессов горения водорода— надо обеспечить полноту сгорания за очень короткий промежуток времени. Как известно, продуктом окисления водорода является вода. При массовом использовании водорода в качестве топлива неизбежно появятся конденсатные следы, сливающиеся в искусственные облака, которые, в свою очередь, окажут влияние на окружающую среду. Эти моменты надо изучать, чтобы заранее просчитать экологические последствия использования водорода.
Техника и методика проведения сложных экспериментов в аэродинамических трубах, которые мы используем,— это тоже наша технология, которая вызывает большое уважение за рубежом. Нашим данным верят как эталону, и наши аэродинамические трубы задействованы в этом проекте.
Кроме того, в ЦАГИ производят расчетные оценки возможной траектории полета, трасс, эффективности применения гиперзвукового самолета для перевозки людей. Мы пытаемся ответить на вопрос, что даст такой транспорт— переворот в транспортной системе?
В каких российских проектах ЦАГИ принимает участие? Какие из них будут воплощены в самом ближайшем будущем, по результатам ваших испытаний?
Все, что в ближайшее время взлетит в небо России, проходит через ЦАГИ. Мы даем заключение на финальном этапе создания каждого самолета, активно участвуем в отработке решений по формам, конструкции, по системам управления, по акустике и шуму— работаем «на подхвате» у КБ.
Наш флагман гражданского авиастроения— инновационный самолет МС-21 с композитным крылом, которое впервые применено в этом классе самолетов (Airbus и Boeing до сих пор летают «на металле»). Мы участвовали во всех этапах этого проекта, в разработке аэродинамического облика самолета, а сейчас проводим его предсертификационные испытания. Самолет уже летает, мы изучаем данные его летных испытаний, вместе с разработчиками вводим последние улучшения, выполняем тонкую настройку. На сегодняшний день по характеристикам это лучший в мире самолет в своем классе.
Идет программа развития самолетов семейства SuperJet: SSJ100, SSJ75 с меньшим числом пассажиров, SSJ100 Long Range для полетов на большие дистанции и т.д. Отработка всех новых вертолетов (их аэродинамики, прочности, вопросов флаттеров и устойчивых колебаний, конструктивно-силовой схемы, систем управления)— тоже за нами.
Кроме того, ЦАГИ постоянно работает над концептуальными проектами новых самолетов. Недавно у нас прошли испытания модели тяжелого транспортного самолета интегральной схемы (ТТС-ИС), который должен преодолевать огромные пространства нашей страны, имея на борту до 500 т груза. Мы должны показать при помощи расчетов и испытаний в трубах, что такой самолет можно спроектировать. Формируется целый веер идей, которыми мы делимся с промышленностью.
С МАИ у нас складывается эффективное взаимодействие, совместно отрабатываем различные модели и алгоритмы управления летательными аппаратами. В нашем институте сотрудники через одного или даже чаще— выпускники МАИ разных поколений: и молодые ребята-инженеры, и опытные специалисты, и большие ученые.
Каким вы видите будущее авиации? Какие идеи по ее развитию вам представляются наиболее интересными?
Я думаю, человечество подошло к тому, чтобы поменять всю парадигму авиастроения, и это произойдет в ближайшие 10–20 лет. Авиатранспортная система уже слишком перегружена, возникли высокие требования к эффективности самолетов и в то же время к минимальному их влиянию на окружающую среду. Должны появиться новые летательные аппараты (например, «летающее крыло»: самолеты с очень высокой аэродинамической эффективностью, в которых крыло и фюзеляж объединены, нет привычного цилиндрического корпуса и крыльев с двигателями; они потребляют минимум топлива и меньше шумят).
Летать тоже будут по-другому. Самолеты станут беспилотными или с единственным членом экипажа, присматривающим за работой автоматической системы управления. Траектории полетов изменятся: никаких лишних кругов над аэродромом и медленного снижения «полками». Вся глобальная авиасистема перейдет на четырехмерные траектории: самолет должен будет появиться в конкретной точке с точностью до нескольких секунд, будет введен участок непрерывной посадки— continuous descent & take-off. Такой навигацией будет управлять автоматика, а не люди. Звучит фантастически, но так и будет.
Елена Панасенко
