Быстрее звука

Российские ученые и инженеры из Научного центра мирового уровня (НЦМУ) «Сверхзвук» продолжают разработку фундаментальных основ и инноваций для проектирования сверхзвукового самолета нового поколения.

Московский авиационный институт является одним из ключевых участников консорциума Научного центра мирового уровня «Сверхзвук». Также в консорциум входят ФАУ «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского», ФАУ «ЦИАМ им. П.И. Баранова», ФАУ «ГосНИИАС», Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН.

Задачами МАИ в рамках деятельности консорциума являются оптимизация аэродинамического облика будущего самолета, разработка методов снижения звукового удара, проектирование адаптивной системы управления и другие.

Аэродинамика

Работу над аэродинамическими характеристиками самолета ведут специалисты МАИ и ЦАГИ.

— Мы занимаемся созданием метода, который будет оптимизировать аэродинамический облик летательного аппарата, — рассказывает начальник лаборатории № 1 «Математическое моделирование» НИО‑101 МАИ Андрей Катаев. — Сейчас мы работаем над верификацией созданного нами модуля. Выполняем серию расчетов в программных комплексах — например, в отечественной системе «Логос». Сравниваем результаты расчетов с теми модулями, которые мы разработали самостоятельно.

Метод расчета — это доработанные панельные методики, которые совмещены с искусственными нейронными сетями для более точного расчета самих интегральных характеристик.

— Главная цель моделирования — повысить аэродинамическое качество воздушного судна, чтобы уменьшить расход топлива и сделать самолет более эффективным,— отмечает Андрей Катаев. — Чем меньше расход топлива, тем выше экономическая эффективность воздушного судна.

Система управления

Разработкой системы управления занимается совместная команда специалистов ЦАГИ, МАИ, Государственного научно-исследовательского института авиационных систем и Москов‑ ского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Для этой работы на базе НЦМУ «Сверхзвук» создана лаборатория «Искусственный интеллект и безопасность полета», которую возглавляет заведующий кафедрой 106 «Динамика и управление полетом пилотируемых ЛА» МАИ Александр Ефремов.

Команда создала и предварительно проверила один из самых эффективных вариантов управления сверхзвуковым лайнером. Это адаптивная система управления с онлайн-­идентификацией параметров движения самолета.

Такая система позволяет избежать многих рисков во время полета. Например, скорость сверхзвукового самолета в широком диапазоне часто меняется. Когда это происходит, меняется вся динамика самолета. Из-за этого нужно перенастраивать параметры системы управления с учетом широкого диапазона скоростей. Адаптивная система управления справляется с этим автоматически.

В процессе полета могут произойти отказы — например, датчиков или органов управления. Это также приводит к резкому изменению динамики летательного аппарата. Сверхзвуковой самолет очень чувствителен к таким факторам из-за своей статической неустойчивости. Если произошел какой-то отказ, управляемость самолета резко ухудшается, что может привести к аварийной ситуации.

Управляемость сверхзвукового самолета зависит от приводов. Команда разработки придумала инженерное решение, которое поможет предотвращать так называемые колебания, вызываемые летчиком.

— Большая нагрузка в статически неустойчивом самолете ложится на приводы, они должны быть очень скоростными, — говорит Александр Ефремов. — Если не учитывать это и ставить приводы, которые используются для обычных самолетов, это может привести к неприятным эффектам. Их у нас называют колебаниями, вызываемыми летчиком. Быстро отклоняя ручку, летчик возбудит в системе расходящиеся колебания, что приведет к катастрофе. Поэтому приводы необходимо защищать. В МАИ предложены префильтры, которые даже при потребных скоростях отклонения приводов, превышающих их возможности, гарантируют устойчивый управляемый полет без возникновения расходящихся колебаний с сохранением высокоточного процесса пилотирования.

Ученые и инженеры МАИ предложили еще один способ предотвращения ошибки пилотирования — с помощью активного рычага управления воздушным судном. Выходной сигнал рычага пропорционален усилию, прикладываемому к нему. Специалисты МАИ провели исследования и установили, что активный рычаг снижает возможность ошибки пилотирования в 2,3 раза.

Слепая кабина и борьба с турбулентностью

Команда лаборатории «Искусственный интеллект и безопасность полета» также продумывает структуру и устройство кабины сверхзвукового самолета. Прямого видения пространства впереди самолета не предусмотрено, и одно из решений — техническое зрение, основанное на синтезе традиционных и совершенно новых технологий. Работает техническое зрение таким образом:

• наружу вывешивается камера, которая фиксирует все вокруг самолета;
• камера передает изображение на дисплей в кабине;
• поверх этой картинки выводится прогнозный дисплей, который разрабатывается в МАИ.

— Прогнозный дисплей позволяет очень точно пилотировать — летчик видит туннель, в котором необходимо держать воздушное судно. Монитор показывает ему траекторию, скорость ветра и другие данные,— поясняет профессор Александр Ефремов.— Задача — чтобы летчик видел не просто текущее положение самолета, но и прогноз развития своей траектории. Современные вычислители позволяют синтезировать в режиме реального времени аэродром и все объекты.

Важное преимущество слепой кабины и прогнозного монитора — минимизация негативных последствий атмосферной турбулентности.

— Мы провели исследования и убедились, что эта технология позволяет бороться с вихрями от впереди летящего самолета, со сдвигом ветра и другими подобными явлениями, — рассказывает Александр Ефремов. — Это распространенные причины катастроф. Когда такие явления встречаются, самолетам запрещают делать посадку или взлетать. Это приводит к задержкам в аэропортах, и, как следствие, авиакомпании теряют большие деньги. Прогнозный дисплей позволяет летчику совершенно спокойно совершить посадку в неблагоприятных условиях.

Оценка звукового удара

Сверхзвуковой самолет создает ударную звуковую волну большой мощности.

— Убрать звуковую волну невозможно, но реально ее минимизировать различными методами, — подчеркивает Андрей Катаев.— Например, с помощью отражения или рассеивания шума в разные стороны за счет подбора различных наклонов плоскостей, входящих в аэродинамическую поверхность летательного аппарата.

Изучением профилей ударной волны и имитацией звукового удара занимаются команды специалистов ЦАГИ и МАИ. Они разрабатывают решение для кабины самолета с целью снизить звуковой удар от сверхзвукового судна на местности.

Прочность

За надежность конструкций будущего самолета отвечает команда ученых из МАИ, Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН и ЦАГИ.

Команда разработки решила использовать пробионические конструкции. В основе этого решения лежит построение конструктивно-силовых схем самолета по принципу скелета животного. Каждая часть скелета адаптирована под определенные нагрузки.

— Мы пытаемся позаимствовать архитектуру костных скелетов животных или капиллярной сети растений, чтобы адаптировать их и получить конструктивно-силовые схемы агрегатов,— объясняет начальник лаборатории № 2 «Композиционные материалы и прочность конструкции» НИО-101 МАИ Егор Назаров.— Уже разработано два варианта пробионических конструкций крыла сверхзвукового самолета. Мы исследовали их с точки зрения массы и прочности. Также мы разработали универсальный метод микромеханического и послойного прочностного моделирования элементарных и конструктивноподобных образцов из полимерных композитов.

Пробионические конструкции помогают снизить вес агрегатов воздушного судна и повысить степень их интегральности. Это очень важно для сверхзвукового самолета.

Также команда разработки занимается созданием системы мониторинга состояния конструкции самолета, построенной по принципам решетки Брэгга. Специалисты изучают технологический процесс ударной лазерной проковки.

Моделирование вредных выбросов

За снижение распространения загрязнений от летательных аппаратов отвечают специалисты МАИ и Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова.

— Мы создаем программный комплекс для математического моделирования процессов загрязнения в зоне аэропорта, который позволяет рассчитывать концентрацию вредных веществ в пространстве от множества летательных аппаратов с учетом рельефа местности, карты ветров и так далее, — рассказывает Андрей Катаев. — Сейчас мы занимаемся разработкой графического интерфейса, где можно задавать параметры модели: город, воздушные суда, различные объекты.

Команда создала систему, которая позволяет моделировать сцену с городом и самолетами. В нее можно загрузить множество объектов: здания, взлетную полосу, элементы аэропорта, модели автомобилей. Можно обозначить зону аэропорта, отметить рельеф, указать допустимый радиус распространения загрязнений.

— Все это можно расставить по нужным позициям и задать расчет,— поясняет Катаев.— На следующем этапе мы планируем разработку комплекса, который позволит выполнять сами вычисления.

Цель программы — глобальная оптимизация сверхзвукового пассажирского самолета. С ее помощью будет удобно вычислять оптимальные траектории с точки зрения местности: как пассажирскому самолету наиболее выгодно подходить к аэропорту, чтобы оказывать наименее вредное воздействие на город и места, где живут люди.

Проектирование самолета

Команды ЦАГИ и МАИ разработали несколько вариантов формы воздушного судна в 3D.

— Сейчас идет поиск облика самолета,— говорит Андрей Катаев.— Смотрим, какие двигатели можем поставить, какое оборудование использовать, сколько это будет весить, на какую дальность будет летать. Поэтому мы изучаем формы будущего самолета в 3D, прорабатываем различные варианты технологий, компоновки воздушного судна, связанные с аэродинамическим качеством, со звуковым ударом и так далее.

Площадка для диалога

В сентябре 2022 года на базе федеральной территории «Сириус» в городе Сочи состоялся научный форум «Национальная экосистема высокоскоростного транспорта», организаторами которого выступают ЦАГИ и МАИ.

В рамках деловой программы участники обсудили фундаментальные проблемы создания сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения и перспективы скоростного транспорта. Также МАИ представил одну из своих инновационных разработок — стенд прототипирования человеко-машинного интерфейса в формате кабины сверхзвукового пассажирского самолета с одним пилотом.

Работы над проектом ведут два подразделения МАИ: Центр компетенций «Авионика» и лаборатория № 3 «Интеграция авионики» НИО­-101. Предлагаемый комплексный подход, в котором используются различные современные технологии, позволит повысить качество взаимодействия «самолет — летчик — безопасность», а также снизить расходы на разработку или модернизацию кабины экипажа воздушного судна.

Игорь Новиков