Авиация России

При разработке нового самолёта всегда проводится сравнение проекта с отечественными и зарубежными аналогами. Для научных исследований также важно знать требования будущих эксплуатантов и пассажиров. На основе изучения тенденций развития общества можно прогнозировать требования к авиатранспортной системе в ближне- и дальнесрочной перспективах.

Ведущие авиационные институты России предлагают решения, которые смогут удовлетворить все возрастающим требованиям к отрасли.

Отношение общества к авиации со временем меняется. Если раньше стремились просто к увеличению скорости и пассажировместимости, то сейчас на первый план вышли безопасность полёта, низкий расход топлива, эффективность, экологическое совершенство самолётов. Человеческий фактор, в 80% случаев являющийся причиной катастроф, должен быть минимизирован или полностью исключен. Кроме этого, самолёты будущего должны причинять меньше вреда окружающей среде. Важными являются и меры по уменьшению шума самолёта: города разрастаются и подходят вплотную к аэропортам, а людям, живущим вблизи них, хочется покоя.

Образ будущего

В области гражданской авиации целевыми индикаторами при разработке нового самолёта являются показатели расхода топлива, аварийности, шума, эмиссии двигателя — уровней выбросов двуокиси углерода и оксидов азота. Ожидается, что каждые десять лет эти показатели должны сокращаться в разы.

Поэтому целью проводимых институтами отрасли исследований является поиск таких технологических решений, которые позволят достичь целевых индикаторов. Для успешного решения этой задачи необходимо организовать масштабные, хорошо скоординированные исследования по всем направлениям авиационной науки. Именно для этой цели в 2014 году был создан Национальный исследовательский центр (НИЦ) «Институт им. Н. Е. Жуковского», который объединил несколько ведущих авиационных НИИ России.

Деятельность НИЦ будет служить технологическим стержнем в новой государственной программе «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы». Общий объём финансирования научно-технологического раздела составит примерно 268 млрд. рублей.

Основополагающим документом для этого плана стал форсайт — прогноз развития в ближайшее десятилетие основных научных направлений и технологий, обладающих высоким уровнем готовности для использования в авиастроении. Основными исполнителями форсайта стали научные институты отрасли — ЦАГИ, ЦИАМ, ВИАМ, ГосНИИАС, СибНИА, ЛИИ им. М. М. Громова, ГкНИПАС, ГосНИИ ГА, НИИСУ, НИАТ, НИИАО, ДКБА, а также НИУ «Высшая школа экономики».

Форсайт - это 300-страничный документ, на базе которого и разрабатывается план деятельности всей российской авиационной науки.

Кроме того, по заданию Минпромторга России ЦАГИ и ряд других авиационных институтов совместно с Высшей школой экономики разработали «дорожную карту» научно-технологического развития в авиастроении.

В области гражданской авиации положение вещей наглядно иллюстрирует прогноз снижения расхода топлива на пассажиро-километр (пкм) для узкофюзеляжных самолётов в зависимости от пассажировместимости воздушного судна. У летающих сегодня семейств Airbus 320 и Boeing 737NG этот показатель лежит в пределах 18,5–22 г/пкм. Ремоторизированные Airbus 320 NEO и Boeing 737MAX покажут 16–18 г/пкм. По расчётам, показатель российского МС‑21 будет на уровне 15–15,5 г/пкм.

Для самолётов так называемого поколения «N+1» мировое сообщество ожидает лучших результатов — расход должен быть снижен до 12–14 г/пкм. Это те самолёты, которые должны войти в эксплуатацию после Boeing 787 на рубеже 2020-х годов.

«Труба с крылом» себя изжила

Создание летательных аппаратов — многодисциплинарная задача, затрагивающая многие области авиастроения: планер и его конструкцию, двигатели, материалы, авионику и другое авиационное оборудование. Поэтому и форсайт разделён на пять разделов:

• аэродинамическая компоновка планера;
• силовая установка;
• материалы и прочность конструкции;
• авиационное оборудование;
• методы и технологии исследований.

В первом разделе анализируется и даются прогнозы по развитию научных исследований и технологий в области аэродинамического облика летательного аппарата. Какие появятся новые компоновочные решения, каковы особенности расположения двигателей? Кроме этих вопросов оцениваются особенности эксплуатации самолётов на аэродромах, в том числе варианты с укороченными взлётом и посадкой.

Магистральные самолёты в ближайшие 10–15 лет должны значительно измениться. «Компоновка “труба с крылом” с висящими на нем двигателями себя практически изжила, — считает генеральный директор ЦАГИ Сергей Чернышёв. — Больше из неё “выжать” для улучшения характеристик самолётов вряд ли что удастся. Единственный оставшийся почти нетронутым резерв улучшения — снижение интегральной силы трения». На подавляющей части поверхности самолёта, по словам Чернышёва, течение в пограничном слое является турбулентным. А трение в турбулентном течении в 5–6 раз выше, чем в ламинарном потоке. Поэтому надо создать такие формы самолёта и, может быть, даже организовать на отдельных участках поверхности управление пограничным слоем с помощью его отсоса или другими средствами, чтобы обтекание самолёта или его крыла и оперения было ламинарным.

Других значительных резервов улучшения аэродинамической эффективности самолёта традиционной компоновки больше не осталось.

«Поэтому весь мир ищет новые варианты, — рассказывает Чернышёв. — Мы гордимся тем, что ЦАГИ 35–40 лет назад впервые предложил компоновку, которую позже в компании Boeing назвали “blended wing body” — смешанная компоновка “крыло–фюзеляж”. Мы его называем просто “летающее крыло”». Эта компоновка позволяет примерно на четверть улучшить аэродинамическое качество самолёта.

По мнению ученых ЦАГИ, это революционное изменение облика летательного аппарата произойдёт на глазах у нынешнего поколения молодых специалистов авиационной отрасли и с их участием. На самолёте в схеме «летающее крыло» возможны разные подходы к интеграции двигателей и планера. Например, можно рассмотреть верхнее расположение турбореактивных двигателей с ультрабольшой степенью двухконтурности для значительного снижения шума, в том числе за счёт эффекта экранирования. Возможно использование «гребёнки» из электрических двигателей и одного большого двигателя-генератора электроэнергии. Наибольшие выигрыши в эффективности самолёта в схеме летающее крыло реализуются при полётах на дальние дистанции, т. е. для дальнемагистральных самолётов.

Сегодня рассматриваются новые концепции и в классе региональных самолётов. Например, в качестве перспективного демонстратора технологий ЦАГИ совместно с ЭМЗ им. В. М. Мясищева изучает проект самолёта с эллиптическим фюзеляжем М‑60 разработки этого предприятия.

Ещё один класс воздушных судов — самолёты для местных авиалиний. В России он практически исчез. ЦАГИ выполнил работу, где ещё раз попытался взвесить требования рынка, ожидания перевозчиков. Институт определил технологическое лицо этого самолёта. Так появилась концепция лёгкого многоцелевого самолёта нового поколения на 9–19 мест.

Кроме того, в ЦАГИ разработана новая концепция делового реактивного самолёта малой размерности. Главная особенность этой компоновки — фюзеляж каплевидной формы, диаметр которого превышает рост человека.

Пассажир может встать в полный рост, пройти по салону, размяться. Тем самым обеспечивается непревзойденный уровень комфорта среди самолётов данной размерности.

Есть и другие интересные новации в этой компоновке, например — ламинарное крыло малой стреловидности. «До сих пор прямое крыло означало низкую скорость, — поясняет Сергей Чернышёв. — Но деловые люди хотят летать быстро. У новой концепции бизнес-джета ЦАГИ за счёт грамотного использования правила площадей и тонкой “настройки” профиля крыла крейсерская скорость, подтверждённая в многочисленных испытаниях в аэродинамических трубах, соответствует числу Маха 0,82–0,84». Такой скорости достигают только современные дальнемагистральные лайнеры.

Отмечено в форсайте и сверхзвуковое направление. Специалисты ЦАГИ, компании «Сухой» и ряда других предприятий разработали концепцию самолёта административного класса на 10–12 пассажиров, обладающего низким уровнем звукового удара и приемлемыми аэродинамическими характеристиками при крейсерском числе М = 1,8. Такой самолёт сможет пролетать на сверхзвуковой скорости над населенными пунктами, не беспокоя проживающих там людей. Тем самым значительно повышается привлекательность данного проекта.

Двигательные тенденции

Тенденции развития двигателей предусматривают повышение степени двухконтурности (более 85), степени сжатия в компрессоре (πкΣ более 40) и КПД узлов, что даёт снижение удельного расхода топлива на 10–12%. Кроме того, применение новых материалов и увеличение температуры перед турбиной двигателя (более 1800 К) также приводит к повышению его топливной эффективности. Подобные решения уже применяются при создании российского двигателя ПД‑14, который будет установлен на самолёте МС‑21 и планируется к использованию на других перспективных летательных аппаратах.

Перспектива более отдаленная — создание биротативного турбовинтовентиляторного двигателя, или двигателя с открытым ротором. «Это будут довольно экономичные двигатели, хотя их главный недостаток — повышенный шум, — уточняет Сергей Чернышёв. — Однако компоновочные решения, в которых двигатель размещается над уплощенной верхней поверхностью хвостовой части фюзеляжа, позволяют снизить шум за счет эффекта экрана».

В качестве примера ЦАГИ вместе с европейскими коллегами проработал концепцию «зеленого» регионального самолёта с использованием двигателей с открытым ротором. Аэродинамическая компоновка имеет крыло большого удлинения, оптимизированное на скорость, соответствующую числу Маха 0,74. По результатам исследований, расход топлива может быть снижен по сравнению с существующими самолётами такого класса на 11–15% за счёт применения двигателей с открытым ротором и ещё на 7–8% за счёт использования крыла большого удлинения. Размещение силовой установки на радиальных пилонах с учётом экранирования фюзеляжем и U-образным хвостовым оперением позволяет снизить уровень шума на 5 децибел.

Для отдаленной перспективы также рассматривается концепция двигателей с разделенными контурами. Она допускает больше вариантов встраивания двигателей в планер самолёта, например в корневую часть крыла. Эта концепция в особенности выигрышна для самолёта в схеме «летающее крыло».

Не все так просто с композитами

«Мы живем в эпоху, когда происходят революционные изменения в области материаловедения, — говорит генеральный директор ЦАГИ. — В конце 20-х — начале 30-х годов прошлого века человечество перешло при создании самолётов от дерева к металлу. Сейчас идет массовый, продуманный переход от металла к композитам. По прогнозам многих ученых, технологов, конструкторов будет и четвертый этап, когда степень интеграции металлов и композитов в конструкции будет настолько высока, что нельзя будет точно сказать, из чего сделан самолёт — из металла или композитов. Это будет что-то выращенное специально под конкретную задачу и для конкретных нагрузок».




Главной целью применения композиционных материалов сегодня является снижение веса конструкции планера на 15–20%, повышение ресурса в 1,5–2 раза, повышение безопасности по прочности в несколько раз, сокращение трудоёмкости и стоимости производства элементов планера при одновременном снижении расходов на техническое обслуживание и ремонт. Новые самолёты Boeing 787 и Airbus 350 имеют почти полностью композитный планер — крыло, оперение и фюзеляж изготовлены из силовых композитов. Масса использованных композиционных материалов составляет около 50% от общей массы воздушного судна.

«Однако сегодняшние реалии таковы, что вес конструкции этих самолётов остался практически таким же, как если бы они были сделаны из металла, — утверждает Чернышёв. — Главная причина в том, что пока нет достаточных знаний для проектирования высоконагруженных композитных конструкций».

Например, недостаточно изучены вопросы климатического воздействия на прочность такой конструкции при длительной эксплуатации. Возьмем, к примеру, самолёт, который эксплуатируется в тропиках. Композитные конструкции имеют свойство впитывать влагу в небольших количествах.

При полёте же самолёта на крейсерском эшелоне, где температура окружающего воздуха –60° C, влага замерзает и тем самым стремится разрушить конструкцию изнутри.

«Это необходимо учитывать в расчётах на прочность и для определения ресурса самолёта, — отмечает Чернышёв. — Ведь срок надёжной эксплуатации современного пассажирского самолёта не один-два года, а минимум 20 лет. Отсутствие проверенных в эксперименте и длительной эксплуатации методов проектирования силовых композитных конструкций приводит к необходимости перестраховываться по условиям прочности и закладывать больший запас прочности, чем на самом деле требуется».

Сегодня, наряду с широким применением композитов в конструкции планера, идёт интенсивная широкомасштабная работа по создания адекватных верифицированных методов проектирования и всей нормативной базы. С этой целью используются имеющиеся и создаются новые экспериментальные стенды. Так, в ЦАГИ недавно появились климатическая прочностная камера для испытания натурных элементов композитных конструкций.

Создан стенд для испытания на прочность натурных отсеков композитного фюзеляжа, имеющего нетрадиционную конструктивно-силовую схему в виде сетки. В нем нет стрингеров и шпангоутов. Такие «вафельные» ячеистые конструкции давно уже применяются в ракетно-космической промышленности.

Они позволяют существенно уменьшить вес, сохранив при этом прочностные свойства фюзеляжа. Программа исследования изогридного фюзеляжа идёт полным ходом, получаемые данные вселяют надежду на значительное снижение веса до 18–20% при обеспечении надлежащей прочности конструкции.

Среди наиболее значимых прикладных работ комплекса прочности ЦАГИ, проведенных за последнее время, можно отметить такие, как определение параметров конструкции крыла обратной стреловидности самолета С-37, обоснование прочности при климатических воздействиях крупногабаритных композитных агрегатов Ту-204, анализ форм потери устойчивости элементов фюзеляжа Ил-114.

Авиационное оборудование и инструментарий

Современные системы обладают значительным интеллектом. Сегодня даже шасси представляют собой наукоёмкий продукт, в котором имеется свой процессор, анализирующий, например, характеристики амортизации в зависимости от свойств полосы.

Обеспечение безопасности полётов — одна из главных задач создателей самолётов и авионики нового поколения. Применение на борту высокоинтеллектуальных систем, иногда говорят «умный борт», приводит к повышению комфорта управления самолётом, а значит и к снижению усталости лётчика, к более точному выдерживанию траектории полёта и, в конечном счёте, к повышению безопасности полётов за счёт ограничения предельно допустимых траекторных параметров.

Более «умные» бортовые системы должны сами решать, как управлять самолётом. И это уже сегодняшний день. Иллюстрацией такого подхода может служить установленная на самолёте МС‑21 система на базе интегральной модульной авионики, которая позволяет оценивать лётную ситуацию и обеспечивать оптимальное траекторное управление. Например, при обнаружении по курсу грозового фронта эта система проведёт анализ лётной ситуации и обнаружит конфликты различной природы, сформирует оптимальные траектории для разрешения конфликтов, проведёт их анализ и выберет единственную траекторию для рекомендации экипажу.

В пятом разделе форсайта описаны методы и технологии исследований - весь инструментарий, который есть в руках у специалистов — инженеров, конструкторов, учёных. Это и всевозможные расчётные программы, и экспериментальная база, с помощью которой получают новые научные результаты.

Конечно, мир постоянно меняется, появляются новые тренды, технологии, материалы. «Поэтому мы понимаем, что нереально подготовить прогноз и следующие десять лет по нему жить, ничего не меняя, — говорит Сергей Чернышёв. — Авторы форсайта считают, что каждые два года необходимо проводить ревизию с целью уточнения его положений в соответствии с новыми реалиями».

По материалам журнала ОАК "Горизонты" №4 2015 г. и официального сайта ЦАГИ

4 213