Почему для будущего России пассажирский самолет МС-21 важнее, чем истребитель 5-го поколения
8 июня 2016 года в Иркутске общественности был представлен первый экземпляр МС-21 — «Магистрального самолета XXI века». Его изготовление ведет корпорация «Иркут», до этого производившая в основном военную технику, к примеру истребители Су-30. Самолет разрабатывается ОКБ им. Яковлева, и первоначально он назывался Як-242. Почему же теперь у него появилось столь пафосное название?
На протяжении почти всего XX века «локомотивами» технологического развития авиации были военные проекты. Именно для них разрабатывались самые передовые идеи, которые затем внедрялись в гражданской авиации. Более того, многие пассажирские самолеты, по сути, являлись результатом военных разработок. Например, первый советский реактивный пассажирский самолет Ту-104 — это переделанный бомбардировщик Ту-16, а знаменитый американский тяжеловоз Boeing-747 родился из проекта военно-транспортного самолета.
Ситуация изменилась в последней четверти XX века. Воздушные перевозки в мире стали развиваться такими темпами, а производство пассажирской авиатехники начало приносить такие прибыли, что именно заказы компаний-авиаперевозчиков превратились в основной источник финансовых поступлений для авиастроителей. Всем известен закон Мура, описывающий бурный прогресс в компьютерной технике: каждые два года удваивается число транзисторов на интегральной схеме. Подобный закон удвоения существует и в гражданской авиации: с 1970-х годов мировой пассажирооборот воздушного транспорта удваивается каждые 15 лет. Если в прошлом веке невозможно было развитие авиации без перспективных военных программ, то сегодня гарантом стабильного прогресса стал именно гражданский сектор. Более того, именно в пассажирских авиалайнерах в настоящее время применяются самые передовые технологии. Касается это, в частности, и МС-21, в котором используются более прогрессивные разработки, чем даже в российском истребителе 5-го поколения Т-50.
Мировая «гражданская» война
Одно из главных преимуществ МС-21 - более широкий, чем у конкурентов салон © Марина Лысцева, ТАСС Лучше всех к новому положению на мировом рынке адаптировались два гиганта авиационной индустрии — американский Boeing и западноевропейский Airbus. Например, самый массовый сегмент — среднемагистральных самолетов вместимостью от 130 до 230 пассажиров и дальностью до 5000 км — полностью оккупировали две модели этих компаний: Boeing 737 и A320. Только в 2015 году этих самолетов было поставлено заказчикам 986 шт. И альтернативы им в мире нет.
Рынок полностью заняли Boeing и Airbus, но в этом, как ни странно, и состоит главная надежда для МС-21. Продукция конкурентов раскуплена на многие годы вперед. Только на Boeing-737 MAX, последнюю модификацию американского бестселлера, сделано 2499 заказов, а на новейший Airbus A320neo — 2583 заказа. Между тем потребность в самолетах этого класса оценивается в 13 тыс. в период до 2025 года, и МС-21 нацелен на 10% этого «пирога». К примеру, авиакомпаниям-новичкам, желающим летать на новых, а не подержанных самолетах, придется либо ждать своей очереди долгие годы, либо покупать МС-21.
Чем же МС-21 намерен привлечь потенциальных покупателей? Во-первых, наш самолет дешевле западных аналогов, поскольку лишь на 40% состоит из иностранных комплектующих и собираться будет в Иркутске, а не в Сиэтле или Тулузе. Boeing-737 MAX можно заказать в ценовом диапазоне 90,2–116,6 млн долларов. Airbus A320neo стоит от 97,5 до 124,4 млн долларов. Ценник на МС-21 — 72–85 млн долларов. Пока МС-21 предлагают с американскими двигателями PW 1400G, практически теми же самыми, что устанавливают и на основные конкуренты, но затем появится вариант с первым отечественным авиадвигателем 5-го поколения ПД-14, который сделает покупку МС-21 еще более привлекательной по цене и откроет самолету дорогу к таким заказчикам, как Минобороны России, ФСБ, МЧС и прочие госструктуры, чьи потребности оцениваются как минимум в несколько десятков самолетов этого класса.
Ситуация, правда, усугубляется тем, что на рынок в ближайшие годы выходит китайская новинка того же, что и МС-21, класса — СОМАС С919. Стоимость китайского самолета еще неизвестна, но мало сомнений, что она будет еще ниже, чем у МС-21. Но этот самолет нацелен в основном на внутренний китайский рынок, который должен вырасти к 2034 году в четыре раза, более чем до 6000 самолетов. Что касается МС-21, то он способен конкурировать с признанными авторитетами на любых рынках. При меньшей, чем у западных аналогов, цене наш самолет будет превосходить конкурентов по некоторым важным параметрам, а в его конструкции использованы технологии, которых нет ни у Boeing, ни и Airbus, не говоря уж о китайском сопернике.
Борьба с узостью
Самолеты этого класса называют узкофюзеляжными. В отличие от широкофюзеляжных аэробусов большой вместимости (более 250 человек), чьи пассажирские салоны оснащены двумя проходами между тремя рядами кресел, салоны узкофюзеляжных самолетов имеют один проход. Те, кто летал, знают, что разойтись в нем со стюардессой и ее тележкой — настоящая проблема. Да и плечо соседа по ряду, особенно если он приличной комплекции, ощущается вполне явственно. При этом никаких аэродинамических ограничений для того, чтобы сделать узкий фюзеляж чуть шире, не существует. Однако есть технологические препятствия: первый полет Boeing 737 совершил в 1967 году, А320 впервые поднялся в небо в 1987 году, и они спроектированы в соответствии со стандартами комфорта своего времени. Производители и рады бы сегодня сделать их шире, однако в условиях массового выпуска это потребует гигантских затрат на переделку оснастки. Поэтому даже самые новейшие модификации этих лайнеров, с которыми, собственно, и предстоит конкурировать МС-21, имеют прежнюю ширину фюзеляжа: 3,75 м — у Boeing 737 MAX и 3,96 м — у А320neo.
В Boeing 737 устанавливают кресла шириной 17 дюймов, в А320 — 18 дюймов, а в МС-21 — 19 дюймов и шире
Диаметр же фюзеляжа МС-21, который проектировали с нуля, сразу сделали размером 4,06 м. В Boeing 737 устанавливают кресла шириной 17 дюймов, в А320 — 18 дюймов, а в МС-21 — 19 дюймов и шире, обеспечивая пассажиром комфорт на уровне широкофюзеляжного лайнера. Шире в МС-21 сделан и проход между креслами, а это не только удобство, но и сокращение срока заполнения пассажирами авиалайнера в аэропорту. Только за счет этого МС-21 будет находиться на земле на 20% меньше времени, с соответствующим сокращением аэропортовских сборов и прочих расходов. Ведь самолет приносит прибыль, только когда летает. На земле владельцу от него одни убытки.
Но есть у МС-21 и еще одно технологическое преимущество. Недаром презентация в Иркутске проходила в черных тонах: черными были транспаранты, занавеси, драпировки. Тон этому маркетинговому перформансу задало «черное» крыло, которое названо так по цвету углепластика, из которого изготовлено. Именно эта технология не только ставит российскую новинку на один уровень с ведущими западными аналогами, но даже слегка приподнимает отечественный авиапром над конкурентами.
Материал XXI века
На первых экземплярах МС-21 будет устанавливаться новейший американский двигатель PW 1400G © Марина Лысцева, РИА Новости Композиты — это материал XXI века. От металлов их отличает большая прочность при меньшем весе, что особенно важно именно в авиации. Эти материалы называют композиционными, потому что они представляют собой композицию из матрицы (обычно это полимерная смола, но в этой роли могут выступать и металлы) и наполнителя (чаще всего это стекловолокно, то есть кремниевые нити, или еще более прочное углеродное волокно, но могут применяться и другие вещества — керамические частицы, металлические кристаллы, нанопорошки и т.д.). Матрица обеспечивает цельность конструкции, определяет ее форму, а наполнитель отвечает за прочность. Металлы равнопрочны в любом направлении, однако обшивка крыла, к примеру, работает в основном на изгиб и кручение, а на сдвиг в поперечном направлении больших нагрузок в ней не возникает. Получается, что слой металла в продольном направлении должен быть толще, а в поперечном — тоньше, что невозможно. Располагая же нити в матрице по определенной схеме, конструкторы увеличивают прочность детали только в направлении действия основных сил. Подобное распределение ролей между матрицей и наполнителем дает выигрыш в удельной прочности и дает возможность уменьшить массу изделия.
В результате композиты позволяют создавать конструкции, которые невозможно изготовить из металла. Пример — крыло обратной стреловидности на экспериментальном истребителе Су-47 «Беркут». В полете на таком крыле возникает крутящий момент, который начинает стремительно увеличиваться при изгибе конструкции и в конце концов ломает ее. Чтобы этот момент не увеличивался до запредельных величин, крыло должно быть очень жестким, то есть не изгибаться при воздействии набегающего потока. Конструкция из металла с требуемой жесткостью получалась слишком тяжелой. А вот легкое углепластиковое крыло прекрасно работало на «Беркуте» и не ломалось.
В применении к гражданской авиации углепластик позволяет изготовить крыло большего удлинения, то есть более длинное при равной толщине профиля. Внимательный пассажир, глядя в иллюминатор, видит, что крыло самолета в полете на самом деле не прямое, а изогнуто под действием аэродинамических сил. Ведь многотонный фюзеляж практически висит в воздухе на этих крыльях. А в условиях турбулентности тот же внимательный пассажир может увидеть и вовсе пугающую картину: концы крыла совершают машущие колебания с амплитудой в 1–2 метра. Пугаться не надо. Все рассчитано. Гибкая металлическая конструкция выдерживает эти нагрузки, но сделать такое крыло еще длиннее не удастся. Оно сломается, если не проектировать его более толстым. А вот длину жесткого углепластикового крыла можно увеличить, не изменяя его толщину. Или при той же длине сделать его более узким, а значит, имеющим меньшее аэродинамическое сопротивление. Только за счет этого самолет с «черным» крылом расходует на 5–8% меньше топлива, чем алюминиевый аналог. Создатели Boeing 737 MAX и А320neo хвалятся, что их самолеты за счет новейших двигателей будут потреблять на 15% меньше топлива, чем ныне выпускаемые модификации этих моделей. У МС-21 будет тот же новейший американский двигатель, а «черное» крыло позволит расходовать топлива еще как минимум на 5% меньше, чем западные аналоги.
Наша страна всегда была в числе лидеров по использованию композиционных материалов. Еще 30 лет назад только четыре державы обладали технологией выпуска качественной углеродной нити — тоньше волоса, но прочнее стали: СССР, США, Великобритания и Япония. 18-метровые створки грузового отсека советского многоразового корабля «Буран» изготовлялись именно из углепластика.
Это лидерство во многом сохраняется и сегодня. Отечественные твердотопливные стратегические ракеты на самом деле «ткут» из стекловолокна, а их двигатели «шьют» из углеткани. Крыло отечественного истребителя Т-50 также «черное» — из углепластика. На МАКС-2013 специалисты ракетно-космической корпорации «Энергия» с гордостью демонстрировали алюминиевые панели сложной формы для перспективного пилотируемого космического корабля. Технологией изготовления таких панелей, кроме «Энергии», в мире обладал только Boeing, применивший ее в новом американском транспортном пилотируемом корабле CST-100 Starliner. И вот на МАКС-2015, генеральным спонсором которого, кстати, традиционно выступает банк ВТБ, «Энергия» показала уже «черный» корпус перспективного пилотируемого корабля «Федерация», целиком изготовленный из углепластика. Такими технологиями не может похвастать даже Boeing.
Впрочем, технологию производства «черного» крыла первым освоила именно американская компания. В 2009 году в первый полет ушел Boeing 787 Dreamliner. Этот самолет на 50% состоит из композитов. Вообще, в мире сейчас летают лишь три самолета с «черными» крыльями: кроме 787-го, это широкофюзеляжный А350 и канадский Bombardie CSeries вместимостью до 130 пассажиров. МС-21 будет состоять из композитов на 30%. Из углепластика в нем изготавливаются крылья и центроплан, поскольку применение этого материала в панелях фюзеляжа выгодно только на широкофюзеляжных самолетах, каким является Boeing 787. Однако новизной технологии производства «черного» крыла наши специалисты превзошли всех в мире.
МС-21 — «Магистральный самолет XXI века». Это всего лишь четвертый авиалайнер в мире, который оснащен «черными» крыльями из углепластика. Однако технология, по которой они изготовляются, уникальна и применяется в России впервые в мире.
Пекут как пирожки
Углепластик позволяет создавать конструкции необычной формы: например, крыло обратной стреловидности истребителя Су-47 © РИА Новости Традиционно углепластиковые детали выполняют следующим образом: в специальной форме выкладывают раскроенные листы так называемого препрега — углеволоконной ткани, заранее пропитанной жидкой полимерной смолой, которой предстоит стать матрицей. После выкладки изделие помещают в автоклав — герметичную печь-котел, где при высокой температуре и давлении «выпекается» изделие. Высокая температура нужна, чтобы в смоле произошла реакция отверждения, то есть полимеризация. А давление повышается, чтобы смола под его действием равномерно заполнила все пустоты в слоях ткани.
Использование препрега — довольно сложная процедура. Во-первых, хранить и перевозить его можно при температуре не выше минус 18 градусов. При комнатной температуре смола довольно быстро затвердевает. Но даже при низкой температуре срок хранения препрега строго ограничен, потому что в смоле все-таки идут процессы полимеризации, и через 9–12 месяцев дорогостоящий материал становится не пригодным для дальнейшего использования. Все это представляет собой постоянную головную боль в условиях массового производства. Кроме того, время выкладки, которая происходит отнюдь не на морозе, а в цеху при обычной температуре, также строго ограничено. Поэтому крупноразмерные изделия, вроде деталей крыла, таким способом изготовить трудно. Процесс выкладки просто не успевает завершиться до того, как препрег «схватывается». А ведь когда мы говорим, что крыло состоит из углепластика, то это упрощение. На самом деле его панели имеют сложную трехслойную структуру: наружные слои — из углепластика, внутренний — из алюминиевых сот. С панелями стыкуются силовые подкрепляющие детали — шпангоуты и стрингеры. В общем, есть с чем возиться. Крыло МС-21 состоит из 9 тысяч деталей! И чем крупнее можно изготовить компоненты крыла, тем меньше приходится использовать крепежа между ними, а это дополнительный выигрыш как в прочности, так и в массе. Длина углепластиковой панели крыла МС-21 составляет 18 м, ширина — до 3 м! По автоклавной технологии изготовить такую деталь затруднительно.
В Ульяновске построен завод для серийного производства крупногабаритных деталей из углепластика © aerocomposit.ru Поэтому в России при изготовлении крыла МС-21 впервые в мире освоили технологию вакуумной инфузии: деталь выкладывается из лент обычной, сухой углеткани, а связующая смола хранится отдельно в бочках при низкой температуре и попадает в заготовку (ее называют преформой) уже после выкладки. Чтобы все слои как следует пропитались, преформу помещают в так называемый вакуумный мешок — герметичную оболочку, из-под которой выкачивают воздух. Оболочка, на которую действует внешнее атмосферное давление, равномерно обжимает поверхность всей преформы и «вдавливает» смолу в слои ткани. Поскольку давление создает воздух атмосферы, то автоклав не нужен. Выкладка помещается в обычную печь, хотя и очень большую — длиной 22 м. Даже при изготовлении «черного» крыла истребителя 5-го поколения подобная процедура еще не используется.
Любопытно, что эта технология была куплена у австрийской компании и первоначально применялась для изготовления пластиковых лыж Fisher. Наши специалисты научились изготавливать «лыжи» побольше. Но самое главное, что эта технология освоена в России в промышленных масштабах. В Ульяновске построен завод «АэроКомпозит» по производству крупноразмерных углепластиковых изделий методом инфузионной пропитки. Инвестиции — 5 млрд рублей. На этом предприятии создана самая большая в стране чистовая комната площадью 11 тыс. кв. м. Чистота воздуха в этом цеху сравнима с чистотой воздуха в операционной. Транспортируют огромные заготовки исполинские «клешни» с сотнями вакуумных присосок, чтобы не повредить поверхность углепластика. Раскрой ткани ведется лазерами, а выкладку осуществляют роботы. Правда, углеткань пока везут из-за границы, печь с градиентом температуры на более 2 градусов по всей 22-метровой длине — немецкая, роботы — французские и испанские. Ни одного российского поставщика на этом производстве, увы, нет. Но разработано это оборудование по нашему заказу, и в целом вся эта технология — российское ноу-хау. Нигде в мире не собраны вместе безавтоклавная инфузия, автоматическая выкладка материалов, автоматические фрезерные центры, автоматический неразрушающий контроль. А главный секрет — процедура подачи связующего под вакуумный мешок в преформу, помещенную в печь, — разработан в лабораториях «АэроКомпозита». Все здесь организовано на самом передовом уровне, в то время как материал для крыльев Т-50 все еще кроят женщины обычными ножницами. Правда, из отечественной углеткани. Эту технологию в стране удалось сохранить, и в дальнейшем российские материалы планируется использовать и в МС-21.
Композиты — это материал XXI века. От металлов их отличает большая прочность при меньшем весе, что особенно важно именно в авиации
Важнее денег
Выкладку преформы производят роботы (в верхнем правом углу) © aerocomposit.ru Достаточно ли сказанного выше, чтобы потеснить конкурентов на мировом рынке? Пока сказать сложно. Boeing и Airbus обладают налаженной системой сервиса со складами и центрами обслуживания во всех уголках планеты. Западные поставщики, например, гарантируют клиенту бесплатную доставку запасного двигателя в любую точку планеты в течение суток. Сумеем ли мы справиться с сервисными проблемами так же, как с техническими? Ведь самолет, чтобы приносить прибыль, должен летать, а не месяцами ждать запчастей на земле. Обслуживание поставленной техники во все времена было слабым местом отечественной авиапромышленности, даже когда речь шла о военных поставках. Задача сама по себе непростая и также очень затратная.
Но дело ведь не только в прибылях и долях рынка. Собственной авиационной промышленностью обладают считанное число стран. В кооперации по производству МС-21 участвуют 70 предприятий, со многими из которых, надо отметить, активно сотрудничает банк ВТБ, а в целом отрасль — это сотни тысяч квалифицированных людей, которые будут гордиться своим трудом и, что также немаловажно, кормить свои семьи в не самых богатых регионах страны. Но вернемся собственно к технологиям. Применение композитов в самолете традиционной схемы, состоящем из привычного фюзеляжа и крыльев, на самом деле не дает заметного выигрыша. «Черное» крыло весит всего-то на 300 кг легче алюминиевого, при этом углепластик в 6 раз дороже металла. Но, как уже говорилось выше, главное преимущество композитов состоит в том, что они позволяют изготовлять конструкции, которые невозможно сделать из металла. Речь идет, к примеру, о лайнерах с интегральной аэродинамической схемой типа самолет-крыло, где не будет отдельно крыльев, а подъемную силу будет создавать фюзеляж сложной формы. Такие, несколько похожие на летающие тарелки самолеты будут вмещать значительно больше пассажиров при тех же массе, габаритах и расходе топлива, что у современных лайнеров. И создать их смогут только те страны, которые обладают соответствующими технологиями. Выпадать из числа этих стран вряд ли разумно, пусть даже на это и придется потратить часть нефтяных доходов без особой надежды на сверхприбыли.
Именно в этом подлинное значение МС-21. Именно в этом смысле стоит понимать слова о том, что без этого самолета будущего у российской авиации нет. XX век — век гордости России за свою авиацию. Каким будет XXI век? Сейчас это зависит от МС-21 — «Магистрального самолета XXI века».
Леонид Ситник
