Наследник легендарного Ту-144, сверхзвуковой самолет нового поколения разрабатывается в России, однако для его создания нужно решить ряд вопросов, которые задерживают появление пассажирской авиации, летающей быстрее звука, не только в России, но и во всем мире.
С какими проблемами сталкивается наука и промышленность при разработке сверхзвукового гражданского самолета (СГС), когда и на базе какой машины в России может появиться демонстратор такого летательного аппарата и каких технологий не хватает для открытия полноценных опытно-конструкторских работ по созданию СГС, в интервью обозревателю РИА Новости Алексею Паньшину рассказал генеральный директор Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало.
— Кирилл Иванович, почему после прекращения программ Ту-144 и Concorde снова возник интерес к сверхзвуковой пассажирской авиации?
— Создание нового поколения сверхзвуковых гражданских самолетов является одним из основных вызовов для современной авиационной науки во всем мире и одним из перспективных высокотехнологичных направлений, в котором Россия имеет реальный шанс стать мировым лидером. Полет со сверхзвуковой крейсерской скоростью дает огромные преимущества в сравнении с традиционной дозвуковой авиацией. В первую очередь он расширяет зону однодневных поездок с 3500 километров до 7000 – 7500 километров, способствует повышению оперативности решения государственных и бизнес задач, а также повышает комфорт пассажиров, ведь путешествие длительностью до 4,5 часов легко переносят даже дети.
Кроме того, сейчас, когда мир готовится к обновлению стратегии развития промышленности, бизнеса и туризма в посткоронавирусную эпоху, востребованными могут стать скоростные бизнес-авиаперевозки, позволяющие с комфортом осуществлять деловые миссии, в том числе и трансконтинентальной дальности. Этому также будет способствовать и установившаяся, судя по всему, на несколько ближайших лет низкая цена на топливо. К слову, именно малая экономичность сверхзвуковых самолетов первого поколения во многом и привела к закрытию программ Ту-144 и Concorde.
— Какими качествами должен обладать сверхзвуковой самолет следующего поколения и какие проблемные вопросы необходимо решить его разработчикам?
— В отличие от Ту-144 и Concorde, в настоящее время определяющим фактором существования СГС нового поколения является снижение до приемлемых для населения уровней звукового удара при полете со сверхзвуковой крейсерской скоростью над населенной сушей и шума на местности в районе аэропорта на взлетно-посадочных режимах. Немаловажным фактором также является сохранение на конкурентном уровне технико-экономических показателей эксплуатации перспективных самолетов. Двухрежимные СГС, допускающие полет на сверхзвуковой скорости только над океаном и ненаселенной сушей, будут заведомо не конкурентоспособны.
Обеспечить приемлемый для населения уровень звукового удара — крайне трудная задача, отсутствие решения которой сдерживает развитие гражданской сверхзвуковой авиации. Кроме того, к настоящему времени отсутствует нормативная база по допустимому уровню звукового удара для гражданских самолетов при полете на сверхзвуковой скорости. При этом в ряде стран (США, Канада, Великобритания) введен прямой запрет на превышение над населенной сушей скорости, соответствующей скорости звука.
— Каков этот допустимый уровень и почему это такая проблема?
— Проведенные ранее исследования показывают, что предельно допустимой безопасной величиной перепада избыточного давления при звуковом ударе является уровень 80…90 Па. Звуковой удар большей интенсивности приводит к осыпанию штукатурки, дребезжанию стекол, негативно воздействует на физиологические функции человека.
В настоящее время под эгидой ИКАО проводятся интенсивные исследования по определению наиболее приемлемой для оценки восприятия звукового удара человеком метрики громкости и уровня допустимых требований для полета над населенной сушей. Предварительно установлено, что уровень громкости звукового удара для СГС ближайшей перспективы не должен превышать 65…72 dBA в метрике A и 75…90 PLdB в метрике PL, что примерно соответствует громкости хлопка при закрытии двери автомобиля. Для сравнения: нормы уровня шума самолетов в районе аэропорта соответствуют 85…90 dBA, шум в городском транспорте – 80 dBA, шум внутри автомобиля на скорости 120 км/час – 65…70 dBA, а уровень шума обычного разговора – 60…65 dBA.
— Чем еще осложняется создание СГС?
— С другой стороны, разработка СГС осложняется зачастую противоречивыми техническими требованиями к летательному аппарату такого типа. Например, для обеспечения требований по уровню звукового удара придется пожертвовать некоторыми аэродинамическими и весовыми характеристиками самолета, необходимыми для обеспечения большой дальности полета на приемлемой стоимости. Поэтому чтобы обеспечить низкий уровень экологического воздействия одновременно с конкурентоспособными летно-техническими и технико-экономическими характеристиками, потребуется внедрение широкого круга новых взаимосвязанных технических решений и технологий по аэродинамической компоновке, силовой установке и двигателю, конструктивно-силовой схеме, системе управления, бортовым системам, оборудованию и так далее. А поиск оптимального решения при проектировании СГС требует проведения сложных междисциплинарных исследований.
Еще одним серьезным препятствием при создании СГС нового поколения является проблема удовлетворения существующих в настоящее время международных норм на уровень шума в районе аэропорта на взлетно-посадочных режимах. Объективно, при одинаковом уровне совершенства сверхзвуковые самолеты всегда будут более шумными, чем дозвуковые из-за двигателей с меньшей степенью двухконтурности и относительно большей величины потребной тяги двигателей на взлете. Повышать степень двухконтурности двигателей для СГС не рационально, потому что это приведет к увеличению диаметра двигателя и, как следствие, к резкому росту сопротивления самолета на сверхзвуковой скорости, увеличению расхода топлива, взлетного веса самолета и так далее.
Следует отметить еще одно важное обстоятельство. Существующие двигатели не могут удовлетворить всем требованиям к СГС нового поколения, что требует разработки и создания нового класса бесфорсажных двигателей умеренной степени двухконтурности, обеспечивающих одновременно высокий уровень тяги и низкий уровень расхода топлива на сверхзвуковых режимах полета. Задача создания таких двигателей является достаточно сложной и требует существенных материальных и временных затрат, что в сочетании с относительно небольшой серией СГС может стать серьезной проблемой.
Подтверждением сложности комплекса проблем разработки высокоэффективных СГС является анализ развития проектов Aerion и Boom (США), в которых даже при наличии большого объема финансирования и технической поддержки крупных авиа- и двигателестроительных промышленных компаний не удалось реализовать приемлемый компромисс между аэродинамическими и экологическими характеристиками самолета. По сути, полученные в результате многолетних исследований самолеты являются двухрежимными и не допускают полет на сверхзвуковой скорости над населенной сушей.
— Что авиационная наука сейчас готова предложить с точки зрения решения этих проблем?
— Анализ показывает, что традиционные решения и технологии не смогут обеспечить потребный уровень характеристик перспективного СГС. Несмотря на высокую интенсивность работ по созданию таких самолетов во всем мире, значительный прогресс по отдельным тематическим направлениям и существенный объем вкладываемых в разработку средств, в ближайшей временной перспективе открытие опытно-конструкторских работ по перспективному самолету целевого назначения с качественно новыми свойствами (сверхзвуковая крейсерская скорость) и требованиями (по уровню звукового удара) обречено на провал и обязательно приведет к тратам значительных ресурсов без достижения практического результата. Для снижения технических рисков и затрат на разработку конкурентоспособного СГС нового поколения необходимо предварительно отработать ключевые технические решения и критические технологии до высокого уровня технологической готовности силами научных организаций с последующим трансфером этих технологий в промышленность.
В России исследования по тематике СГС проводятся как академическими организациями, так и институтами авиационной промышленности. Достигнут существенный прогресс по ряду направлений, эффективность технологий и технических решений подтверждена испытаниями в аэродинамических трубах и на стендах. Наиболее важной задачей в настоящее время является валидация полученных результатов путем экспериментального подтверждения в натурных условиях. Прежде всего это касается законов распространения ударных возмущений малой интенсивности в реальной атмосфере от самолета со специально спроектированными обводами, учитывая отсутствие надежных и валидированных методов их предсказания. Для решения этой задачи необходима постройка и летные испытания экспериментального самолета – демонстратора комплекса перспективных технологий СГС нового поколения.
— Перед Ту-144 тоже демонстратор создавался?
Первый экспериментальный полет опытного, сверхзвукового, магистрального, пассажирского самолета "ТУ-144"
Источник изображения: © РИА Новости / Лев Поликашин
— Конечно, демонстраторы технологий были использованы для отработки новых технических решений при создании первого поколения СГС и для проверки новых знаний по возможностям модификации эпюры избыточного давления. Например, в СССР для отработки крыла "оживальной" формы самолета Ту-144 был разработан демонстратор МиГ-21И (А-144), а в США в начале 2000-х годов для доказательства возможности модификации эпюры избыточного давления путем изменения формы фюзеляжа выполнен большой объем численных, экспериментальных и летных исследований самолета F5 SSBD.
В настоящее время в США компанией Lockheed Martin по заказу NASA в рамках программы QueSST создается летный самолет-демонстратор Х-59, в котором исследуется интеграция ряда технологий СГС – оптимизированная для снижения звукового удара при обеспечении высокого уровня сверхзвукового аэродинамического качества аэродинамическая компоновка, верхнерасположенный воздухозаборник силовой установки, система "технического зрения" и так далее. При этом скорость самолета ограничена величиной числа М=1,4. В 2019 году начато производство демонстратора, первый полет планируется на 2021 год. После тестовых полетов в 2022 году на валидацию акустических характеристик планируется проведение полетов в 2023-2025 годах над населенной сушей для оценки восприятия звукового удара добровольцами. Материалы исследований будут переданы в ИКАО для формирования норм по уровню звукового удара перспективных СГС. Разработка специализированных демонстраторов комплекса технологий СГС также ведется в Японии (JAXA) и Европе (проект RUMBLE). Но все они не в полной мере реализуют весь комплекс ключевых технологий СГС нового поколения и создаются в основном для валидации в летном эксперименте исключительно технологий снижения звукового удара.
— А что в России?
— В России в рамках научно-исследовательских работ, помимо тематических исследований в интересах развития ключевых технологий СГС нового поколения, также большое внимание уделяется созданию интегрального летного самолета-демонстратора. Так, в 2019 году в ЦАГИ разработано техническое предложение на демонстратор комплекса технологий СГС "Стриж", макет которого и был представлен на МАКС-2019. Успешная реализация программы этого летного демонстратора позволит в сжатые сроки и с опережением мировых конкурентов осуществить разработку конкурентоспособного СГС легкого класса, сформировать уникальный научно-технический задел высокого уровня технологической готовности в интересах создания СГС среднего и тяжелого классов.
— Почему нельзя просто доработать уже существующий самолет, например, Ту-160?
— Существующий научно-технический задел, полученный при создании объектов авиационной техники военного назначения, не является достаточным для создания демонстратора технологий, и тем более эффективного перспективного СГС целевого назначения, и может быть использован лишь частично при разработке систем и силовой установки самолета. Кроме того, необходимо, чтобы на демонстраторе технологий был реализован весь комплекс ключевых технологий и технических решений, которые должны быть отработаны в натурных условиях для подтверждения их эффективности и реализуемости.
— Когда такой демонстратор может появиться и на базе какого самолета планируется его создать?
— По нашим расчетам и при наличии финансирования такой демонстратор должен появиться к 2023 году. Очевидно, что этот экспериментальный самолет дешевле и проще делать на базе самолета-донора, так как основная цель – проверить в летном эксперименте правильность выбранных критически технологий: аэродинамического облика, расположения, формы и размера воздухозаборников, сопловых аппаратов и тому подобное. Скорее всего, в качестве такого донора будет МиГ-29 вместе со штатными двигателями, теми самолетными и бортовыми системами, которыми он оснащен. Конечно, здесь нельзя говорить о полноценном сверхзвуковом деловом самолете, это скорее прототип-демонстратор.
— Есть ли понимание по тому, каким должен быть двигатель для СГС?
— Как я уже говорил, важным требованием для такого самолета является обеспечение потребной тяги и относительно низкого удельного расхода топлива двигателя на сверхзвуковой крейсерской скорости полета. Выбор типа двигателя и характеристик силовой установки и обеспечение их согласованной работы на критических точках траектории для минимизации потерь тяги оказывают ключевое влияние на топливно-экономические и экологические характеристики СГС. Очевидно также, что к критическим относятся также технологии снижения шума выхлопной струи, вентилятора и планера в условиях взлета и посадки. На данный момент у нас есть вероятный набор параметров и облик двигателя для сверхзвукового самолета нового поколения.
— Совсем недавно Минпромторгом России объявлен конкурс на проведение научно-исследовательской работы "Комплексный научно-технологический проект (КНТП) разработки научно-технического задела в обеспечение создания сверхзвукового гражданского самолета под шифром "СГС-Т1". Какие задачи поставлены в этой НИР и какие результаты ожидаются?
— К настоящему времени у нас пока нет ясности по ряду критических технологий, что не позволяет начать опытно-конструкторские работы по созданию СГС нового поколения. Мы выделяем три основные задачи КНТП. Первая – разработка предложений по техническому облику и размерности перспективных сверхзвуковых самолетов, а также комплексного перечня критических технологий. Задачей номер два является обеспечение низкого уровня звукового удара при одновременном повышении аэродинамической эффективности перспективного самолета, его силовой установки и других систем на сверхзвуковых скоростях полета при одновременном снижении уровня шума на взлетно-посадочных режимах. Третья задача заключается в разработке методик оценки рыночной конкурентоспособности СГС и его экономической эффективности. На наш взгляд, этот КНТП является очень важной составляющей большой комплексной научно-производственной программы.
Кроме того, важно подчеркнуть, что впервые НИР организуется в формате комплексного научно-технологического проекта, предложенного ФГБУ "Национальный исследовательский центр "Институт имени Н.Е.Жуковского" (НИЦ). Такая форма организации работ основана на использовании методов системной интеграции технологий (так называемого системного инжиниринга) в рамках методологии проектного управления высокорисковыми проектами и предполагает получение принципиально новых научно-технических результатов работ, представленных в виде критических технологий с оценкой их системного уровня готовности и влияния на комплексные показатели научно-технического совершенства. Предполагается, что в НИЦ будет организован проектный офис проекта, в рамках которого на основе междисциплинарного подхода к управлению исследованиями и разработками будет осуществляться координация и интеграция результатов работ наших ведущих отраслевых НИИ (ЦАГИ, ЦИАМ и ГосНИИАС).
— Что должна включать комплексная научно-производственная программа?
— Она должна включать фундаментальные и поисковые исследования, создание и развитие новой уникальной экспериментальной базы научного центра международного уровня "Сверхзвук" в рамках нацпроекта "Наука , а также различные НИОКР, о которых я говорил ранее.
Реализация данной программы возможна исключительно при консолидированном подходе авиационной науки и промышленности. Высокий уровень технического риска и большой объем научно-технических исследований диктует необходимость организации работ на первых этапах программы под управлением НИЦ "Институт им. Н.Е Жуковского" с постепенным ростом участия ОКБ и предприятий промышленности по мере повышения уровня развития разрабатываемых технологий.
— А что сейчас с НЦМУ "Сверхзвук"? На какой стадии его создание?
— На МАКС-2019 был создан консорциум организаций-участников проекта НЦМУ "Сверхзвук , в который, помимо ЦАГИ, вошли наши ведущие отраслевые НИИ (ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", ФГУП "ГосНИИАС") академические научные организации (ИПМ им.М.В.Келдыша РАН, ПФИЦ УрО РАН), а также ведущие отечественные вузы (МГУ им. Ломоносова, Московский авиационный институт). Нами разработана программа исследований и подготовлена заявка на участие в конкурсе Минобрнауки России по отбору научных центров мирового уровня, выполняющих исследования и разработки по приоритетам научно-технологического развития. Конкурс должен состояться в мае этого года, и мы надеемся его выиграть.
— Говоря о новых технологиях, которые потребуются для создания нового поколения СГС, вы наверняка имели в виду и переход на цифровое проектирование. Какую роль играют цифровые технологии в деятельности отраслевых НИИ и КБ при создании современной авиационной техники?
— Использование цифровых технологий на этапе проектирования и конструкторской отработки авиационной техники, включая процесс проведения испытаний и сертификации, является главным козырем в конкурентной борьбе инжинирингового бизнеса, обуславливающим возможность быстрее провести разработку близкого по уровню технологического совершенства продукта, быстрее вывести его на рынок и максимизировать прибыль. Однако стоит отметить, что использование в КБ цифровых инженерных методов без оценки их точности и применимости, без валидации на основе экспериментальных и летных данных приводит к существенным рискам ошибок проектирования, во многом схожими с аналогичными начала 20 века, когда превалировала интуиция конструкторов. Применительно к проектированию демонстратора комплекса технологий СГС "Стриж" стоит отметить цифровую трансформацию ФГУП "ЦАГИ" как головного предприятия по созданию и интеграции научно-технического задела для данного летательного аппарата.
— Что уже реализовано в ЦАГИ по этому направлению?
— В ЦАГИ разработана, утверждена и реализуется стратегия цифровой трансформации. Мы в самом начале трудного пути, который потребует вложения огромных ресурсов на создание инфраструктуры и перестроение технологических цепочек и производственных процессов, а также подходов к научно-исследовательским и проектным работам. Но результаты в виде скорейшего вывода на рынок конкурентоспособной отечественной авиационной техники и укрепления позиций Российской Федерации в качестве авиационной державы окупят вложенные ресурсы.
Кроме того, проведена инвентаризация всех авторских численных методов, разработанных в ЦАГИ за долгую историю и имеющих обширную номенклатуру. Программные продукты собственной разработки охватывают все основные сферы деятельности института и представляют собой программы различных классов. Среди наиболее значимых решателей вычислительной аэродинамики стоит отметить EWT-ЦАГИ (Electronic Wind Tunnel – электронная аэродинамическая труба) и BLWF (Boundary Layer, Wing, Fuselage), которые позволяют определять аэродинамические характеристики летательных аппаратов с работающей силовой установкой при различных режимах полета. В области авиационной прочности стоит отметить расчетный комплекс АРГОН, который позволяет определять нагрузки и рассчитывать деформированное состояние авиационных конструкций. В ЦАГИ имеется целый ряд программных комплексов для исследования характеристик устойчивости и управляемости летательных аппаратов. Для объединения всех экспериментальных модулей в единую среду, поддерживающую высокий уровень автоматизации проведения экспериментальных исследований и позволяющую получать кондиционные результаты, в ЦАГИ создан специализированный программный комплекс собственной разработки ПОТОК. Для основных программных продуктов разрабатываются планы их совершенствования и полноценного внедрения в цикл научно-исследовательских работ ЦАГИ. Также создается система интеграции всех доступных численных методов в единый инструментарий многодисциплинарных исследований.
К настоящему времени в институте выполнен ряд проектов, которые направлены на реализацию концепции виртуальной экспериментальной установки на базе большой трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128. В рамках этих работ было проведено техническое перевооружение и реконструкция аэродинамической трубы Т-128 для повышения точности получаемых аэродинамических характеристик. Работы по обновлению и совершенствованию инструментария данной экспериментальной установки, а также методик исследования, применяемых в ней, проводятся непрерывно, что позволяет ей быть одной из лучших аэродинамических установок в мире. В настоящее время мы реализуем комплексный проект по внедрению технологии электронной аэродинамической трубы в методику проведения испытаний в Т-128. Целью проекта является повышение точности и достоверности результатов экспериментальных исследований моделей перспективных летательных аппаратов и космической техники за счет внедрения методики вычислительного эксперимента в технологический цикл испытаний.
