На чем будет летать Россия после «Боингов»?

Экономическая война, начавшаяся в нынешнем году, может продлиться минимум десятки лет и порождает вопрос: на чем нам летать? «Сухой Суперджет» чересчур мал и зависит от импортных деталей. МС-21 сложен для быстрого запуска в серию, но при этом перспективен. Ту-204 слишком прожорлив. Кроме того, все эти российские аппараты — как, впрочем, и зарубежные — имеют принципиально неустранимые проблемы с высокой ценой полетов. Решится ли Россия на действительно радикальные шаги в развитии местного авиапрома? Naked Science попробует разобраться в этом вопросе.

Одним из первых шагов экономической войны Запада против Москвы стал запрет на экспорт в Россию авиалайнеров и запчастей к ним. Цель не совсем ясна. Ведь по опыту Ирана известно, что, несмотря на запрет на ввоз запчастей туда, самолеты даже не очень большой страны со средним уровнем промышленного развития могут летать с вполне приличной (за последние 10 лет в Иране происходило не так много авиакатастроф) безопасностью. С другой стороны, многие иные западные меры экономической войны тоже не всегда понятны — по крайней мере, при первом приближении.

Обратимся к более насущному вопросу: на чем теперь летать? Россия — не Иран, ее потребности в авиалайнерах будут только увеличиваться. С высокой степенью вероятности ВВП страны с 2023 года начнет расти, а значит, туристические потоки во все Египты, Турции и прочие Таиланды тоже никуда не денутся. Мир более чем на 80% по-прежнему открыт для российских авиалайнеров — и будет открыт дальше, по всей видимости. То есть новые самолеты России нужны — и немало. Вот только какие?

МС-21 против Ту-204

Казанские региональные лоббисты уже попробовали заговорить о возрождении Ту-204. Неплохая для своего времени машина, но тем не менее она имела серьезные наследственные проблемы. Ту-204 (как и Ту-154 до них) проводили слишком много времени на стоянке — больше, чем импортные аналоги. Это снижало прибыли авиаперевозчика: тому выгоднее как можно быстрее отбить свои вложения в самолет, получая от него максимум пассажиро-километров в год.

Если один самолет исправен 95% времени, а другой — 65% времени, то можно купить два более надежных вместо трех менее надежных. И именно поэтому многие российские авиакомпании выбирали в свое время импортные лайнеры.

Ту-204, удлинение крыла 9,6. Налицо законцовки крыла, до Ту-204 в нашей гражданской авиации не использовавшиеся. Это была очень хорошая машина. Для 1989 года, когда она совершила первый полет (на фото), аэродинамически ее следует назвать даже передовой. Увы, в 1990-х у нее не было шансов на серию: стране было сильно не самолетов

Источник изображения: Wikimedia Commons

Ту-204 совсем не обязательно должен быть таким же «ломким», как его предшественники. Ничто не мешает сделать моторы и иные системы с надежностью не ниже, чем у западных аналогов: в конце концов известно, что новые боевые самолеты российского производства по уровню технической готовности не уступают западным. Учитывая, что производители и боевых, и гражданских самолетов — часто одни и те же компании, нет сомнений, что подобное достижимо и для местного гражданского авиапрома.

Более серьезная проблема в другом: Ту-204 был спроектирован давно, под другие системы авионики. Если выпускать его сейчас, их придется перепроектировать под новую элементную базу и поменять. А это задача по сложности сопоставима с разработкой самолета с нуля.

Возникает вопрос: а зачем это делать, если проект МС-21 уже много лет в работе, и, в отличие от Ту-204, его конструкция более современна? В частности, у него (впервые в мире) полностью углепластиковое крыло. Это снизит расход топлива до 8%, что явно отразится и на цене перелета.

С удачными фото МС-21 дефицит, поэтому на снимке пока компьютерная графика. Тем не менее хорошо виден ряд реальных черт самолета: например, отсутствие законцовок на крыльях большого удлинения. Разработчики МС-21 отказались от законцовок потому, что они требует существенного увеличения прочности и массы крыла

Источник изображения: Wikimedia Commons

Снижения расхода топлива здесь удалось достичь не только за счет большей легкости крыла, но и из-за его необычных параметров. Углепластик — материал более жесткий, чем алюминиевые сплавы. Поэтому соотношение размаха крыла к его средней хорде — то самое удлинение крыла — у МС-21 составляет 11,5. Если бы такое удлинение было получено у металлического крыла, его пришлось бы сделать сильно толще, подняв аэродинамическое сопротивление. Поэтому у типичного авиалайнера удлинение крыла — порядка 9-10. Чем больше этот показатель, тем ниже индуктивное сопротивление на небольших скоростях и меньше расход топлива на них.

Кажется, что 8% — не так много. Однако за свою ожидаемую жизнь (до 80 тысяч летных часов для планера) авиалайнер такого класса «съедает» 140 тысяч тонн горючего. Углепластиковое крыло снизит эту цифру на 11 тысяч тонн.

Конечно, у лоббистов Ту-204 и здесь готов ответ. «Чисто показная вещь, — уверяет советник премьер-министра Татарстана Назир Киреев. — Почему ни одна страна в мире такого не делает? Потому что в этом нет необходимости». Впрочем, Киреев не приводит никаких цифр, показывающих, как изменение удлинения крыла могло бы не привести к снижению воздушного сопротивления для МС-21. И это верный признак того, что таких цифр у него, скорее всего, нет.

Вообще, конструкция «такого-то за рубежом нет, значит, это не нужно» — признак малограмотного (за пределами программы MBA) постсоветского менеджера (оно звучит примерно так же странно, как «такого-то в России пока нет, значит, это и не нужно»). Давайте вспомним простой пример: переохлажденное ракетное топливо. После Королёва его не использовали даже в нашей стране, не то что за рубежом. Но не потому, что это было не нужно, а потому, что для использования любой действительно продвинутой технологии нужен мозг управленца, способный понять необходимость этой технологии.

В отечественной космической отрасли после Королёва такого мозга на достаточно высоких постах не бывало. От этого российская «Ангара» летает на непереохлажденном топливе в наши дни. На Западе таких мозгов тоже не было — вплоть до Илона Маска. Но вот «ненужным» это решение никак не назвать. Ведь именно благодаря ему SpaceX серьезно увеличила полезную нагрузку своих ракет.

Удлинение крыла A320neo — 10,45, заметно ниже, чем у МС-21. Так что для компенсации, чтобы снизить сопротивление на малых скоростях, западноевропейские конструкторы использовали законцовки крыла

Источник изображения: Wikimedia Commons

Более того, как часто бывает с людьми, говорящими неправду, Киреев не совсем в курсе и зарубежной практики авиастроения. Boeing в последние годы тоже активно пытается внедрять углепластик в крыло, а недавно — впервые в мире для авиалайнеров — сделала из них важнейшую конструктивную часть крыла, его кессон.

Причины те же, что у цельноуглепластикового крыла МС-21: так проще повышать удлинение. Компания не создала крыло целиком углепластиковым (с обшивкой) не потому, что не хотела бы увеличить его удлинение. А потому, что это не так просто, — задача поистине амбициозная.

B737 MAX 8 имеет удлинение крыла всего в 9,45. Для снижения сопротивления используются двуххвостые законцовки крыльев

Источник изображения: Wikimedia Commons

Получается, выбор Ту-204 и Ту-214 вместо МС-21 не имеет смысла. На их доводку уйдут годы. Между тем разработчик МС-21 планирует запускать его в серию — уже с отечественными моторами и отечественным же углепластиковым крылом — в 2024 году. Даже если запуск отложится на год, возобновить производство Ту-204 быстрее не выйдет — на это указывает очень долгая история восстановления производства стратегического бомбардировщика Ту-160 в Татарстане.

МС-21 тоже не волшебная палочка?

Основная проблема заключается не в том, что выбрать — Ту-204 или МС-21. Здесь определиться очень легко: аэродинамика МС-21 лучше настолько, что выбирать не приходится.

Ключевая сложность в другом: МС-21 тоже не решит ключевые проблемы авиационной отрасли. Как отмечает уволившийся из «Победы» после начала экономической войны бывший глава компании Андрей Калмыков, главная сложность российских авиакомпаний не в том, чтобы иметь летающие самолеты. Это как раз вполне реально: добыча запчастей тем же Ираном — более чем красноречивый пример.

Главная проблема — дешевизна полетов. Крупные компании летают тем дешевле, чем чаще. Снижение перевозок в Европу будет довольно тяжело компенсировать в ближайшие годы. Меньше полетов — меньше отдача на единицу капитала, вложенную в авиапарк. Меньше отдача на единицу капитала — выше цены. Выше цены — меньше покупают билеты, а значит, опять меньше полетов. И так по кругу.

Конечно, государство может частично закрыть вопрос субсидиями. Но полностью ли? И на сколько лет?

Есть только одно кардинальное решение этой большой проблемы. Нужно найти технологические решения, позволяющие «уронить» стоимость полетов намного сильнее, чем даже углепластиковое и сверхтехнологичное крыло МС-21. Расходы на топливо в любой авиакомпании составляют 40%, а при дорогой нефти — еще выше. Снижение расхода топлива от нового крыла на 8% может опустить среднюю цену билетов процента на три. Серьезно. А в другое время это можно было бы назвать успехом. Но в условиях экономической войны, которая будет длиться все обозримое будущее, этого абсолютно недостаточно.

Выход есть: в авиационной индустрии существуют решения, позволяющие снизить цену перелета на четверть. Но вот проблема: это путь Илона Маска, а с Масками в мире дефицит. Вглядимся в это решение поподробнее.

Экономика села была в один самолет с экологией… Но не влезла

Основная составляющая в цене билета — топливо, потом налоги, потом амортизация стоимости самолета (или плата за его аренду), то есть затраты на возврат вложенного капитала. Налоги снижать бесполезно: они есть во всех сферах бизнеса, отказ от них для авиации будет означать ее субсидирование обществом, что проблему не решит. Уронить стоимость самолетов можно, только выпустив их очень большой серией, но это непросто. Можно создавать сверхзвуковые авиалайнеры, что повысит отдачу на единицу вложенного капитала в единицу времени, но такие самолеты требуют больше топлива. Хвост вытащил — голова увязла.

Получается, единственное, на чем можно реально снизить цену авиабилета, — это топливо. Керосин стоит гораздо больше доллара за килограмм. Чем его можно было бы заменить? Самый простой вариант, испробованный отечественным авиапромом еще десятки лет назад, — метан. Плюсы очевидны: он горит чище, дает меньше убивающих людей микрочастиц. К тому же стоит в два-три раза меньше, чем керосин.

Когда мы говорим «в два-три раза», то имеем в виду, конечно, не сам природный газ в его исходном виде: в пересчете на единицу теплотворной способности он во много-много раз дешевле керосина. Речь идет именно о сжижженном природном газе (СПГ), поскольку на его охлаждение до минус 170 градусов уходит немало энергии и денег.

Экспериментальный Ту-155 с его метановым баком в салоне. Ясно, что места для пассажиров у него заметно меньше, чем у керосинового варианта того же самолета

Источник изображения: Wikimedia Commons

«Обычным» газообразным метаном самолет на заправишь: баллоны слишком тяжелы, да и места занимают много. Нужен именно бак для жидкого горючего, причем с теплоизоляцией в пять сантиметров толщиной (такая была на советском метановом Ту-155).

И вот здесь начинаются сложности. На единицу веса метан при сгорании дает на 18% больше энергии, чем керосин. Значт даже несмотря на необходимость в теплоизоляции бака, масса топливной системы у метанового самолета будет, скорее всего, заметно меньше, чем у керосинового. Но вот энергоемкость на единицу объема у сжиженного газа — всего 6,17 киловатт-часа на литр. А у керосина — 9,72 киловатт-часа на литр. Получается, керосин требует в 1,58 раза меньше места. С учетом стенок с теплоизоляцией метановые баки должны занимать на 60% больший объем, чем керосиновые.

Кроме того, для снижения теплопотерь метановые баки лучше делать «одним куском». Следовательно, их нельзя частично вынести в крылья, как это делают с баками в керосиновых лайнерах. Нужно найти немало места в фюзеляже: только тут есть достаточный объем для размещения крупного по объему бака «одним куском». Средний по размерам авиалайнер А320neo несет 29,7 кубометра керосина, МС-21 — 24 кубометра. Метановый самолет со сходной дальностью потребует единого бака на 38-45 кубометров.

Это означает вот что: все существующие авиалайнеры — и даже перспективные типа МС-21 — для перехода на метан совсем не годятся. Увы. И тут мы с вами Америку не открыли: Ту-155, авиалайнер обычной схемы, испытали с метановыми баками еще при СССР. Тогда же обнаружили: чуть ли не 30% пассажирского салона приходится занять жидким метаном. Да еще от багажного отсека места отнять.

От такого «метанолета» проку немного. Да, топливо для него может быть втрое дешевле керосина, но это снизит расходы на полет только на 30%. А если билетов удастся продать на 30% меньше, в чем тут выигрыш?

«Белуха» или «несущий фюзеляж»?

И все же, кажется, перед нами решаемая проблема. Современные самолеты изначально проектировали под заправку нефтепродуктами, поэтому там и нет в фюзеляже места под сжиженный газ. Значит, надо спроектировать самолет исходно под газ. С чистого листа.

К сожалению, большие начальники обычно максимально консервативны и привыкли работать «надежными, проверенными дедовскими методами». Именно поэтому, например, все электромобили до Tesla «проектировали» методом впихивания аккумуляторов в уже готовую конструкцию бензиновых моделей. Само собой, это отнимало место от салона и багажника, а нормальной дальности все равно не получалось. Этот же метод использовали в советском метановом Ту-155: взяли обычный самолет и поставили бак туда, где было место, отняв его у пассажиров и багажа.

Ту-206 был, по сути, чем-то вроде Ту-204 с горбом для метанового бака в верхней части фюзеляжа

Источник изображения: Wikimedia Commons

Если мы хотим решить проблему, нужно проектировать самолет с другой формой фюзеляжа. В 1990-х «туполевцы» попытались сделать это почти без переделок: разместили бак в выступающем «горбу» в передней части фюзеляжа. Получившийся проект лайнера на 210 мест неофициально называли «белухой», официально — Ту-206. Идея проектировщиков была понятна: шли 1990-е, всерьез перепроектировать самолет не хватило бы средств. Выступающий бак повышал расход топлива на 15%, но с учетом того, что метан на единицу массы дает на 18% больше энергии, вес самолета при той же дальности остался бы неизменным. А поскольку СПГ много дешевле керосина, экономия вышла бы все равно, несмотря на аэродинамическое несовершенство самолета.

Такой вариант, откровенно говоря, мог появиться только от отчаяния. Как мы отмечали, в 1990-х смертность в России выросла на 30% и до нулевых не падала — ясно, что на серьезные НИОКР денег в такой катастрофической ситуации никто бы не дал. Так что тогда годился и настолько «горбатый» проект.

Но сейчас, четверть века спустя, более разумным был бы проект по-настоящему новой машины — такой, которую можно было бы выпускать десятки лет подряд.

М-60 родился из проекта военного назначения. Тем не менее его более высокое аэродинамическое качества и более просторный фюзеляж, безусловно, плюсы и в мирной жизни

Источник изображения: Wikimedia Commons

Как минимум один подходящий проект такого рода был предложен все в том же СССР. Поначалу это был стратегический бомбардировщик М-60, но в девяностых на его основе появился эскизный проект авиалайнера М-60 «Перун». Базовая версия должна была вмещать 214 человек. Ключевая особенность — очень широкий фюзеляж, дающий большой вклад в подъемную силу. Крылья, кстати, тоже большого удлинения (нагрузка на них тут снижена). Вообще-то разработчик планировал такое для повышения аэродинамического качества.

Аэродинамическое качество, если объяснять простыми словами, — то, сколько километров пролетит самолет с выключенными двигателями, потеряв один километр высоты. Разумеется, выключать двигатели самолету никто не планирует. Но чем выше это качество, тем меньше топлива эти двигатели тратят. Для сравнения: аэродинамическое качество кирпича или лома равно нулю, а у современных рекордных планеров — выше 60. У М-60 его оценивают в 21, у МС-21 — в 18,2. У серийных Boeing B737 MAX 8 оно 15,0, а у Airbus A320neo — 16,3.

Но более широкий фюзеляж дает М-60 еще одно серьезное преимущество: внутренний объем. Разумеется, и здесь нет «бесплатного ланча»: самолет проектировали под керосин, и бак даже на 38 кубометров (эквивалент керосиновых баков МС-21) под полом пассажирского салона резко снизит возможности для перевозки багажа.

Однако, во всяком случае, не надо будет выкидывать 30% пассажирских мест, а это очень важно. Кроме того, такой запас топлива будет на 15% легче керосинового, что позволит снизить максимальную массу самолета — то есть материалоемкость его шасси и некоторых других элементов.

Самое важное: топливо для него обойдется в два-три раза дешевле, чем современные керосиновые лайнеры. А значит, и себестоимость билетов может быть на 20-25% меньше. Более низкие цены — выше заполняемость самолета, больше количество самолетов в серии. Выше заполняемость — выше прибыль, больше число самолетов в серии — ниже их цена за штуку.

Летающее крыло: оптимальный вариант

Но и М-60 — самолет все же компромиссный. По сути, это привычная схема авиалайнеров: «фюзеляж несет полезную нагрузку, крылья несут фюзеляж в воздухе». Вся разница в том, что здесь фюзеляж чуть шире, поэтому создает больше подъемной силы.

А ведь есть и более радикальные проекты: летающее крыло. Эта схема, где основную подъемную силу создает именно фюзеляж, выполненный в виде сравнительно толстого крыла. В российском Центральном аэрогидродинамическом институте давно отмечают: переход к таким самолетам поднимет аэродинамическое качество на 20-25%. Такое имело бы смысл и с керосином.

Концепт Airbus на водороде схемы «смешанное крыло» (разновидность «летающего крыла»). Компания считает, что на нем можно будет разместить до 200 пассажиров, а дальность при этом составит минимум 3700 километров. Сходный по вместимости обычный A321 (на керосине) имеет дальность на 2000 километров больше. Но если бы этот концепт летающего крыла был на сжиженном метане, его дальность была не хуже, чем у самолета на обычном топливе. Увы, западные компании на это никогда не пойдут: для них это неприемлемо по идеологическим соображениям, поскольку при сгорании метан образует углекислый газ

Источник изображения: Airbus

В случае с метановым самолетом компоновка «летающее крыло» еще важнее простой экономичности: тут создается рекордный внутренний объем. В его центральной части можно разместить метановый бак, позволяющий летать и на 10-15 тысяч километров. Но все равно останется больше места для пассажиров, чем в сегодняшних лайнерах, ведущих титаническую борьбу за то, чтобы уйти от кресел в 17 дюймов к креслам в 18 дюймов в ширину.

Следует четко понимать: крупных пассажирских лайнеров ни с несущим фюзеляжем, ни с «летающим крылом» никогда не было. Оба типа конструкций десятки лет остаются в эскизных проектах, поскольку сильно отличаются от существующих. И если несущий фюзеляж хотя бы имеет сходное с существующим управление в полете, то «летающее крыло» нуждается в существенно переработанной системе стабилизации в полете.

Концепт летающего крыла отечественного ЦАГИ, десятилетней давности. Аэродинамическое качество этой конструкции равно 23, то есть намного выше, чем у МС-21. Кроме того, объемный фюзеляж позволяет и решить вопрос о том, где размещать метановые баки. Одна незадача: госчиновники по сути те же наемные менеджеры, что и работники больших западных компаний. А значит, большинство из них имеют те же проблемы с принятием решения, что мы опишем св следующем разделе

Источник изображения: ЦАГИ

По описанным выше причинам на практике выбор между традиционным самолетом типа МС-21, несущим фюзеляжем (как у М-60) и «летающим крылом», как у концепта Boeing 754 Husky из 1970-х, даже не стоит. В условиях, в которых оказалась российская авиационная отрасль, нужно одновременно прорабатывать все возможные варианты. МС-21 в высокой степени готовности. Поэтому, несмотря на ограниченную дальность в 6400 километров (Москва — Хабаровск, не дальше) и дорогое топливо, его надо доводить до конца.

Попутно следует направить усилия всех на что-то способных конструкторских бюро на проекты «метановых» самолетов с несущим фюзеляжем, как более близкие к реализации, и «летающих крыльев» — как решений более перспективных. А уже затем, глядя на то, что у них получилось, на продувки в аэродинамической трубе, на результаты первых испытаний демонстраторов, стоит принимать решения о том, кому идти в серию.

Почему оптимальные варианты маловероятны

Конечно, наиболее вероятный сценарий развития события — совсем иной. МС-21 с отечественными двигателями и замещенной авионикой пойдет в серию, если не в 2024-м, то в 2025 году.

Однако, если авиапром оставят без жесткого давления со стороны заказчиков, требующих метановых самолетов, то он их никогда не разработает. Или сделает это по линии наименьших усилий — как, допустим, Ту-206. Оно и понятно: как отмечал один из крупнейших экономистов прошлого века Джон Кеннет Гэлбрейт, задача наемного управленца в крупной компании — не в максимизации прибылей, а в минимизации его личных рисков за принимаемые им лично решения. Любые технические новшества — это риск. Именно поэтому Boeing и Airbus с 1991 года рассказывают, как хотят перейти к «летающему крылу», но сами так никогда и не перейдут к нему.

Boeing Sonic Cruiser — типичный пример того, почему большой корпорации сложно внедрять что-то действительно новое. Неплохо проработанный самолет должен был летать на 15-20% быстрее обычных, с дальностью в 11-19 тысяч километров и затратами топлива на уровне обычных самолетов. Однако наемные менеджеры не любят рисковать, поэтому машина с передовой аэродинамикой так и не получила шанса оторваться от земли

Источник изображения: Wikimedia Commons

Аналогичным образом General Motors некогда «зарубила» собственный серийный электромобиль в пользу обычных: с теми меньше рисков для эффективных менеджеров. Ну а что, потом на рынок пришел ненаемный управленец Илон Маск и начал активно выдавливать GM и остальных с рынка — в этом ничего плохого для тех, кто «зарезал» электромобиль от GM не было.

К тому времени они уже оставили прежнее место работы. Ведь типичный наемный менеджер проводит в компании несколько лет, а ее конкурентоспособность в долгосрочном плане ему попросту неинтересна.

Как показывает Model 734 Husky, все тот же Boing еще с 1970-х знает, что фюзеляж самолета можно сделать несущим и очень просторным. Но что толку от знания, если ваш конформизм не дает его применить?

Источник изображения: Wikimedia Commons

Все те же факторы с полной силой определяют развитие авиационной индустрии сегодня, потому что в ней никакого Илона Маска нет и не предвидится. Соответственно, ожидать появления метановых самолетов в России не приходится. А значит, сбудутся прогнозы оставившего в конце февраля пост главы компании «Победа» Андрея Калмыкова: дешевых авиабилетов в нашей стране можно не ждать. На одном госсубсидировании их никак не вытянуть.