«Инженеры закладывают принципы биоподобия в конструкции будущих самолетов»
В России спроектировали самолеты на 220–250 пассажиров в компоновке «летающее крыло», которая позволит перевозить на 45% больше полезной нагрузки, чем современные аналоги. Об этом в интервью «Известиям» рассказал научный руководитель ЦАГИ, вице-президент РАН академик Сергей Чернышев. Также он сообщил о других передовых разработках в самолетостроении — биоподобных сетчатых авиационных конструкциях, применении эффекта суперциркуляции потока, беспилотнике вертолетного типа с изменяемой геометрией сопел и других инновациях.
«Большинство исследований ориентированы на создание новых технологий, а не самолетов»
— Сергей Леонидович, на каких проектах сейчас сосредоточены специалисты вашего института?
— ЦАГИ — это ведущий научный центр авиационной промышленности России. Главная обязанность, которую на нас возлагают, — это создание научно-технического задела, необходимого для успешного развития авиации. Другое важное направление — это проведение испытаний, которые обеспечат достижение заданных технических характеристик летательного аппарата.
Разработка новой авиатехники способствует укреплению суверенитета страны. Основное внимание уделяется вопросам безопасности и эффективности полетов.
— Расскажите, какие новые разработки создают в институте?
— Большинство исследований ориентированы на создание новых технологий, а не самолетов. Это во многом рутинная модернизация. Однако через 10–30 лет эти технологии позволят получить принципиально новые типы летательных аппаратов.
Например, уходят в прошлое традиционные формы самолетов типа «труба с крылом» и висящими двигателями на нем. Сейчас такие схемы близки к пределу возможностей по их аэродинамическим характеристикам.
Новые разработки связаны с интегральными схемами, в которых трудно сказать, где заканчивается фюзеляж и начинается крыло. На инженерном сленге такие схемы получили название «летающее крыло». Согласно расчетам, такие компоновки летающего крыла могут скачкообразно улучшить аэродинамические качества самолетов на 25–30% по сравнению с лучшими нынешними образцами авиационной техники.
Сейчас мы воплощаем концепты таких воздушных судов в виде цифровых двойников и уменьшенных готовых моделей, с которыми проводим численные эксперименты и натурные испытания в аэродинамических трубах.
«Сетчатую конструкцию заложили в проект крыла и фюзеляжа нового пассажирского сверхзвукового самолета»
— Можете привести примеры проектов новых воздушных судов?
— Да, например, в ЦАГИ закончили комплексные исследования вариантов компоновки нового самолета для магистральных пассажирских перевозок (то есть 220–250 пассажиров на дальность до 10 тыс. км). В качестве оптимальной конструкции определили компоновку с овальным в поперечном сечении фюзеляжем, среднерасположенным крылом и интегральным наплывом между ними.
Такой наплыв участвует в создании подъемной силы и более выгоден с точки зрения аэродинамики. Также он дает большую строительную высоту в корневой части крыла, что позволяет увеличить его удлинение. При этом дополнительные объемы внутри наплыва позволяют разместить в нем шасси и многие функциональные системы самолета.
Вместе с тем приплюснутая конструкция фюзеляжа имеет пониженное лобовое сопротивление. При этом создается внутренний объем для комфортного размещения пассажиров на верхней палубе и груза — на нижней. Такая компоновка позволяет перевозить на 45% больше полезной нагрузки, чем два отсека в классическом варианте.
— Какие еще «рутинные» проекты создают в ЦАГИ?
— Сегодня много говорят о биоподобных технологиях. То же происходит и в авиастроении. Инженеры закладывают принципы биоподобия в конструкции будущих самолетов. Одно из таких решений — внедрение вместо традиционного силового каркаса (продольных стрингеров и поперечных шпангоутов) бионических сетчатых конструкций. Они имеют структуру, которая напоминает строение живых тканей — растений или животных.
Такой подход позволяет уплотнить сетку в местах, где больше нагрузок, и сделать реже, где они незначительные. Это уменьшает вес воздушного судна, что во многом определяет его эффективность.
Сетчатую конструкцию заложили в проект крыла и фюзеляжа нового пассажирского сверхзвукового самолета. При моделировании и испытаниях были получены хорошие результаты. Проект будет продолжен и, вероятно, позволит выйти на новый уровень в авиационном материаловедении. Кстати, в этом компоненте российская конструкторская школа лидирует в мире.
«Мы увидим дальнемагистральные самолеты, которые будут использовать электроэнергию в качестве источника питания»
— Какие возможности дает интегральная компоновка воздушных судов в двигателестроении?
— Такие подходы дают простор для инженерного творчества. В частности, позволяют реализовать новые идеи по расположению двигателей, конфигурации оперения, размещению пассажирской кабины, грузового отсека.
Например, в ЦАГИ рассмотрели вариант воздушного судна, в конструкции которого используется эффект суперциркуляции. В этом случае силовые установки размещены не в нижней части крыла, а в верхней, где еще больше разгоняют воздушный поток. При этом возникает дополнительная подъемная сила за счет искусственного увеличения циркуляции несущей поверхности.
Вместе с тем в рамках концепции «летающего крыла» инженеры института прорабатывают варианты распределенной силовой установки нового типа — с множеством двигателей, размещенных под, над крылом, в передней и задней его части. Такие компоновки обеспечивают большую безопасность полета, поскольку группа силовых агрегатов компенсирует выход из строя одного или нескольких из них.
Также интегральные компоновки способствуют развитию эффективных гибридных схем, в которых объединены возможности тепловых и электрических двигателей. Вероятно, в середине века мы увидим дальнемагистральные самолеты, которые будут использовать электроэнергию в качестве основного источника питания.
— Какие транспортные средства создают в ЦАГИ для полетов внутри городских агломераций?
— Среди прочего в институте разрабатывают небольшой беспилотный вертолет с электродвигателем. Его главная особенность — это новая система управления. Обычные вертолеты используют сложные механизмы (вроде автомата перекоса), особенно у соосных схем, где устройство еще сложнее. В новом проекте управление происходит за счет двух хвостовых балок с регулируемыми соплами. Изменяя направление и силу воздушных струй, система создает нужные условия, чтобы вертолет мог стабильно летать и маневрировать. Это решение проще и эффективнее традиционных систем.
Помимо этого, инженеры института спроектировали летательный аппарат с фиксируемым в полете несущим винтом-крылом. Это судно может служить в качестве воздушного такси. Оно объединяет свойства вертолета и самолета — может вертикально взлетать и зависать в пространстве, но при этом развивает высокую скорость в горизонтальном полете.
После достижения определенной скорости несущий винт аппарата фиксируется, превращаясь в крыло самолетного типа, которое во время полета создает подъемную силу. В таком виде воздушное судно может разгоняться до 800 км/ч и преодолевать расстояния до 1000 км. Проект уже детально проработан, а работоспособность аппарата подтверждена с помощью компьютерного моделирования и натурных экспериментов с моделями в аэротрубе. Сейчас перспективы реализации проекта обсуждают с промышленниками. Достижение договоренностей позволит приступить к созданию демонстратора технологий и последующим этапам.
«У нас есть шансы снова стать первыми в разработке сверхзвукового пассажирского магистрального самолета»
— Сергей Леонидович, вам только что исполнилось 70 лет. Более 40 лет трудитесь в ЦАГИ. Как формировались ваши научные интересы?
— В детстве ходил в кружок авиамоделизма, нравилось работать руками. Сначала делал планеры, потом кордовые модели, затем радиоуправляемые. В стране поддерживали увлечение техническими видами спорта. Это разумная и правильная система — создание работающих механизмов стимулирует ум и развитие личности.
Позже начал решать задачи заочной физмат-школы МФТИ и решил идти в этот вуз по авиационному направлению. Так связал жизнь с авиацией. Пошел уже пятый десяток, как работаю в ЦАГИ. Это ведущий научный центр по-настоящему мирового класса. Могу назвать больше десятка направлений исследований института, по которым российская наука опережает мировые достижения.
— Какое воздушное судно вы бы хотели создать?
— У нас есть шансы снова стать первыми в разработке сверхзвукового пассажирского магистрального самолета. В 1968 году мы уже были первыми, запустив Ту-144. Сейчас можно сделать новое, современное воздушное судно, которое будет тратить меньше топлива, меньше загрязнять воздух и не будет создавать громкий хлопок при преодолении звукового барьера.
Для этих целей есть необходимые технологии, научные и инженерные знания. Нужно лишь немного смелости и ресурсов, чтобы реализовать проект. Наша промышленность завершает этап испытаний современных гражданских самолетов Superjet 100 и МС-21, которые скоро начнут перевозить пассажиров. Скорости полета будут около 850 км/ч. Чтобы сократить время перелетов по стране, нужен сверхзвуковой лайнер. С его помощью полет от Москвы до Владивостока, например, составит около четырех часов.
— На каком этапе этот проект?
— Сейчас при поддержке Минпромторга разрабатывается уменьшенный в размерах летный демонстратор технологий под названием «Стриж». Главная задача демонстратора — убедиться в том, что ключевые технологии как в области создания планера, так и в сфере проработки эффективной аэродинамики соответствуют нашим ожиданиям. Также в полете будет продемонстрирована возможность тихого преодоления звукового барьера и крейсерского полета со сверхзвуковой скоростью.
Работы по проекту ведутся в настоящее время, а летные испытания демонстратора технологий планируются в ближайшие три-четыре года.
— В мире появляются проекты, основанные на новых способах передвижения. Какие разработки в этой сфере ведут в ЦАГИ?
— Альтернативные разработки популярны у молодых специалистов. При ЦАГИ для этих целей создан технопарк — инновационная площадка для развития проектов в сфере высоких технологий. Там базируются стартапы и полет фантазии не знает границ! И это хорошая возможность для молодых конструкторов показать себя и создать необычные проекты, которые, может быть, найдут свое место в мире будущего.
Среди таких разработок можно привести в пример аппараты, основанные на принципе машущего крыла. В них разработчики стремятся воссоздать кинематику и динамику полета птиц и насекомых. Другой пример — устройство, которое в среде инженеров получило шуточное название «летающая кастрюля». У этого аппарата нет дна, а внутри находится пропеллер. Он создавался в качестве демонстратора технологий беспилотного летательного аппарата для оказания помощи в обслуживании высотного технологического оборудования и других целей.