Аэродинамика как наука и искусство

Не за горами то время, когда вертолеты будут летать со скоростью свыше 400 км/ч, а в небо поднимется «самолет-гигант» с 500-тонным грузом на борту. Работы по магистральному воздушному судну и широкофюзеляжному дальнемагистральному самолету, разработка новых, порой самых неожиданных компоновок летательных аппаратов — самолетов схемы «летающее крыло», конвертопланов, двухфюзеляжных воздушных судов... Комплекс аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов является одной из самых больших и разнонаправленных структур Центрального аэрогидродинамического института. Заместитель генерального директора ФГУП «ЦАГИ» — начальник комплекса аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов, доктор физико-математических наук Сергей Ляпунов рассказывает о текущих и будущих проектах комплекса, поясняет, почему в аэродинамике нельзя терять желания фантазировать, и цитирует Конфуция.

О работах интегрирующего характера

— Сегодня комплекс аэродинамики насчитывает 850 человек, а это порядка 20 процентов всей численности института.

Сотрудники комплекса работают над проектами интегрирующего характера, когда в рамках той или иной научной темы объединяются усилия нескольких подразделений. В последнее время таких работ становится все больше. В рамках выполнения контрактов с Минпромторгом России, что составляет очень большую часть нашей работы, мы переходим от дисциплинарных исследований — аэродинамики, прочности, системы управления — к комплексным проектам объектовой направленности. В фокусе внимания специалистов — магистральные и сверхзвуковые самолеты, винтокрылая авиация и др. С одной стороны, интеграция — это положительный фактор, способствующий объединению наших усилий. С другой — он является неким вызовом и сопряжен с рядом трудностей. В этом отношении большая нагрузка ложится на организаторов работ — сотрудников комплекса аэродинамики. Хотелось бы отметить ряд специалистов — руководителей и ответственных исполнителей научных тем («Магистраль-технология/интеграция», «СДС/СПС-технология/интеграция», «ВКЛА»), которые успешно справились и в будущем продолжат работать в таком направлении. Это А.В. Волков, С.И. Скоморохов, В.Г. Юдин, А.В. Потапов, А.Л. Болсуновский, С.В. Герасимов, И.Л. Чернышев, О.Е. Кириллов, А.Н. Корнушенко.

Об основных объектах авиационной техники

Летательные аппараты, над которыми работают аэродинамики в последнее время, находятся на различных стадиях исследований. Некоторые уже летают и в обозримой перспективе будут выпускаться серийно.

Прежде всего это самолет МС-21, который в мае 2017 года совершил свой первый полет. Это революционный во многих отношениях авиалайнер, главным достоинством которого является широкое применение композитных материалов в высоконагруженных элементах. Здесь мы находимся на переднем крае мировой авиации. На первый взгляд, это задача конструкторов, материаловедов, прочнистов. Однако формируются определенные вызовы и для аэродинамиков. Применение неметаллических материалов показало, что те плюсы, которые можно из этого получить, разумнее переводить в аэродинамическую плоскость, а именно применять крыло большего удлинения, чем на самолетах предыдущего поколения. Для сравнения — типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения — порядка 9–10, в современных самолетах — 10–10,5, на МС-21 — 11,5.

Повышение удлинения крыла порождает новые вызовы и в его аэродинамическом проектировании. Была проведена большая и плодотворная деятельность специалистов комплекса. Мы с волнением и надеждой смотрим на дальнейшую судьбу самолета. Испытания продолжаются и в последнее время. Уточняются характеристики воздушного судна в условиях обледенения, нагрузки на различные элементы...

Вторая большая составляющая деятельности аэродинамиков ЦАГИ последних лет — интеграция планера и маршевой силовой установки МС-21. Сейчас самолет летает с зарубежным двигателем Pratt & Whitney. Но в перспективе воздушное судно будет эксплуатироваться и с отечественным двигателем ПД-14. Безусловно, его создание — тоже большая победа отечественного авиационного двигателестроения. Роль ЦАГИ и специалистов отделения аэродинамики силовых установок в его создании, формировании характеристик изделия достаточно велика. Мы провели обширный объем проектировочных исследований по мотогондоле двигателя, анализу условий работы как отдельно, так и в составе самолета.

Ряд объектов авиационной техники, над которыми мы работаем, находится на более ранней стадии исследования. В первую очередь, это широкофюзеляжный дальнемагистральный самолет (ШФДМС). Работы по данному российско-китайскому проекту мы начали около двух лет назад. Уже созданы первые модели, проведены расчеты по аэродинамическому проектированию.

Вообще в разработке широкофюзеляжного самолета рассматриваются разные направления, в том числе как вариант — Ил-96-400М. Бытует мнение — я говорю о прогрессе в аэродинамике — что аэродинамические схемы близки к оптимальным и их сложно улучшать. Тем не менее этот процесс происходит и становится заметен спустя несколько лет, а порой и десятилетий. Так Ил-96, созданный около 30 лет назад примерно при той же геометрии, имел крейсерскую скорость Маха полета 0,8–0,82. Современные разработки при той же толщине крыла, при той же стреловидности и тех же имеющихся ограничениях могут обеспечить число Маха 0,84–0,85. В ближайшее время будут проведены экспериментальные исследования новых скоростных крыльев, рекомендованных ЦАГИ.

Вторая составляющая работ по ШФДМС, которая сегодня еще только формируется, — это двигатели большой тяги для воздушного судна ПД-35. Перед двигателестроительными корпорациями стоит очень ответственная задача по разработке столь огромного агрегата. Двигателей в классе 30 тонн в нашей стране не выпускалось. В этом масштабном проекте мы также принимаем активное участие.

Радует, что перешла в практическую плоскость наша деятельность по созданию среднего военно-транспортного самолета Ил-276 (головной разработчик — ПАО «Авиационный комплекс им. С.В. Ильюшина»). Уже сделана предпроектная аэродинамическая модель во взлетно-посадочной и крейсерской конфигурациях, проведены испытания в трансзвуковой и малой дозвуковой аэродинамических трубах.

В области транспортной авиации в ЦАГИ рассматриваются и другие проекты, на первый взгляд, очень неожиданные и футуристические. И это хорошо, нельзя терять желания стремиться к чему-то радикально новому и смелому — тому, что может вызвать дискуссии.

Изучаются самые экзотические компоновки. Например, двухфюзеляжные транспортные самолеты, а также самолеты с очень большой грузоподъемностью (свыше 150 тонн). В фокусе внимания аэродинамиков института находятся и аппараты, способные летать как на большой высоте, так и вблизи земли, используя экранный эффект. Топливом для таких самолетов будет служить сжиженный природный газ. Речь идет о тяжелом транспортном самолете интегральной схемы. Отмечу, что названные компоновки прорабатываются коллективами молодых специалистов под руководством признанного лидера в данной области, известного ученого А.В. Петрова. Весьма отрадный факт.

О создании научно-технического задела

Кроме работы над объектами, важнейшей задачей ЦАГИ является формирование научно-технического задела для создания новых перспективных образцов авиационной техники.

Достаточно давно в ЦАГИ развиваются работы по обеспечению ламинарного обтекания пассажирских самолетов. Несколько слов о данном направлении, получившем в последние несколько лет новое дыхание. Это очень большой резерв с точки зрения повышения технико-экономических характеристик: уменьшается расход топлива, снижается сопротивление. Однако перечисленные плюсы привносят и существенные минусы. Дело в том, что самолетам с ламинаризированным обтеканием необходимо иметь более простую механизацию. Следовательно, пострадают взлетно-посадочные характеристики. Из-за уменьшения стреловидности может снизиться скорость. Соединить все это вместе, сбалансировать преимущества и недостатки — непростая задача, над которой работают аэродинамики. Мы спроектировали несколько конфигураций, в том числе с двигателями над задней кромкой крыла. В результате было показано, что ламинарное обтекание крыла можно обеспечить без существенных ухудшений характеристик.

Также рассматривается ламинаризация обтекания и других элементов летательного аппарата: мотогондол двигателей, вертикального и горизонтального оперения. В этом ключе работают специалисты-аэродинамики под руководством А.В. Лысенкова и В.Г. Судакова. Проект по разработке ламинарной мотогондолы в рамках контракта с АО «ОДК — «Авиадвигатель» стартовал в 2014 году и в перспективе будет развиваться.

К сожалению, из-за особенности течений в аэродинамических трубах моделировать ламинарное обтекание натурного объекта в установке невозможно в принципе. Конечное подтверждение вопросов ламинаризации течения необходимо в полете. Для этого нужен летающий демонстратор, который может базироваться на одном из существующих летательных аппаратов.

Солидное число проектов, в которых рассматриваются нетрадиционные компоновки различного толка, мы изучаем в содружестве с другими комплексами и подразделениями. В качестве примера можно привести компоновки с различными вариантами интеграции двигателя и планера. Кроме летных и летно-технических характеристик мы пытаемся получить «дивиденды» экологического характера, в частности, уменьшить шум на местности. Одна из таких компоновок — это «летающее крыло», над которой идет работа больше 25 лет. В отличие от компоновок классического типа здесь много сложных и порой неожиданных задач. Для их решения требуется тщательная проработка как на уровне расчетов, так и экспериментов.

Отдельно коснусь важных и нужных компетенций специалистов отделения аэротермодинамики гиперзвуковых летательных аппаратов и объектов ракетно-космической техники. Во-первых, это аэротермодинамика — вопросы аэродинамического нагрева на больших скоростях. Во-вторых, развивается космическая тематика, растут скорости полета других высокоскоростных объектов. Все это делает компетенции в этой области еще более важными и востребованными. И наконец, активно развивается направление работ, связанных с вопросами физики обледенения летательных аппаратов, защиты от данного явления и характеристик самолетов от опасных условий появления льда. Исследования в этой области проводятся коллективом под руководством А.Б. Миллера.

О международной деятельности комплекса

Если говорить о международной деятельности комплекса аэродинамики, развивается она хорошо и плодотворно. Хотелось бы рассказать о нескольких проектах.

Прежде всего, упомяну проект AFLoNext (2nd Generation Active wing — Active Flow, Loads & Noise Control on next Generation Wing / Активное крыло 2-го поколения — Активное управление потоком, нагрузками и шумом на крыле следующего поколения). Это важная и содержательная работа, которая стартовала в 2013 году и будет продолжаться еще несколько лет. В ней принимают участие 40 российских и зарубежных организаций, в том числе ФГУП «ЦАГИ». В создание крупномасштабной модели внесли свой вклад как сотрудники комплекса аэродинамики (В.Г. Судаков, И.С. Клипиков), так и специалисты других отделений (В.Е. Мошаров, Г.А. Амирьянц, А.О. Шардин и другие). Основная цель исследований — создание технологий для улучшения аэродинамических характеристик самолетов гражданской авиации следующих поколений на основе инновационных разработок систем управления обтеканием летательных аппаратов.

Исследования способов снижения звукового удара при полете сверхзвуковых самолетов, определение приемлемого уровня шума и вибрации для населения и зданий, над которыми производятся полеты, — тема еще одного международного проекта RUMBLE (RegUlation and norM for low sonic Boom Levels / Регламент и нормы для низких уровней звукового удара). Стартовал он в прошлом году и рассчитан на три года.

О работе вертолетного отделения

Не могу не отметить вклад наших коллег-вертолетчиков. Это подразделение, относительно небольшое, активно работающее, достигло в последние годы больших успехов. Из прорывных проектов упомяну два.

В 2016–2017 годах начала испытываться созданная на базе Ми-24 летающая лаборатория с новым несущим винтом. С точки зрения скоростных характеристик были достигнуты небывалые для классического вертолета значения — превышен рубеж 400 км/ч, в то время как современные вертолеты развивают скорость около 300–350 км/ч. В основе таких впечатляющих цифр — результаты НИР «Взлет-2015» и НИР «Перспективный скоростной вертолет». В этих исследованиях ученые и специалисты отделения приняли активное участие. В настоящее время продолжаются работы по рулевому винту для данного вертолета.

Вторая проблема, которую решают специалисты подразделения, — неуправляемое вращение одновинтовых вертолетов. Это один из наиболее опасных режимов полета такого типа винтокрылых машин. В рамках НИР «Вращение» создается стенд ВП-19, на котором затем будут проводиться эксперименты для изучения этого опасного явления. Работа очень важна для обеспечения безопасности и выполняется сотрудниками отделения под руководством В.А. Леонтьева и В.С. Крымского.

Под прицелом исследований наших коллег-вертолетчиков находятся и футуристические проекты, оригинальные идеи различного толка. Это и «скрещивание» вертолетов и самолетов, взлетающих вертикально, а в дальнейшем летающих по-самолетному. В перспективе будет создаваться демонстратор такой технологии...