Профиль ЦАГИ

При создании первых летательных аппаратов ученые и инженеры опирались на саму природу, наблюдая за парящими в небе птицами. Сегодня в распоряжении представителей научного сообщества куда больше возможностей — широкий арсенал численных методов и мощная экспериментальная база. И, конечно, бесценный опыт.

За прошедший век авиация прошла подлинную эволюцию. Во многом благодаря совершенствованию крыла и, в частности, — его профиля, который является «символом» ЦАГИ. В институте накоплен колоссальный опыт, который помогает ученым эффективно решать задачи проектирования несущей поверхности современных самолетов. Мы решили узнать об этом из первых уст и встретились с человеком, который знает о крыльях все, — начальником отдела отделения аэродинамики самолетов и ракет ЦАГИ Анатолием Болсуновским

Человек, который знает о крыльях все

Путь в аэродинамике, которую наш собеседник называет «прекраснейшей из наук», начинался весьма символично. «Когда я только собирался посвятить ей свою жизнь, было 75-летие полета братьев Райт», — рассказывает Анатолий Лонгинович. И вот уже 40 лет занимается созданием компоновок и, в частности, крыльев, которые находят успешное применение на реальных летательных аппаратах.

«Ученый должен быть частично большим ребенком, чтобы постоянно проявлять любопытство и задавать вопросы. А как это устроено? А что будет, если сделать вот так? А кто это доказал и когда?» — считает он. Трудно не согласиться: история научных открытий это доказывала не раз. Анатолий Лонгинович любит приводить в пример лауреатов Нобелевской премии по физике Андрея Гейма и Константина Новоселова. Им удалось впервые получить и идентифицировать графен при помощи карандаша и скотча, несмотря на «доказательство» Ландау, что такие структуры невозможны. «Возможность работать по «свободному поиску» очень важна для человека, занимающегося наукой. Тогда помимо вполне рабочих, но «средних» решений могут «родиться» по-настоящему оптимальные, хотя и более «капризные», — размышляет А.Л. Болсуновский.

Базовое сечение авиации

За свою историю крыло самолета претерпело немало изменений. Один из примеров — от конструкции большой площади постепенно пришли к более тонкому и удлиненному варианту. И к этому процессу совершенствования непосредственное отношение имел наш институт. Ведь ЦАГИ — пример того, как люди, желающие удовлетворить то самое исследовательское любопытство, смогли создать масштабный научный центр со своим профилем. И подобная игра слов здесь абсолютно не случайна. Хорошо обтекаемый профиль, или, как его принято называть, «базовое сечение», — это и логотип ЦАГИ, и основа крыла, его подъемной силы, устойчивости, сопротивления.

Фактически с момента основания институт занимался созданием высокоэффективных профилей крыла для отечественной авиации, координаты сечения которых публиковались в специальных атласах. «Существовал целый набор готовых решений. При проектировании самолета конструктор обращался в ЦАГИ за рекомендацией: какое базовое сечение поставить в корне, какое — в конце крыла», — поясняет А.Л. Болсуновский. Иными словами, несущая поверхность представляла собой набор профилей, которые ставились по размаху.

В нашу цифровую эпоху, благодаря развитию численных методов, аэродинамики ЦАГИ применяют новый подход, проектируя крыло целиком. «Использование программных средств позволяет нам „подойти“ к нему как к единой конструкции и учесть сразу всю пространственную конфигурацию», — рассказывает ученый. По такому принципу разработаны несущие поверхности современных российских гражданских самолетов: «В основе их крыльев — порядка семи-восьми базовых сечений. Для сравнения, несущая поверхность самолетов предыдущего поколения включала в себя два-три ранее созданных, „готовых“, профиля, которые могли быть незначительно модифицированы для конкретного летательного аппарата».

Крыло само по себе — объект весьма сложной формы. Ученые и инженеры работают над тем, чтобы дать летательному аппарату самые лучшие аэродинамические характеристики при различных режимах полета. Но при этом — стремятся удовлетворить всем возможным ограничениям по прочности и конструкции. «Увязать все воедино — это, действительно, непростая задача. И здесь расчетные методы бесценны, так как помогают изначально оптимизировать все базовые сечения крыла под требования, диктуемые выбранной компоновкой воздушного судна, а также условия обтекания. Такой подход открывает нам путь к созданию крыла с максимально лучшими характеристиками — по аэродинамике, скорости, подъемной силе и т.д.», — рассуждает Анатолий Лонгинович.

Использование большого количества базовых сечений — это возможность создать оптимальное крыло с точки зрения обтекания, весовой эффективности и получения достаточного внутреннего пространства, которое используется для размещения элементов механизации, топливных баков и пр. Тем не менее здесь, как и везде, существует компромисс: не стоит слишком усложнять конструкцию крыла — ведь это повлечет за собой и дополнительные трудности при его производстве и как следствие — сделает сам самолет дороже в изготовлении.

От профиля — к самолету

В ЦАГИ применяется методика аэродинамического проектирования крыльев, состоящая из четырех этапов. Все начинается с выбора предварительной геометрии крыла. Здесь главные факторы, которыми оперирует ученый, — удлинение, стреловидность и относительная толщина. На следующем этапе идет проработка, улучшается распределение давления и закладывается низкое волновое сопротивление — применительно к режиму крейсерского полета. Далее специалисты оптимизируют параметры конфигурации крыла, стремясь добиться такой конструкции, которая будет максимально соответствовать требуемым целевым показателям. По словам Анатолия Болсуновского, этот блок работы самый трудоемкий, так как включает в себя значительный объем расчетов для достижения наилучшего результата и «тонкой настройки». Впереди — создание аэродинамической модели для трубных испытаний, которые должны подтвердить полученные ранее расчетные характеристики. Четвертый этап — это итоговая корректировка местной аэродинамики крыла, в том числе законцовок, деталей пилона и т.д. «Здесь важно предотвратить факторы, ухудшающие ключевые аэродинамические характеристики», — рассказывает наш собеседник.

Что же такое высокоэффективное крыло сегодня? Это конструкция, готовая к большим нагрузкам и при этом имеющая высокую аэродинамическую эффективность, подчеркивает Анатолий Болсуновский. Но крыло современного летательного аппарата требует и принципиально нового взгляда непосредственно на процесс проектирования. «Сначала мы сделали шаг от профиля к крылу, а сейчас идем еще дальше: от крыла — к летательному аппарату. Мы сразу же, „на берегу“, стремимся интегрировать множество факторов. Речь идет о взаимном влиянии (интерференции) крыла и фюзеляжа, крыла и мотогондолы двигателя, крыла и пилона и т.д.».

Кстати, эти вопросы активно исследовались в рамках работы над проектом перспективного тяжелого транспортного самолета «Слон», за которую наш собеседник и его коллеги были в 2021 году удостоены престижной награды — первой премии ЦАГИ. В его аэродинамической компоновке применено развитое сверхкритическое крыло — типичное решение для многих современных самолетов, которое дает воздушному судну существенное преимущество по скорости — порядка 50 км/ч по сравнению с самолетами-предшественниками, несмотря на наличие четырех двигателей на пилонах под крылом.

«От того, насколько точно и комплексно мы учитываем интерференцию крыла с другими элементами летательного аппарата, зависит эффективность компоновки, которая будет удовлетворять актуальным требованиям по аэродинамическому качеству, скорости, топливной эффективности, аэроакустике и т.д.», — размышляет ученый. И это очень важный момент: ведь, по его словам, крыло имеет тенденцию к уменьшению, а двигатель, наоборот, увеличивается. И это тоже надо «закладывать» в концепцию изначально, особенно, если принять во внимание один из трендов современной авиационной индустрии: интеграцию силовой установки с планером.

В трубу — «с широко открытыми глазами»

По словам Анатолия Болсуновского, в аэродинамической трубе «уловить» тонкие интерференционные эффекты непросто, поэтому здесь на помощь ученым и приходят расчеты. «Нередко бывает, что компоновка летательного аппарата несколько раз меняется в процессе проектирования. Это нормальный процесс поиска. Например, в части расположения двигателя относительно крыла. Компьютерное моделирование позволяет находить то самое оптимальное решение прежде, чем будет изготовлена модель и проведены ее испытания».

Возвращаясь к численным методам, надо сказать, что они тоже прошли большой путь — рука об руку с авиацией. Вычислительная аэродинамика получила бурное развитие в 70–80-е годы прошлого столетия, но компьютерная техника еще не была столь совершенной, как сейчас. Поэтому раньше получение численных результатов требовало очень много времени: «Весь процесс мог занять сутки или более. Сейчас это происходит за несколько секунд. В миллионы раз быстрее! Но — и это самое главное — то, что раньше невозможно было посчитать в принципе, сегодня не только считается, но и оптимизируется».

Численный эксперимент — это тоже возможность удовлетворить научное любопытство. Но вместе с тем — это еще и гибкий инструмент для того, чтобы оптимизировать геометрию летательного аппарата. «Когда я задумываю модель перспективного самолета, изначально не знаю, какой именно она будет. Поначалу ты создаешь то, что кажется разумным. И уже в процессе совершенствуешь проект, получая данные расчетов и испытаний», — рассказывает Анатолий Лонгинович.

Тем не менее любой, даже самый точный расчет нуждается в верификации. «Трубный эксперимент необходим, и именно на его результат мы опираемся. Но главный плюс развития вычислительной аэродинамики в том, что мы заранее можем учесть множество нюансов при проектировании крыла и идти на испытания «с широко открытыми глазами», — считает А.Л. Болсуновский.

Перспективное крыло как «челлендж» для ученых

А что же дальше? Ученый выделяет несколько направлений, которые имеют потенциал для исследования и модернизации главного элемента самолета. Во-первых, ламинарное крыло — фундаментальная тема, которая, тем не менее, остается актуальной и сегодня. Во-вторых, интегральные компоновки летательных аппаратов, такие как, например, «летающее крыло» — в такой схеме несущая поверхность и фюзеляж представляют собой единое целое. Еще один тренд современной авиаиндустрии — концепции с электрическими силовыми установками, которые также ставят перед учеными новые вопросы относительно облика крыла. Наконец, нельзя забывать о более полном внедрении композиционных материалов и новейших бионических принципов в конструкцию воздушного судна. Это, по словам А.Л. Болсуновского, открывает больше возможностей для проектирования несущей поверхности.

«В настоящее время ученые подошли к той точке, когда время бросает новый вызов, „челлендж“. Мы должны предложить новые концепции крыла и — если смотреть дальше — самолета, которые позволят воздушному транспорту соответствовать требованиям будущего».