Укротить сверхзвук

Сергей Леонидович, в ЦАГИ полным ходом идут испытания нового лайнера МС-21. Он должен взлететь в феврале-марте 2017 года?

Сергей Чернышев: Да, в первом квартале.

Всем интересно, как будет проходить первый полет? Какие предусмотрены маневры?

Сергей Чернышев: Никаких маневров. Первый полет любого самолета всегда выполняется с ограничениями. Взлет, разворот, участок прямолинейного полета, посадка. Идет мониторинг состояния конструкции, всех агрегатов и узлов. Это самый упрощенный вариант. Но, конечно, сама программа летных испытаний очень обширна и рассчитана, как минимум, на два года. В ней будут участвовать не один, а несколько самолетов.

А скорость в тестовом полете какая будет?

Сергей Чернышев: В первом испытательном полете скорость будет ограничена до величины примерно 460 километров в час.

В небо летчики-испытатели поднимут экземпляр, который в июне прошлого года выкатили из сборочного цеха корпорации "Иркут"?

Сергей Чернышев: Да, это так. А для статических испытаний планер сейчас собирается в ЦАГИ. По согласованному графику в феврале "Иркут" должен завершить сборку планера, а мы - оснастить его системами нагружений и измерений. Прежде, чем МС-21 поднимется с пассажирами в воздух, специалисты проведут комплекс статистических и ресурсных испытаний. Машина подвергнется самым экстремальным нагрузкам. На прочностных стендах отработают все возможные ситуации и все полетные случаи.

 Правда, что на фюзеляже установлено более одной тысячи датчиков? Будут испытываться 18 тысяч образцов разных агрегатов и каждый по своей программе?

Сергей Чернышев: На планере самолета для статических испытаний будет установлено более 10 тысяч датчиков. Только добавлю, что необходимая "пирамида" из многих тысяч образцов уже испытана. А сейчас мы на вершине "пирамиды" должны проверить на прочность самые крупные образцы - натурный кессон крыла, горизонтальное и вертикальное оперения, закрылки, другие органы управления и весь планер в целом с имитаторами шасси и двигателей.

На какие нагрузки проверяют самолет?

Сергей Чернышев: Обычно максимальная нагрузка (ее называют также расчетной) - в полтора раза больше, чем та, которая по статистике хотя бы раз встречается за время эксплуатации самолета. Возьмем жесткую посадку: это пиковая нагрузка на крыло, шасси и т.д. Все это нужно смоделировать. По программе МС-21 мы должны подтвердить, что лайнер остается прочным, полностью выдержав 180 тысяч циклов нагружений, характерных для реальной эксплуатации.

Случается, что во время экспериментов на самолете идут трещины или он ломается?

Сергей Чернышев: Наша задача заключается в том, чтобы не допустить разрушений раньше положенного времени. Приведу пример. На крыле МС-21 - до полутора тысяч датчиков. И во время постепенного нагружения мы осуществляем постоянный мониторинг состояния конструкции на предмет выявления слабых мест, которые могут потребовать своего усиления. Случайных разрушений практически не бывает, но в конце программы испытаний мы планер самолета все-таки обязательно сломаем. Спрашивается, зачем?

Важно определить: а какой у машины "потолок возможностей"? Это очень важная информация. Если окажется, что реальная нагрузка до разрушения самолета, например, в 2-3 раза больше, чем предполагалось, то значит, самолет "перетяжелили". Вложили слишком много материала. Это же лишний вес!

Эксперты говорят, что основной момент в испытаниях - проверка крыла на прочность и ресурс?

Сергей Чернышев: Крыло - очень сложный агрегат любого самолета. Напомню, что именно крыло в значительной степени определяет аэродинамическую эффективность всего самолета. Для МС-21 крыло - это еще и один из факторов обеспечения конкурентоспособности самолета. Поясню. Крыло такого огромного размера не только в основном сделано из композита, но и по новой инфузионной технологии. Впервые в истории авиастроения. Не вдаваясь в технические подробности, скажу: это новейшая прогрессивная технология, благодаря которой крыло получается прочнее, легче, технологичнее. И - заметно.

По сравнению с западными самолетами?

Сергей Чернышев: Конечно. "Боинг" и "Эрбас" используют уже давно апробированную препреговую, автоклавную технологию. Она требует большой энергетики и высоких расходов на производство изделия. А значит, и соответствующий агрегат получается достаточно дорогим.

Главное тут еще и другое: "черное крыло" для МС-21 имеет беспрецедентно большое удлинение. Типовое удлинение крыла у машин прошлого поколения около 8-9, у современных - 10-10,5. А вот на МС-21 оно составляет 11,5. Это напрямую влияет на аэродинамику. Поэтому у нового российского самолета она заметно лучше, чем у ближайших конкурентов - А320 и "Боинг-737"ра

Интересно, почему у МС-21 на крыльях нет законцовок?

Сергей Чернышев: Да, в версии МС-21-300, которая сейчас проходит испытания, законцовок не будет. Понятно, что законцовки добавляют аэродинамическое качество. Однако их установка - это дополнительный вес самолета. Устанавливать концевые крылышки или нет - это всегда вопрос многодисциплинарной оптимизации.

На данном этапе создания семейства самолетов МС-21 аэродинамические характеристики базовой компоновки и без этих "крылышек" достаточно хорошие. Решение по развитию крыла будет принимать конструкторское бюро. В любом случае, это резерв, который у нас пока не задействован. Наши конкуренты уже использовали все свои козырные карты. И мы уверены: отечественный самолет уже имеет серьезное конкурентное преимущество по аэродинамической эффективности.

В процентах это преимущество - сколько?

Сергей Чернышев: По нашим оценкам, аэродинамическое качество (отношение подъемной силы к сопротивлению) самолета МС-21 на 7-10 процентов выше, чем у конкурентов. Примерно то же преимущество и в расходе топлива. Но, конечно, все это надо подтвердить в полете.

Специалисты впервые испытывают композитное крыло, да еще в полный размер?

Сергей Чернышев: Да, впервые. Подчеркну, натурное крыло, которое изготовлено по серийной технологии. Ведь мы в процессе сертификации должны именно серийные технологии апробировать. Ранее мы испытали четыре прототипа кессона. По аэродинамике было рассмотрено девять вариантов геометрии крыла. Это только кажется, что все крылья одинаковые. На самом деле каждое - произведение искусства.

Специалисты провели в аэродинамических трубах более тысячи испытаний. Их результаты конструкторы учли в финальной конфигурации. Кстати, для МС-21 после тщательных исследований мы рекомендовали крыло, имеющее порядковый номер 9. Сейчас главная задача - подтвердить высокую прочность "боевого" композитного крыла, и программа испытаний, которая по своей сложности и уникальности не имеет прецедентов, идет полным ходом.

Догнать сверхзвук

Ученые возобновили исследования сверхзвукового самолета?

Сергей Чернышев: А они никогда не прекращались, хотя надо признать, что масштаб этих исследований - невелик. Главным технологическим вызовом здесь является обеспечение высокой аэродинамической и весовой эффективности самолета при соблюдении жестких ограничений на шум и звуковой удар. В ЦАГИ существует центр компетенции в области создания сверхзвуковых пассажирских самолетов. Могу сказать, что на новом витке развития технологий нашим ученым удалось найти тот хрупкий баланс между двумя противоречивыми факторами: хорошей аэродинамикой и низким экологическим воздействием самолета. Результатом исследований последних лет явился концептуальный облик такого самолета, воплощающий в себе компромиссные решения по его интегральной аэродинамической компоновке. Удалось получить хорошую аэродинамику, небольшой расход топлива, низкий уровень шума и звукового удара. То, чего не было у первого поколения "сверхзвуковиков". Почему они и прекратили летать.

А разве не из-за катастроф?

Сергей Чернышев: И "Конкорд", и Ту-144 были нормальные с точки зрения норм летной годности самолеты. Но экономически очень неэффективные. А главное - производили очень сильный звуковой удар. Население очень нервно на это реагировало. Соединенные Штаты, у которых такого самолета не было, практически сразу запретили у себя сверхзвуковые полеты над населенными районами.

Воздействие от ударной волны тогда даже сравнивали с взрывом?

Сергей Чернышев: Да, звуковой удар напоминает несколько следующих друг за другом взрывов. Уровень звукового удара (резкий перепад давления в ударной волне) от Ту-144 равнялся 100-130 Паскалей. Но наши современные исследования показали: его можно довести до 15-20. Более того, снизить громкость звукового удара до 65 децибел, а это эквивалентно шуму большого города. Приемлемый уровень, который человека не беспокоит. Опускать еще ниже? Смысла нет. Бесполезно делать самолет, который будет тише, чем шум от потока автомобилей на дорогах. Кстати, новый подход, который апробирован нами, - введение в обиход как раз второй характеристики звукового удара, - громкости, которая лучше отражает восприятие человека. А именно: в децибелах.

Насколько я знаю, никаких официальных нормативов по допустимому уровню звукового удара нет. И говорят, он будет определен не раньше 2022 года. Почему так долго? 

Сергей Чернышев: На самом деле, технически все готово, чтобы их принять. Наши специалисты участвуют в рабочих группах ИКАО. Мы следим за ситуацией, осуществляем мониторинг программ, направленных на принятие норм звукового удара. Но нужно еще провести целый ряд исследований с учетом человеческого фактора, включая экспериментальные пролеты над населенными районами. Сейчас создаются специальные демонстраторы, которые должны всех убедить, что можно летать над сушей со сверхзвуковой скоростью, не вызывая протестов населения. Нужно наработать большую статистическую базу данных. Принятие норм узаконит пролеты на сверхзвуковой скорости над населенными районами земли. Это будет революционное изменение в организации воздушного движения сверхзвуковых самолетов. самолет с каплевидным фюзеляжем уже прозвали

А что за новый проект "сверзвуковика" вы запустили вместе с КБ "Сухой" и МАИ?

Сергей Чернышев: Это проект сверхзвукового делового самолета, на 12-16 пассажиров, в котором кроме названных организаций участвуют и европейцы. На Западе этот проект назвали Rumblе, он направлен на обоснование приемлемых уровней звукового удара. Наши исследования, испытания в аэродинамических трубах доказывают: самолет может быть сделан и с хорошей аэродинамикой, и с очень низким уровнем звукового удара. На сегодняшний день мы значительно продвинулись в сверхзвуковых технологиях, а также гораздо лучше понимаем, как должен выглядеть такой самолет, какие иметь потребительские качества.

В Америке сейчас тоже разрабатывают сразу два проекта сверхзвуковых бизнес-джетов. У одного якобы какой-то нетипичный хвост, а у другого - совершенно необычное крыло.

Сергей Чернышев: Да, все ищут новых компоновочных решений. Конструкция нашего самолета тоже выглядит очень необычно. Как чайка в полете: V-образное крыло с большим углом раствора, консоли с меньшим углом, но тоже с V-образностью, фюзеляж с изогнутой центральной осью… Двигатели сверху, и это принципиально, поскольку за счет эффекта экрана снижается уровень звукового удара. Также на режиме взлета и посадки "экран" снижает и уровень шума от двигателей. По плану работ предусмотрено проведение наземного эксперимента на реальном двигателе для демонстрации эффекта экрана. Мы должны подтвердить заметное уменьшение шума струи за счет отражения акустических возмущений от плоской поверхности хвостовой части планера.

А двигатель какой будет?

Сергей Чернышев: Двигатель берем старый, и нам неважно, какой. Важно подтвердить, что принципы и технологии, которые мы закладываем в новый самолет, работают.

Сколько пассажиров сможет перевозить российский "сверхзвуковик"?

Сергей Чернышев: Нами рассматривается несколько вариантов: самолет на 12-16 пассажиров, также - на 60-80. Есть вариант совсем маленького делового самолета - на 6-8 пассажиров. Это разные веса. В одном случае машина будет весить примерно 50 тонн, а в другом - 100-120 и т.д. Но стартуем мы именно с первого из обозначенных сверхзвуковых самолетов. Почему с него? По разным оценкам уже сегодня есть нереализованная на рынке потребность в быстрых перелетах деловых людей на самолетах с пассажировместимостью 12-16 человек. И, конечно, машина должна летать на расстояние не меньше 7-8 тысяч километров по трансатлантическим маршрутам.

Четкие требования к самолету должен определить стартовый заказчик, и тогда на этапах эскизного проектирования и проведения опытно-конструкторских работ возможно некоторое изменение исходного облика самолета, полученного на этапе предварительного проектирования. Но обоснованные принципы снижения звукового удара останутся неизменными.

И когда может появиться такой самолет?

Сергей Чернышев: Я думаю, до летающего прототипа нас отделяет 10-15 лет. В ближайшее время по нашим планам должен появится летающий демонстратор, облик которого прорабатывается. Его главная задача, продемонстрировать основные технологии создания сверхзвукового самолета с низким уровнем звукового удара. Это необходимый этап работы. Серийный сверхзвуковой самолет нового поколения может появится на горизонте 2030 года.

Нос как у Ту-144 и "Конкорда" останется?

Сергей Чернышев: Маловероятно. Будут применены новейшие технологии, в том числе и для визуализации обстановки вне кабины. А отклонение носа - это дополнительные агрегаты и приводы, которые утяжелят конструкцию. Хотя оставим этот вопрос конструкторам.

Композиты будут применяться?

Сергей Чернышев: Безусловно. Мы рассматриваем сверхзвуковой самолет с крейсерской скоростью 1,8-2 Маха, то есть примерно в два раза быстрее скорости звука. Такая скорость является технологическим барьером для использования в конструкции планера обычных алюминиевых материалов. Нос фюзеляжа, кромки крыла нагреваются до 120 градусов. В полете, который длится 3-4 часа, материал и силовая конструкция все это должны выдерживать. Причем многие циклы. Поэтому наша мечта - сделать самолет полностью из температурных композитов. И хорошие наработки есть.

Можно сказать, что в мире началась гонка за "сверхзвуком"?

Сергей Чернышев: Это пока еще "пристрелка". Реальная гонка начнется, когда утвердят нормативы по звуковому удару. Вот тогда развернется борьба за рынок. И тот, кто первый его захватит, получит все преференции.

Несколько лет назад я лично общался с президентом крупнейшей авиакомпании деловых самолетов. В ее авиапарке - больше тысячи самолетов! И президент не скрывал, что с удовольствием купил бы с десяток сверхзвуковых бизнес-джетов. Мечта любого бизнесмена: утром перелететь через океан, заключить крупную сделку, а вечером вернуться домой и заснуть в своей собственной кровати, а не в гостинице. Современные самолеты летают не быстрее 900 километров в час. А сверхзвуковой бизнес-джет будет иметь крейсерскую скорость около 1900 километров в час. Представляете, какие открываются перспективы для делового мира?

Сверхзвуковой самолет - это шаг к гиперзвуковому?

Сергей Чернышев: В более дальней перспективе. Я думаю мирный "гиперзвук" появится не раньше 2050-2060 годов. В ЦАГИ вместе с нашими российскими партнерами проводятся работы по международному кооперационному проекту HEXAFLY-INT, в Европе его называют "флаговым" проектом - по созданию пассажирского самолета на водороде, способного летать в семь раз быстрее, чем скорость звука. То есть на скоростях, соответствующих числу Маха 7. И у нас, и в Европе уже ведутся экспериментальные и теоретические исследования. Первый этап совместной работы завершится в 2019 году демонстрацией в полете необходимого уровня технологий для осуществления длительного полета в атмосфере на гиперзвуке. В случае успеха, начнется второй более масштабный этап этого амбициозного проекта, с выходом на прототип гиперзвукового летательного аппарата. В проекте участвуют Россия, Европа и Австралия.

О "головастике", бочке и двух фюзеляжах

Каким вы вообще видите самолет будущего?

Сергей Чернышев: Прежде всего, это будет самолет во много раз безопаснее, чем нынешние. Сейчас мировая статистика примерно такова: одна серьезная авария на один миллион полетов. Поверьте, лет через 10-15 цифры будут другими. Новейшие технологии скажут свое слово. Кроме того, это будет самолет, который мало вредит окружающей среде и людям: низкий шум, малый уровень (или нулевой) вредных продуктов сгорания двигателя. Это будет самолет очень эффективный во всех отношениях.

А по формам? В каком направлении тут движется мысль ученых?

Сергей Чернышев: Идет поиск оптимальных аэродинамических компоновок, которые позволяют значительно улучшить основные параметры. Например, дозвуковой деловой самолет с каплевидным фюзеляжем, который прозвали "головастиком". Он способен лететь со скоростью, соответствующей числу Маха 0,85. При этом у него практически прямое крыло, которое может быть спроектировано как ламинарное, то есть со значительно меньшим сопротивлением. Отсюда есть все основания утверждать, что данный самолет будет высокоэффективным и по аэродинамическим характеристикам, и по расходу топлива.

Ведутся также работы по новой конфигурации дозвукового магистрального самолета в виде "летающего крыла": здесь, что называется, одним скачком процентов на 20-25 можно улучшить показатель аэродинамического качества. А это значит - и меньший расход топлива, меньшие выбросы окислов углерода и азота. Кроме этого, мы исследуем компоновки с эллипсовидным сечением фюзеляжа, как бы сплюснутые по вертикали. Есть проект, где двигатель будет не в форме "бочки", а "распределен" вдоль корневой части крыла. В области транспортных самолетов, мы тоже рассматриваем разные варианты, в то числе нетрадиционные, например, двухфюзеляжную схему…

В целом могу сказать, что ЦАГИ по-прежнему является одним из ведущих институтов авиационной отрасли. Через два года отметим свой столетний юбилей. Но мы не можем почивать на лаврах и находимся в постоянном поиске. Ведь в новых условиях обострившейся конкурентной борьбы необходимо сохранять свою дееспособность и технологическую конкурентоспособность. Над этой задачей постоянно работают ученые и инженеры нашего института. В исследованиях и разработках новых технологий мы создаем научно-технический задела в интересах всей авиационной отрасли страны.  Будь то нетрадиционные компоновки, новые виды летательных аппаратов будущего, или технологии безопасного полета в гармонии с окружающей средой, - все это и многое другое, чем занимается большая наука, сможет обеспечит качественный рывок вперед в развитии отечественного авиастроения. Другого пути к прогрессу у нас нет.

Источник: "Российская газета"