На пути к пассажирскому сверхзвуку

Какие задачи необходимо решить, чтобы сверхзвуковые самолеты вернулись к пассажирским перевозкам? К каким фундаментальным исследованиям сегодня обращаются специалисты в области авиастроения? Насколько удалось сохранить международный научный диалог? Об этом ― в интервью с научным руководителем Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ, входит в НИЦ «Институт им. Н.Е. Жуковского»), вице-президентом РАН академиком Сергеем Леонидовичем Чернышевым.

― В ЦАГИ объединены самые разные исследования в области самолетостроения, в том числе и разработка пилотажных стендов, и исследования аэрогидродинамики, и прочностные исследования. Какие из направлений работы ЦАГИ сегодня более актуальны и чему уделяется больше внимания?

― Главная специализация нашего института, которому уже больше 100 лет, отражена в его названии: это аэродинамика дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей. Многие удивляются, что кроме этих исследований мы ведем научный поиск и по другим направлениям. Но напомню, что ЦАГИ изначально задумывался как некий, как сегодня принято говорить, центр компетенций по всем направлениям наук, связанных с полетом аппаратов в атмосфере или движением в водной среде. При этом концептуальное проектирование самих аппаратов, более совершенных, чем исходные, также в исследовательской повестке ЦАГИ.

Поэтому кроме аэрогидродинамики мы изучаем вопросы, связанные с прочностью конструкций, системами управления, акустикой и образованием шума. Особое место занимают работы по созданию методов математического и экспериментального моделирования сложных явлений, возникающих при обтекании летательного аппарата, а также методов его многодисциплинарной оптимизации. Вообще трудно назвать какое-либо научное направление, связанное с полетом в атмосфере летательных аппаратов, которое бы не исследовалось в ЦАГИ.

Но жизнь расставляет свои приоритеты, и приходится направлять усилия на решение первоочередных задач, скажем, связанных с применением искусственного интеллекта или использованием нанотехнологий, в том числе в диагностике состояния силовых конструкций. Кстати, в области прочности летательных аппаратов магистральное направление сегодня ― использование композиционных материалов в силовых конструкциях. В этой области очень много аспектов. Надо не просто создать технологию изготовления крыла или фюзеляжа из композита, но и понимать, как эта конструкция будет вести себя при длительной эксплуатации: через 10, 15 или 20 лет, какое влияние на ее прочность окажут климатические воздействия. Например, влага, впитавшаяся в композиционный материал, на высоте крейсерского полета, где температура около –50 оС, превратится в лед, распирающий конструкцию изнутри.     

Главный критерий успешности в гражданском авиастроении ― это обеспечение безопасности полетов. Количество взлетов всегда должно равняться количеству успешных посадок ― это главный закон, если хотите, флаг, который развевается над всем, что делает наша авиационная промышленность. Безопасность должна быть заложена и в конструкции, и в аэродинамике, и в системах управления. Кроме того, в широком смысле важна и безопасность с точки зрения экологического воздействия. Конечно, людям не нравится, когда на голову сыплются продукты сгорания топлива или создается излишний шум в районе аэропорта. Над этими вопросами сегодня напряженно и успешно работают ученые и инженеры в области авиастроения.

― Вы руководите лабораторией, занимающейся исследованиями в области пассажирских сверхзвуковых самолетов. Какие задачи сегодня надо решить, чтобы сверхзвук вернулся в гражданскую авиацию?

― Я как научный руководитель ЦАГИ поддерживаю все направления, соответствующие сегодняшним приоритетам научного развития. В рамках программы научного центра мирового уровня «Сверхзвук», которая финансируется и поддерживается Министерством науки и высшего образования, я заведую лабораторией аэродинамики и концептуального проектирования сверхзвуковых пассажирских самолетов. 

Для того чтобы сверхзвук вернулся в нашу жизнь, надо решить три крупные задачи. Во-первых, надо обеспечить бóльшую эффективность полета на сверхзвуковых скоростях ― снизить расход топлива, для чего нужны хорошая аэродинамика и более легкая и прочная конструкция самолета.

Вторая задача ― это обеспечение экологической безопасности сверхзвукового самолета. В частности, это значит, что шум при взлете и посадке должен оставаться в рамках допустимых уровней, регулируемых Международной организацией гражданской авиации (ICAO). С точки зрения экологии также должна быть решена проблема звукового удара ― это резкий шум, вызванный распространением ударных волн при сверхзвуковом полете. В общем, высокий уровень звукового удара у сверхзвуковых самолетов первого поколения и стал главным фактором, из-за которого сверхзвуковые полеты были запрещены над населенными районами в Европе и США. Например, «Конкорды», которые эксплуатировались около 20 лет, летали на сверхзвуковых скоростях только над океаном именно из-за того, что взрывообразный шум ударной волны вызывал большое беспокойство людей, особенно если это происходило ночью. В современных условиях этот показатель сверхзвукового полета будет строго регулироваться. Я говорю «будет», потому что нормы на допустимый звуковой удар пока не приняты, хотя эта работа в ICAO близится к завершению. Поэтому сегодня важно создать самолет, который, с одной стороны, будет эффективен, а с другой ― экологически безопасен. 

Третий аспект возвращения сверхзвуковых пассажирских самолетов ― это регулирование их полетов в глобальной системе организации воздушного движения. Сверхзвуковые самолеты будут летать на высоте около 15 км. Существующую систему управления воздушным движением необходимо адаптировать к быстро и высоко летящим самолетам. Для диспетчеров воздушного движения это непростая задача. Во времена эксплуатации нашего «Ту-144» ― первого в мире сверхзвукового пассажирского самолета, который начал летать на полгода раньше, чем французско-британский «Конкорд», операторы воздушного движения жаловались, что не успевают переключаться от одной управленческой зоны к другой: как только они брали пролетающий сверхзвуковой самолет на контроль, он уже переходил в другую зону контроля. Система УВД должна быть перестроена для того, чтобы учитывать быстро летящие самолеты.

Это три крупные задачи, которые необходимо решить, чтобы вернуть сверхзвуковые пассажирские самолеты к эксплуатации. Необходимо, но недостаточно! Самолет должен быть оснащен двигателями, всеми системами жизнеобеспечения, включая систему управления с искусственным интеллектом, систему технического зрения и др.

― К каким фундаментальным исследованиям ученые обращаются, развивая самолетостроение?

― Я бы говорил о фундаментальных и поисковых исследованиях ― это исследования, ориентированные на более узкую сферу и в перспективе направленные на решение конкретной прикладной задачи. Именно так во многом ставится задача для Российской академии наук ― проведение ориентированных фундаментальных исследований с выходом на конкретный результат в том или ином направлении науки и техники. Результатами могут быть лабораторный образец, программа расчета, новый материал с уникальными свойствами или другие конкретные достижения. Это сегодняшние требования: фундаментальные исследования не могут быть бесконечным процессом ради самих исследований. В этой области мы работаем в согласии с Министерством науки и высшего образования, которое финансирует ряд исследовательских программ.

Направления фундаментально-поисковых исследований, направленных на развитие авиа- и кораблестроения, очень обширны. Прежде всего, это механика. Многие думают, что в механике все давно известно, хотя на самом деле это вечно молодая наука, в которой остается много нерешенных задач. Например, конструкции из композиционных материалов, о которых мы говорили ранее, разрушаются совсем иначе, чем металлические конструкции. Сегодня на многих самолетах, сделанных из металла и находящихся в эксплуатации, есть трещины. Это абсолютно нормально ― летать на самолете с трещинами. Но в рамках мероприятий поддержания летной годности и обеспечения безопасности полетов все трещины выявляются и за ними ведутся наблюдения. Современные методы механики позволяют достаточно точно прогнозировать их рост и не доводить до глобальных разрушений несущей конструкции. Композитные материалы ведут себя по-другому: при определенных нагрузках они разрушаются взрывным образом, и с этим ничего нельзя поделать. Понять, как эффективно отслеживать состояние конструкции, созданной из силового композита, ― это задача механики сегодня. И таких задач можно назвать очень много.

Можно упомянуть вопросы использования нанотехнологий и информационных технологий при создании объектов машиностроения и поддержания их жизненного цикла. Отдельное направление, связанное с применением искусственного интеллекта и обработкой большого объема данных, ― это вопросы управления движением машин и другими сложными процессами.

Сегодня многие науки переплетены между собой и дополняют друг друга. Возвращаясь к композитам: создание конструкций из таких материалов ставит задачу их утилизации. Если металл можно переплавить, то композиты могут столетиями копиться на свалках. Поэтому встает вопрос создания биоразлагающихся композиционных материалов, над которым сегодня совместно работают материаловеды, химики и биологи.

Наука стала настолько многодисциплинарной, что зачастую трудно провести границы между ее отдельными направлениями. Так, например, Нобелевскую премию по химии 2023 г. получил ученый-физик за исследования в области квантовых точек. И вопрос о том, что это за область науки ― физика или химия, имеет чисто риторический характер. Все переплелось, и решение научной проблемы часто находится на стыке дисциплин. Успеха добивается ученый, который, пройдя определенный путь в науке, видит изучаемую проблему с разных сторон и шире собственного узкого направления.

― В период перестройки вы налаживали контакты ЦАГИ с международными организациями, в том числе научными. Как сегодня складывается международный диалог и насколько актуальна проблема с технологической независимостью в области авиастроения?  

― Действительно, я занимался международными контактами в самом конце 1980-х ― начале 1990-х гг. В Московском физико-техническом институте, где я учился, хорошо поставлено преподавание английского языка, и он мне давался легко. Когда в конце 1980-х гг. началось бурное развитие международных связей, руководство ЦАГИ предложило мне использовать свой научный багаж и свое знание языка для организации научно-технического сотрудничества института с научными центрами и компаниями зарубежных стран, прежде всего в США и европейском сообществе. Освоение нового направления было для меня очень интересным делом.

Первое, чему я удивился, когда стало налаживаться общение с коллегами за рубежом, ― это то, что уровень развития отечественной науки в аэрокосмическом направлении оказался нисколько не ниже зарубежного. Безусловно, в США, Франции, Англии, Германии очень сильная наука, но я был удивлен, насколько мы конкурентоспособны по многим направлениям. Мы себя просто недооценивали как специалисты. Раньше казалось, что все лучшее ― на Западе. Выяснилось, что это не так. Например, в аэродинамике, моей родной сфере, я ощущал себя как минимум на равных, а выступая с научными докладами в их ведущих университетах и проводя переговоры по конкретным направлениям современной аэродинамики, отчетливо осознавал, что мы в паритете, а в чем-то даже опережаем иностранных коллег.

На нынешнем этапе имеющийся научно-технический задел и приобретенный опыт международной технологической кооперации помогают нам в решении важнейшей в данный момент задачи обеспечения технологического суверенитета страны. Мы достаточно успешно развиваем собственные компетенций в ключевых областях науки и технологий. Мы должны обеспечивать свою независимость в области технологий энергетического машиностроения, здравоохранения, продовольствия, обороны и в ряде других направлений.

Но при этом, на мой взгляд, научные исследования не должны сводиться исключительно к направлениям, обеспечивающим технологический суверенитет. Наука имеет свои законы развития и должна работать по всему спектру приоритетов, а это и повышение качества жизни наших людей, и обеспечение мобильности населения, и доступность качественных медицинских услуг на всей территории страны, и др. Успех в развитии науки и технологий по всем направлениям служит основой для процветания страны и будет способствовать достижению технологического суверенитета. У нас все для этого есть, в том числе компетенции, которые сегодня недоступны за рубежом: это результат развития отечественного научно-технологического комплекса, который обеспечил высокие результаты в определенных направлениях.

Мы хотим, чтобы таких направлений стало больше, особенно в ключевых областях. Эта задача нам по плечу, и, уверен, за короткий срок мы выйдем на очень хорошие позиции по всем направлениям.

― Но при этом у нас сохраняется научный диалог, например, в области авиастроения?

― Да, мы продолжаем участвовать в научных конференциях, публикуем статьи в зарубежных научных изданиях, хотя масштаб этой деятельности по понятным причинам уменьшился, особенно с западными странами. Но наши ученые и специалисты все же продолжают взаимодействовать с зарубежными коллегами и, как ни странно, с западными тоже. Гарантия того, что этот диалог продолжится, ― именно в том, что российские ученые пользуются по-настоящему большим уважением со стороны иностранных специалистов, высоко оценивающих уровень развития российской науки. Да, условия усложнились, и такой массовости, которая была около пяти лет назад, сегодня нет. Но контакты сохранились.

Сейчас мы уверенно развиваем взаимодействие с дружескими странами. Может быть, ошибка прошлых лет была в том, что мы не так внимательно и активно укрепляли научные связи с нашими ближайшими коллегами из бывших республик СССР и друзьями из дальнего зарубежья: Латинской Америки и Африки. Я уже три раза был в Южной Африке, посетил много университетов и технологических компаний и был удивлен высоким уровнем развития научных исследований в аэрокосмической области. Более того, существуют и контакты академического толка: например, была ситуация, когда аспирант из Южной Африки приехал в Россию к конкретному научному руководителю, зная, что только у него он сможет разобраться в сложнейшей теме по нестационарной аэродинамике и аэроупругости и подготовить диссертацию. В результате этот аспирант все прошел и успешно защитил диссертацию. Сегодня он крупный специалист мирового класса в области флаттера и играет важную роль в организации научных исследований в области аэронавтики во всей Южной Африке. Надеюсь, сложившиеся дружеские отношения с ним помогут нам развивать плодотворное научно-техническое сотрудничество в двухстороннем формате и в рамках BRICS.

Следует отметить, что весьма перспективна научная кооперация с братской Республикой Беларусь. Там имеются очень сильные научные школы в области математики, механики, оптики и других направлений. Совсем недавно Российская академия наук и Национальная академия наук Беларуси заключили соглашение о взаимодействии. Это не просто документ, а разветвленная система взаимодействий по многим направлениям, где научные группы уже работают на встречных курсах. Уверен, что такая кооперация даст очень серьезные плоды. 

― Вы отчасти упомянули об этом в прошлом ответе: говорят, что за рубежом уровень авиационной науки выше. Как вы оцениваете отечественную науку в этой области? И по каким параметрам ее стоит оценивать? 

― Сравнивать достижения в области авиастроения очень непросто.

Если говорить об авиационной науке, то как минимум на равных позициях с зарубежными коллегами мы находимся в областях аэродинамики, аэроакустики, прочности, материаловедения, математического моделирования, процессов управления, искусственного интеллекта и др. Например, в области аэродинамики в России создана мощнейшая экспериментальная база, а сегодня, несмотря на цифровизацию, эксперимент в таких наукоемких областях, как авиастроение, по-прежнему остается критерием истины. Без должной валидации расчетных теоретических результатов никто не примет решение о начале полетов нового летательного аппарата.

Наличие экспериментальной базы ― необходимое условие нашей конкурентоспособности в области авиационной науки. Но иметь экспериментальную базу ― это очень дорогое удовольствие, и, к счастью, наши предшественники, отцы и деды, понимая значимость этого направления, создали ЦАГИ. Сегодня в институте работает не один десяток экспериментальных аэродинамических труб большой мощности для разного диапазона скоростей, от дозвуковых до сверх- и даже гиперзвуковых. Мощность только одной из труб составляет 100 МВт, она потребляет колоссальную энергию. Построить такой объект сегодня ― это финансовый вопрос миллиардного масштаба и технологически сложная задача.  

Второе условие для сохранения высокого уровня нашей авиационной науки ― наличие интеллектуального потенциала. Все-таки отечественная система образования, начиная со средней школы и до университетской скамьи, позволяет получать хорошо подготовленных специалистов, несмотря на критические замечания к системе образования в последнее время.

На мой взгляд, необходимо бороться с ложным комплексом неполноценности, который все еще встречается в нашей научной среде, менять чувство недооценки самих себя и быть уверенными, что все задачи нам по плечу. Это поможет нам смело идти вперед в научном поиске и достигать новых многообещающих результатов, столь необходимых для обеспечения технологического суверенитета и процветания нашей страны.

Источник: «Научная Россия»

Фото: Елена Либрик/«Научная Россия»