Академик Чернышев: Мы сможем обойтись отечественными разработками в авиастроении

Почему для пассажирского сверхзвуковика вес так же важен, как и для космического корабля? До какого минимума можно снизить звуковой удар? Можно ли весь самолет сделать из композитов? Об этом мы говорим с научным руководителем Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ, входит в НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского"), вице-президентом РАН, академиком Сергеем Чернышевым.

Сергей Леонидович, одна из самых амбициозных задач мирового авиастроения - создание эффективного и не шумного пассажирского "сверхзвуковика". Ученые разных стран включены в эту гонку. Что отличает Россию?

Сергей Чернышев: Концепция создания сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения у разработчиков ведущих стран близка: это увеличение топливной эффективности, снижение громкости звукового удара, шума на местности по сравнению с Ту-144 и "Конкордом". Однако подходы действительно разные. Так, зарубежные производители ориентируются в основном на трансатлантические и транстихоокеанские перелеты, где требования к громкости звукового удара могут быть не такими жесткими, как при полетах над сушей. А вот наш самолет, который будет применяться в том числе и для трансконтинентальных перелетов, требует весьма низкой громкости звукового удара, достаточной для полетов над населенными территориями.

Какие масштабные исследования намечены в реализации отечественного проекта "СГС" - сверхзвукового гражданского самолета?

Сергей Чернышев: Это в первую очередь разработка отечественного газотурбинного двигателя, обеспечивающего требуемые тяговые и расходные характеристики вместе с возможностью длительного, более четырех часов, полета на сверхзвуковой скорости. Разработка сетчатых и пробионических конструкций для снижения веса планера.

Это разработка интегрированной с планером силовой установки, в том числе с уникальными воздухозаборниками, расположенными сверху на фюзеляже, малошумным сопловым устройством. Это специальная форма фюзеляжа, приближающая его вместе с крылом и оперением к эквивалентному телу минимального звукового удара. Это разработка методов и алгоритмов расчета звукового удара с учетом свойств реальной атмосферы, фокусировки звукового удара при нестационарном полете и другие.

Почему до сих пор не приняты международные нормы по звуковому удару? Участвуют ли в рабочей группе ИКАО российские ученые?

Сергей Чернышев: В рамках Комитета по охране окружающей среды от воздействия авиации ИКАО идет активная работа по подготовке стандарта по звуковому удару. Принятие норм предполагается через три года, на заседании Ассамблеи ИКАО. Эти нормы имеют принципиальное отличие от традиционных: по шуму, эмиссии, СО2 и т.д. Поэтому для их разработки требуется решение новых задач, связанных с надежной диагностикой, метрикой, в которой следует звуковой удар измерять, проблемой турбулентности атмосферы, по которой он распространяется, и многое другое.

Безусловно, представители России (НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского", ЦАГИ) продолжают участвовать в заседаниях подгруппы по звуковому удару рабочей группы WG1 КАЕП ИКАО.

И до какого минимума можно снизить звуковой удар?

Сергей Чернышев: Его сила зависит от многих факторов: веса и формы самолета, высоты и скорости полета, состояния атмосферы и рельефа местности. При полете могут образовываться области фокусировки ударных волн с местным усилением избыточного давления. Наша задача - снизить не только прямое воздействие звуковой волны, но и избежать фокусировки в зонах, прилегающих к трассе полета.

Уровень звукового удара (резкий перепад давления в ударной волне) от Ту-144 и "Конкорда" был примерно в диапазоне 100-140 паскалей. Наши исследования показывают: скачок давления не должен быть больше 15 паскалей. А если использовать для оценки звукового удара громкость, то ее приемлемый уровень для населения в городах может составить около 65 децибел. Он сравним с шумом большого города. Приведенные значения - кандидаты на новые нормы звукового удара. Американцы хотят быть первыми со сверхзвуковым самолетом, но и для них эти нормы являются крепким орешком.

Несколько особняком стоит проблема воздействия "хлопка" на флору и фауну, что влечет за собой большое количество не всегда аргументированных, но пиарно очень востребованных претензий к сверхзвуковому транспорту будущего.

А почему для сверхзвукового самолета, как утверждают, вес так же важен, как и для космического корабля?

Сергей Чернышев: Да, важен. Каждый килограмм веса сверхзвукового самолета должен быть обеспечен тягой двигателей величиной 0,35-0,4 кг. Это чтобы преодолеть волновой барьер и разогнать самолет до скорости, соответствующей числу Маха 1,6-1,8, и далее продолжать крейсерский полет с этой скоростью. Чем больше вес, тем большая потребная тяга, тем больший расход топлива.

Кроме того, известно, что при разных компоновках самолета громкость звукового удара на земле примерно пропорциональна квадратному корню от полетного веса. Поэтому с точки зрения и экономики, и экологии (эмиссии двигателя), и шума на взлете, и звукового удара необходимо снижать взлетный вес самолета. Для уменьшения его вредного воздействия на человека и окружающую среду, а также повышения эффективности коммерческих перевозок.

Появилась информация, что за океаном завершил серию наземных испытаний экспериментальный сверхзвуковой самолет Х-59. А в какой стадии находится разрабатываемый в России демонстратор комплекса технологий самолета "Стриж"?

Сергей Чернышев: В настоящий момент идет эскизное проектирование. "Стриж" отличается от западных аналогов уникальной аэродинамической схемой с носовой частью большого удлинения, которая предназначена для снижения звукового удара. Идет изготовление инновационной конструкции композитного отсека фюзеляжа с сетчатой конструктивно-силовой схемой, позволяющей повысить жесткость корпуса большого удлинения, и встроенной системой мониторинга на основе волоконно-оптических датчиков деформации. Создан отечественный программный продукт по моделированию звукового удара при его распространении до поверхности земли в условиях реальной атмосферы и с учетом турбулентности в приземном слое.

В конце апреля НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" впервые в мире провел испытания интеллектуальных технологий для сверхзвукового гражданского самолета. Пилоты подняли в небо демонстратор с системой технического зрения в составе летающей лаборатории Як-40 и управляли им из кабины без остекления: только с использованием систем внешнего видения на базе камер разных спектральных диапазонов. Это огромный рывок вперед.

У пассажирского сверхзвуковика нового поколения не будет остекления кабины? Почему?

Сергей Чернышев: Не будет. Форма носовой части не предполагает остекления кабины пилотов: их почти невозможно там разместить. Поэтому говорят о "темной кабине", где картинка перед пилотами будет создаваться при помощи систем искусственного зрения. Или дополненной реальности. Очень много вопросов, связанных именно с интеллектуализацией кабины пилотов. Сверхзвуковой самолет должен быть оснащен техническим оборудованием, которое может видеть лучше, чем человек. Информационное поле кабины - одна из важнейших критических технологий.

Кто еще в мире ведет исследования по сверхзвуку? Есть ли обмен информацией между учеными?

Сергей Чернышев: Такие исследования помимо России и США ведут страны ЕС, Япония, Китай. В открытой печати представлен большой объем информации по данной тематике. ЦАГИ совместно с институтами и предприятиями авиационной отрасли принимал участие в международном проекте RUMBLE, целью которого была выработка предложений по нормированию звукового удара для перспективного сверхзвукового гражданского самолета.

Наши исследования, испытания в аэродинамических трубах доказали, что самолет может быть сделан и с хорошей аэродинамикой, и с очень низким уровнем звукового удара. Нами рассматривается несколько вариантов: самолет на 12-16 пассажиров, на 60-80. Есть вариант совсем маленького делового самолета - на 6-8 пассажиров. Это разные по весу и размерам воздушные суда. Пока речь идет о создании небольшого по размерам самолета, для которого проще решаются технологические проблемы. Это разумный старт на новом витке освоения мирного сверхзвука.

Говорят, классическая аэродинамика исчерпала ресурс возможностей совершенствования авиатехники. Не потому ли такой огромный интерес вызывают нетрадиционные аэродинамические компоновки: самолет интегральной схемы, с гибридной силовой установкой?

Сергей Чернышев: Авиаконструкторы рассматривают различные способы улучшения безопасности полета и экономических характеристик перспективных летательных аппаратов. Возможная реализация этих идей - дело более отдаленного будущего. Среди них - активное управление обтеканием элементов самолетов, использование искусственно созданной холодной плазмы для управления пограничным слоем воздушного потока (эффекты плазменной аэродинамики).

Давняя мечта аэродинамиков - ламинаризация обтекания, что может заметно уменьшить аэродинамическое сопротивление. Специалисты понимают, о чем идет речь. А для широкого читателя скажу, что исследуются также компоновки летных "гибридов", объединяющих положительные особенности самолетов и вертолетов. Есть идеи авиаперевозок в условиях городской застройки. Так что говорить об исчерпании ресурса аэродинамики в авиации еще рано.

На какие современные суперматериалы делают ставку ученые? МС-21 стал первым коммерческим самолетом, у которого крыло полностью состоит из композитов. А может ли быть весь самолет сделан из них?

Сергей Чернышев: Действительно, композиционные материалы все шире применяются в авиационной отрасли. Однако современные конструкции все же являются металлокомпозитными, то есть гибридными. Уровень использования в них композитов - около 50 процентов от полного веса самолета. Вместе с тем важной проблемой является формирование новых принципов создания конструкций из композиционных материалов, позволяющих максимально использовать их свойства. Это, например, сетчатые, бионические конструкции, которые изучаются и в ЦАГИ.

Роль искусственного интеллекта в создании новой техники? Это лишь средство, которое расширяет возможности конструктора, прочниста, аэродинамика? Или нечто большее?

Сергей Чернышев: Если не говорить о военных аспектах, то первым применением технологий искусственного интеллекта в авиации было использование нечеткой логики (Fuzzy Logic) в законах управления самолетом Ту-204, которому исполнилось уже 35 лет. На этих принципах были реализованы ограничители нормальной перегрузки и угла атаки, внедрение которых значительно подняло уровень безопасности полетов. Эти алгоритмы, подвергаясь постоянной модификации, внедрялись и на следующих самолетах - "Суперджет 100" и МС-21. Также очень удобными для реализации логически сложных законов управления оказались конечные автоматы, которые применяются для контроля и обеспечения согласованного функционирования многоканальной системы управления.

Очень важный вопрос - использование нейронных сетей и технологий машинного обучения.

Но, насколько я знаю, в настоящее время нормативные документы, используемые во всем мире и в России, не допускают использования нейросетей в системах управления самолетов?

Сергей Чернышев: Не допускают. Хотя теоретические исследования ведутся очень активно. Разработана дорожная карта по внедрению принципов машинного обучения для разработки законов управления самолетом. Не углубляясь в детали, можно сказать, что очень перспективными являются алгоритмы распознавания образов и наведения на базе нейронных сетей для беспилотных летательных аппаратов военного назначения. Другое применение искусственных нейронных сетей - анализ результатов испытаний моделей в аэродинамических трубах и идентификация аэродинамических характеристик по результатам летных испытаний. Здесь нейросети, обладая свойством универсального аппроксиматора, показали очень высокую эффективность.

А что все-таки такое "виртуальный пилот"? Многие авиационные эксперты заявляют, что уже к 2030 году гражданские самолеты будет пилотировать всего один пилот. А в помощь ему - второй "виртуальный помощник".

Сергей Чернышев: Пока ни в России, ни за рубежом не введено единого устоявшегося понятия "виртуальный второй пилот" (Virtual co-pilot). В нашем понимании - это программно-аппаратный комплекс, глубоко интегрированный во все функциональные контуры комплекса бортового оборудования воздушного судна. Использующий как математические, так и логические алгоритмы, включая алгоритмы нечеткой логики. Он предназначен для выполнения всего перечня задач, решаемых вторым пилотом в двухчленном экипаже при условии обеспечения безопасности полета.

Человеко-машинный интерфейс, то есть дисплеи и органы управления в кабине экипажа, - важное и очень перспективное применение технологий искусственного интеллекта. Главная задача здесь - анализ летной ситуации и обеспечение экипажа актуальной именно для этой ситуации информацией без перегрузки второстепенными данными. Это касается как текущей информации, так и прогноза развития летной ситуации, обеспечения экипажа необходимыми предупреждениями и рекомендациями. В качестве примера уже разработанной системы можно привести систему предупреждения об опасности выкатывания самолета за пределы взлетно-посадочной полосы.

Так что в авиастроении еще много нерешенных задач. Новому поколению инженеров и исследователей будет чем заняться, приближая будущее своей работой в одном из высокозначимых системообразующих направлений развития экономики страны.

Технологии

Аэродинамика МС-21 лучше, чем у А320 и "Боинг-737"

Сергей Леонидович, не могу не спросить: в России начались доводочные испытания самолета МС-21 в новом, отечественном облике. Добиваясь полной импортонезависимости, российские авиастроители выводят на новый уровень собственные критически важные технологии?

Сергей Чернышев: Да, первые испытания МС-21 с отечественными системами прошли успешно. Следующий шаг - авиалайнер без единого иностранного компонента. Курс на технологический суверенитет поставил непростые задачи по обеспечению импортонезависимости в интересах отечественного воздушного транспорта. ЦАГИ, как одно из ведущих отраслевых предприятий и центр авиационной науки, активно вовлечен в их решение.

Мы прошли этап глобализации и международного разделения труда, когда считалось, что на рынке всегда можно купить лучшие компоненты сложного изделия и уже из них собрать у себя станок, машину или самолет. Да, конечно, производить абсолютно все самим - не самый эффективный путь. Но как минимум речь должна идти о создании критически важных элементов для каждой отрасли.

Какие прорывные научные исследования и разработки вышли сегодня на первый план в авиастроении?

Сергей Чернышев: Мы должны освоить все, что определяет эффективность летательного аппарата, его технологическое совершенство, все его критически важные компоненты. Сейчас стало очевидно, что в этом деле нам никто не поможет и приходится рассчитывать только на себя. Единственно правильный путь - это скорейшее внедрение достижений науки в новые разработки. Главное отличие российского подхода - в экстремальных условиях за короткий срок мы способны достичь хороших результатов. Как говорится, "пока жареный петух не клюнет…". Но факт налицо - программа импортозамещения в авиастроении реализуется в крайне сжатые сроки и с неплохими результатами.

По оценкам экспертов, в среднем раза в два быстрее, чем мировая практика?

Сергей Чернышев: В среднем, по отдельным направлениям, возможно и так. Смотря с кем сравнивать. Китай в последнее время демонстрирует высокие темпы работы. Тут важно другое: нужно не просто скопировать иностранные аналоги, а сделать лучше, несмотря на то, что на предыдущей версии МС-21 иностранные системы стояли самые современные. У нас есть достижения, которыми мы можем гордиться: системы управления самолетом на основе интегральной модульной авионики, высокопрочные шасси, системы кондиционирования, противообледенительные системы. Специалисты в этих областях добились впечатляющих результатов за самое короткое время.

Сегодня можно уверенно сказать, что, используя свой опыт и знания, мы сможем обойтись отечественными разработками в авиастроении, нисколько не уступающими зарубежным. Это не просто громкие слова, а конкретные результаты испытаний, которые, по крайней мере в области авиастроения, скоро будут видны всем.

Говорят, что основной момент в испытаниях любого самолета - проверка крыла на прочность и ресурс. Это так?

Сергей Чернышев: Крыло очень сложный агрегат, и именно оно в значительной степени определяет аэродинамическую эффективность всего самолета. А для МС-21 крыло - это еще и один из факторов обеспечения конкурентоспособности. Почему? Крыло такого большого размера не только в основном сделано из композита, но и с применением новой инфузионной технологии. Впервые в истории авиастроения! Не вдаваясь в технические подробности, скажу: эта новейшая технология имеет большие перспективы.

Кроме того, "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".

Наряду с работами по МС-21 идет и глубокая модернизация "Суперджета-100", основанная на отечественных системах и материалах. По потребительским качествам и техническим характеристикам этот самолет станет лучше, чем модели, собранные из иностранных запчастей.