Какой самолет станет действительно революционным технологическим рывком? Электролет: фантастика или уже реальность? Может ли искусственный интеллект заменить пилота? Об этом накануне 100-летия легендарного Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) корреспонденту “РГ” рассказали руководители ведущих российских авиационных научно-исследовательских центров.
От первого лица
Андрей Дутов, генеральный директор НИЦ “Институт имени Н.Е. Жуковского”, доктор технических наук:
– Мировая аэрокосмическая индустрия стоит на пороге глобальных перемен. Появляются новые, прорывные решения, которые кардинально изменят облик отрасли. Какой самолет олицетворит действительно революционный технологический рывок? Мы убеждены: электрический. Почему?
По нашим оценкам, общий потенциал повышения эффективности от использования традиционных технологий в авиастроении к 2030 году не превысит 35-40 процентов от сегодняшнего уровня. И по авиадвигателям, и по аэродинамике практически достигнут потолок. Так что действительно нужен скачок, сопоставимый с переходом от винтовой к реактивной авиации. И электрические самолеты – это одно из наиболее очевидных направлений прорыва.
Самолет на электрической тяге будет абсолютно экономичным и на 30-40 процентов менее шумным, чем традиционный. И здесь принципиальный момент: во многих странах запрещены ночные полеты. Электролет для региональных линий, который, как планируется, будет создан в 2030-х годах, откроет “ночной авиарынок”. А это увеличение парка самолетов на 40 процентов!
Национальный исследовательский центр “Институт им. Н.Е. Жуковского”, куда сегодня входят ЦАГИ и ЦИАМ (Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова”), разрабатывает ключевые технологии, которые будут положены в основу такого самолета. Компанией “Суперокс” по заданию Фонда перспективных исследований уже создан 500-киловаттный электрический двигатель: это уникальная электромашина, основанная на высокотемпературной сверхпроводимости, благодаря которой снимаются физические ограничения для повышения мощности. Сейчас в ЦИАМ создается стенд гибридной силовой установки, включающей этот двигатель.
Электрический демонстратор в рамках контракта с минпромторгом должен полететь в 2020 году. Необходимо решить огромное количество сопутствующих технологических проблем: хранение энергии на борту, передача и доведение ее до двигателя, переделка бортовых систем с учетом того, что основным источником энергии будет не реактивный двигатель, а источник питания… Важно отработать весь комплекс. Поэтому демонстратор – необходимое звено в технологической цепи – от фундаментальных явлений к конкретному образцу. Мы отстаиваем эту идеологию.
На основе отработанных технологий планируется приступить к созданию серийного электрического двигателя для самолета на 9-19 пассажиров. А в планах – к 2035 году получить 50-местный региональный самолет с гибридной силовой установкой.
Создание инновационной электрической технологии в авиастроении даст толчок развитию и других отраслей: включая судостроение, производство железнодорожной и автомобильной техники. Электричество нужно везде, энергия нужна везде. Все остальное, даже если мы говорим о сверхзвуковом деловом самолете, это традиционные технологии, доведенные до какого-то нового совершенствования.
Но я хочу подчеркнуть: сегодня вопрос не только в том, на чем летать, а вопрос – куда летать. Есть региональная политика государства. Президент говорит: надо развивать Дальний Восток, развивать Арктику и т.д. Тот же “региональщик” должен делаться не просто из красивых идей и форм, а исходя из максимальной экономической эффективности для страны. В мире произошла консолидация рынка авиастроения – две фирмы заняли больше 90 процентов. Они выпускают свою номенклатуру. Поэтому возникает вопрос: либо строить транспортную систему, исходя из предложенного вида техники, либо искать иной путь.
Опережающий научно-технический задел должен быть не по отношению к конкретной машине, а к транспортной системе в целом. Надо четко понимать: мы можем сегодня сделать красивый самолет, весь “с иголочки”. А у нас хватит денег на модернизацию аэродромной сети, чтобы летал он именно туда, где прежде всего ждут крылатого “работягу”? Нужно сразу делать самолет, который садился бы на любую полосу, с гарантированным уровнем безопасности. Это совершенно другие технологии, другие подходы. Основа – создание самолета под заданную стоимость жизненного цикла и требования транспортной системы. Просто делать “в воздух”, чтобы конкурировать с “Боингом” и “Аэрбасом”, – время прошло.
Перспективы
На вопросы “РГ” отвечает генеральный директор ЦАГИ, член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало.
Кирилл Иванович, какие проекты определяют облик гражданской авиации будущего?
Кирилл Сыпало: Его скорее определяют уже не конструкторские решения или технологии, а те ограничения, которые накладывают международные стандарты. И в первую очередь, нормы ИКАО по безопасности полетов и экологии: они все жестче. Кроме того, свои требования диктует необходимость постоянного увеличения экономичности воздушного транспорта. Отсюда и основные перспективы. Это переход на альтернативные источники энергии, прежде всего – электрическую. Это нетрадиционные компоновки – такие, как “летающее крыло” с вынесенными в верхнюю часть двигателями для экранирования шума. Это различные комбинированные силовые установки, интегрированные в конструктивно-силовую схему самолета… Но авиация никогда не уходила от своего основного тезиса: быстрее, выше, дальше. И поэтому на повестке дня – сверхзвуковые самолеты, возможный переход к гиперзвуковым скоростям. Это, конечно, вопрос послезавтрашнего дня, но основные проработки идут уже сейчас.
А над какими концепциями абсолютно новых самолетов работают сегодня ученые?
Кирилл Сыпало: Здесь можно выделить несколько направлений. Повысить экономичность мы можем за счет не только двигательной установки, но и оптимизации аэродинамического облика. Например, новый МС-21 имеет уникальные характеристики именно с точки зрения аэродинамики. Прежде всего крыла, благодаря чему на 8-10 процентов превосходит конкурентов – “Боинг-737″, А-320. И такая борьба будет идти постоянно.
Но когда мы говорим про революционные прорывы, это так или иначе связано с достижениями фундаментальной науки. Прежде всего речь идет о поиске новых концепций, позволяющих радикально улучшить существующие технико-экономические и летно-технические характеристики. Например, о задаче управления пограничным слоем.
Поясните, что это такое?
Кирилл Сыпало: Поскольку воздух вязкий, на границе его потока и профиля крыла возникает тонкий слой (несколько сантиметров при движении с дозвуковой скоростью), как бы “приклеенный” к крылу и движущийся вместе с ним. Это и есть пограничный слой. Так вот, скажем, ЦАГИ в своей программе взаимодействия с институтами Академии наук рассматривает вариант так называемой управляемой плазмы на поверхности самолета. Что, к примеру, на 10-15 процентов обеспечивает снижение аэродинамического сопротивления. Это не решение, уже готовое к внедрению. Но технология отрабатывается.
А что за гибридный авиадвигатель разрабатывается у нас ?
Кирилл Сыпало: Сам по себе электрический двигатель имеет предел с точки зрения скорости передвижения. Оптимально видится некое сочетание турбовинтовых реактивных и электрических двигателей на борту, чтобы одновременно увеличить экономичность, снизить экологическое воздействие на окружающую среду и летать быстро. Это то, что ожидает от авиатехники потребитель.
Гибридный авиадвигатель в природе существует. Сейчас важнее правильно понять, как его разместить в самолете. Как он интегрируется в аэродинамическую компоновку. Как должны быть выстроены бортовые системы с учетом двух принципиально разных источников энергии: один – электрический, другой – по-прежнему химический. Вот эти вопросы интересуют ЦАГИ с точки зрения проектирования летательных аппаратов.
Если мы говорим про электрический двигатель с эффектом сверхпроводимости, то это задача, которую решают в основном в ЦИАМ. Мы им помогаем. Но там задача – как раз запустить этот 500-киловаттный двигатель на летном демонстраторе.
Ваш прогноз: когда электролеты начнут возить пассажиров?
Кирилл Сыпало: Первые образцы уже есть – для малой авиации. Тем более что мощность электрических двигателей и требуемые для них источники хранения пока обладают не столь высоким КПД, как хотелось бы. Поэтому сразу возить много пассажиров на больших объемах вряд ли удастся. Первые серийные пассажирские машины на электрической тяге появятся где-то в 2025-2030 годах. Первые региональные самолеты – 2030-2035 годы. За пределами 2040-2050 годов – это уже магистральные самолеты на электрических, или комбинированных, или гибридных силовых установках. Пока видится такой технологический тренд.
А в какой стадии проект сверхзвукового делового самолета? Уже понятно, как он будет выглядеть, какие иметь потребительские качества?
Кирилл Сыпало: Сейчас рассматриваются два варианта облика сверхзвукового делового самолета. Он рассчитан на 8-12 мест. Там есть вариации по дальности, скорости полета. Это как раз к вопросу вариативности выбора, поскольку мы формируем именно технологический базис и некий набор технологических решений, которые определяют облик самолета. Один из этих вариантов был представлен недавно на выставке в Геленджике. Вызвал большой интерес красотой своих форм.
Как говорил авиаконструктор Андрей Туполев: “Хорошо летать могут только красивые самолеты”?
Кирилл Сыпало: Да. В будущем году будет готово техническое задание на изготовление демонстратора. Надеемся, что работы продолжатся и в диапазоне 2020-2023 годов. Будет построен летный демонстратор. С одной стороны, он должен ответить на вопросы о реальных летно-технических характеристиках машины, с другой – помочь определить реальный уровень звукового удара. Второе направление ведется нами совместно с международным консорциумом, поскольку сейчас определяются новые требования ИКАО для сверхзвуковиков. Эти нормы мы должны как минимум выполнять. А желательно – превосходить.
Когда могут быть утверждены нормативы по сверхзвуку?
Кирилл Сыпало: Наши представители в ИКАО имеют информацию, что это где-то 2021-й год. Кстати, в свое время, повысив требования к уровню шумов, ИКАО фактически лишило возможности советские воздушные суда летать за границу. И одна из заслуг ЦАГИ в том, что очень быстро были найдены меры, обеспечивающие нашим двигательным установкам и летательным аппаратам требуемый уровень шума фактически с минимальными переделками. Мы не дали отрезать наш воздушный флот от международных сообщений.
Интересно, до какого минимума может быть снижен звуковой удар? Что показывают исследования?
Кирилл Сыпало: На разных этапах сверхзвукового полета уровни громкости звукового удара различные. Например, по нашим оценкам, на этапе разгона и набора высоты имеет место такое явление, как фокусировка звукового удара. В этой зоне уровень может достигать 90-100 децибелов. В крейсерском сверхзвуковом полете он не должен превышать 72 децибела. С чем сравнить? Не сильнее хлопка при закрытии двери в легковом автомобиле.
Скажите, а остались у сверхзвуковика V-образное крыло, фюзеляж с изогнутой центральной осью? Двигатели сверху?
Кирилл Сыпало: Да, концепция остается. И расположение двигателей, и V-образная изогнутость, и крылья по фюзеляжу в этом месте как раз обеспечивают приемлемый уровень шума. Конечно, и у нас, и у зарубежных партнеров есть вариации в компоновках, в каких-то элементах. Например, в профиле крыла. Но в целом – да, это так.
Какой процент композитов будет в сверхзвуковом самолете?
Кирилл Сыпало: Пока сказать сложно. Мы не делаем фетиша из композитных конструкций. Там достаточно много вопросов. Обычно ЦАГИ выпускает и расчетные нормы прочности, и руководство для конструкторов. Если для металлических конструкций есть теории и совершенно понятные нормы и значения, то по композитам еще не все очевидно. Безангарное хранение, климатические воздействия, стойкость к ударам, трещинам и т.д. – это пока недоисследованные вопросы. Первые серийные пассажирские машины на электрической тяге появятся где-то в 2025-2030 годах. Первые региональные самолеты – 2030-2035 годы
Какие сроки рассматриваются для серийного сверхзвуковика?
Кирилл Сыпало: Думаю, что для сверхзвукового пассажирского самолета – это конец 2020-х годов. Деловой, надеемся, появится раньше – в 2024-2026 годах.
А скорость какая будет?
Кирилл Сыпало: Примерно 1,7-2,8 Маха. Все зависит от двигательных установок и от бортового оборудования. То есть вопрос комплексный. Мы же создаем именно авиационную систему.
Еще один очень перспективный проект ЦАГИ – разработка тяжелого транспортного самолета интегральной схемы?
Кирилл Сыпало: Да. Сейчас он вышел на уровень испытаний в аэродинамической трубе. Это сочетание экраноплана и тяжелого транспортника с развитой так называемой прикорневой частью крыла. Нетрадиционная компоновка – соединение крыла с фюзеляжем. Большую часть времени самолет летит на высоте от 3 до 12 метров от земли, воды или льда. За счет экранного эффекта происходит значительный рост аэродинамического качества. А значит, снижается расход топлива (сжиженного газа) и увеличивается дальность. Машина предназначена для межконтинентальной, до 6 тысяч км, перевозки 500 тонн грузов.
Может ли искусственный интеллект заменить пилота?
Кирилл Сыпало: Искусственный интеллект – это не обязательно полностью замена человека. Есть очень много технологий, которые связаны с тем, что человеку может быть не подвластно или очень сложно для управления. Наиболее яркий пример – система управления широкофюзеляжным Ил96, включая систему динамической разгрузки. Машина настолько плавно реагирует на воздушные ямы, порывы ветра, что пассажир не испытывает дискомфорта от турбулентности. И это впервые было внедрено именно на отечественном самолете, а уже потом реализовано на таких грандах, как А-380 и “Боинг-787”. Это тоже достижение ЦАГИ.
Полет в аэродинамической трубе
О знаменитых аэродинамических трубах ЦАГИ рассказывают едва ли не легенды. Например, что в них можно смоделировать условия полета при скорости, в 25 раз превышающей скорость звука. Как расширяется экспериментальная база ЦАГИ?
Кирилл Сыпало: Появление любого нового стенда или экспериментальной установки – это серьезное событие. Экспериментальная база ЦАГИ создавалась столетие. Первая труба была построена в 1923 году. Она деревянная. И работает по сей день! В этой трубе проводят испытания моделей зданий и сооружений. Есть характеристики воздушного потока, которые непросто измерить числовыми значениями, как, например, скорость. Есть “художественные” вещи – чистота, вязкость. Так вот, как говорят сотрудники, эта труба обладает очень мягким, чистым потоком, который как раз для зданий. Кстати, ее вентилятор ни разу не чинили.
Правда, что в какой-то трубе самолеты “продувались” даже вместе с летчиками?
Кирилл Сыпало: Да, такой уникальностью обладала труба Т-101. Есть уникальная фотография, когда самолет подвешивается в ней вместе с летчиком, а генеральные конструкторы находятся рядом и смотрят, как влияет поток на их детище. Эта труба до сих пор остается самой большой дозвуковой в мире. Сейчас модернизируются практически все установки. В планах – строительство новых аэродинамических труб. Мы подошли к пределам развития технологий. Нам требуются все более натурные условия эксперимента с учетом того, что летный эксперимент всегда дороже, чем трубный. Поэтому один из трендов – переход к криогенным трубам, когда вместо воздуха используется криогенный газ, который позволяет значительно приблизиться к натурному эксперименту.
В Европе уже такая первая труба построена. Очень важны установки, которые моделируют разные слои атмосферы. Сейчас полеты основных магистральных самолетов – это высота 11-12 тысяч километров. Сверхзвуковые летают еще выше. На марше это достаточно важная характеристика. Мы думаем о трубе Т-204 – новой трансзвуковой, в которой как раз будет возможность моделирования слоев атмосферы, что позволит испытывать как самолеты, так и вертолеты.
Есть что-то, что есть только у нас?
Кирилл Сыпало: Я бы сказал так: отдельные характеристики отдельных стендов являются по-прежнему уникальными, неповторимыми в мире. Это касается и гиперзвуковых труб, и части трансзвуковых. В 128-й трубе, например, уникальность в том, что там есть передвижная “сцена”. Пока идет один эксперимент, вторая, сменная часть уже готовится к следующему. За счет этого серьезно уменьшаются сроки проведения эксперимента.
Источник:
Проекты гибридных: электрических силовых установок в Мире
Заслуги ЦАГИ в создании и развитии отечественной Авиации. Часть 1