Рейтинг
Порталус


САМОЛЕТЫ БУДУЩЕГО

Дата публикации: 26 сентября 2022
Автор(ы): Сергей ЧЕРНЫШЕВ
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: ТЕХНОЛОГИИ
Источник: (c) Наука в России, № 4, 31 августа 2013 Страницы 52-58
Номер публикации: №1664187481


Сергей ЧЕРНЫШЕВ, (c)

Член-корреспондент РАН Сергей ЧЕРНЫШЕВ, Исполнительный директор ФГУП "Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н. Е. Жуковского" (г. Жуковский, Московская область)

Эволюционный путь, который прошло российское авиастроение с начала прошлого века и до сегодняшних дней, позволил сформировать наиболее оптимальные к настоящему времени компоновки гражданских самолетов, представляющие собой фюзеляж-трубу с крылом и расположенными чаще всего под ним или же в хвостовой части двигателями большой степени двухконтурности. Однако в мировом авиационном сообществе есть понимание, что традиционные подходы практически себя исчерпали. Возникает закономерный вопрос: что в будущем придет на смену летательным аппаратам, которые мы все видим сегодня в небе? Как они будут выглядеть? Какие двигатели будут приводить их в движение и какое топливо они будут использовать? Из каких материалов их будут изготовлять? Попытаться заглянуть в будущее и ответить на эти и некоторые другие вопросы представляется нам весьма любопытной задачей. И наиболее подходящий кандидат на ее выполнение - это авиационная наука, ибо в системе авиапромышленности именно она работает на дальнюю перспективу, создавая научно-технический задел для будущих поколений авиатехники.

стр. 52

Сравнение классических и суперкритических профилей крыла.

"ЧТО ДЕНЬ ГРЯДУЩИЙ НАМ ГОТОВИТ?"

В 2012 г. ЦАГИ* совместно с другими ведущими институтами авиапрома по заказу Министерства промышленности и торговли РФ выполнил проект под названием "Форсайт авиационной науки и технологий" с целью дать прогноз технологического развития авиастроения вплоть до 2030 г., учитывая то, с чем столкнется мировая и отечественная гражданская авиация в этот период. К работе привлекли около ста экспертов из ЦАГИ, Центрального института авиационного моторостроения им. П. И. Баранова, Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов, Государственного научно-исследовательского института авиационных систем и других организаций. Ознакомимся кратко с некоторыми результатами данного исследования.

Если говорить о ближайших двадцати годах, то специалисты ожидают в мире примерно двукратное увеличение объема авиаперевозок: в 2011 г. он составил 5,1 трлн пассажиро-километров (пкм), а к 2030 г. эта цифра может достигнуть - и даже превысить - 12 трлн пкм. Соответственно, увеличится и мировой парк самолетов, правда, не пропорционально, т.е. не в два раза, а чуть меньше, поскольку вырастет доля более вместительных самолетов.

По расчетам американской корпорации Boeing, мировой парк коммерческих самолетов с турбореактивными двигателями возрастет с 19,410 воздушных судов в 2010 г. до 33,500 в 2030 г. Поскольку срок службы гражданской авиатехники большой - 20 лет и выше - будущий парк в основном будет состоять из уже сегодня считающихся современными и поставляемыми на рынок самолетами (это семейства A320, Boeing 737, отечественный "Сухой Суперджет" и др.), а также воздушных судов, которые выйдут на рынок в ближайшие годы (A320Neo, Boeing 737MAX, российский МС-21 и т.д.).

Однако 20 лет - срок довольно внушительный, за который может появиться как минимум одно, а то и два новых поколения авиалайнеров. Ведь не случайно принято условно считать, что со времени появления реактивных гражданских самолетов в мире их уже сменилось пять поколений. Какими же будут эти будущие летательные аппараты?** Ответить на этот вопрос и призван выполненный нами Форсайт.

Как известно, гражданская авиационная техника всегда развивается под влиянием актуальных для каждого периода времени приоритетов, тенденций и ограничений. В первые годы ее появления главной задачей было улучшение характеристик самолетов - скорости, дальности и пассажировместимости. С ростом же объема воздушных перевозок безусловным приоритетом стали вопросы безопасности полетов - с тех пор они стоят во главе угла. Обеспечение безопасности полетов провозгласила своей главной целью созданная в 1944 г. Международная организация гражданской авиации (ИКАО).


* См.: С. Чернышев. Центр авиационной науки. - Наука в России, 2008, N 6 (прим. ред.).

** См.: В. Климов, Д. Танеев. Самолет "интегральной схемы". Наука в России, 2008, N 2 (прим. ред.).

стр. 53

В 1950-е годы мировое авиационное сообщество озаботилось негативным влиянием гражданской авиации на окружающую среду сначала в связи с увеличивающимся уровнем шума, позднее - с эмиссией вредных веществ в районе аэропортов. Когда в мире заговорили о глобальном потеплении, внимание стали уделять выбросам парниковых газов (прежде всего CO2), производимым самолетами. Эти тенденции, в конечном счете, находят свое оформление в виде норм ИКАО, которые должны соблюдать все 190 государств-членов этой организации. Например, нормы по авиаэкологии ужесточали уже четыре раза. Последнюю поправку внесли в феврале этого года в связи с введением новых стандартов по шуму. ИКАО также готовит ограничения на выброс CO2. После терактов в США 11 сентября 2001 г. совершенно иное звучание приобрели задачи обеспечения авиационной безопасности, т.е. защиты гражданских самолетов от несанкционированного вмешательства третьих лиц.

Какие же приоритеты будут определять вектор развития гражданской авиации в ближайшие десятилетия? Можно утверждать, что главных - два.

стр. 54

ОСНОВНЫЕ ПРИОРИТЕТЫ

Во-первых, ведущей задачей по-прежнему остается безопасность полетов. Самолет по статистике - самый надежный вид транспорта, и сейчас на 1 млн. регулярных вылетов в мире в среднем приходится около четырех авиационных происшествий. Поскольку по статистике лишь каждое двадцатое из них является авиакатастрофой (т.е. связано с гибелью людей), то выходит: на Земле одна авиакатастрофа происходит примерно на 5 млн. вылетов. Но в связи с ожидаемым в будущем двукратным увеличением объема перевозок, число авиакатастроф в ближайшие 20 лет возрастет вдвое, если не принимать никаких мер по улучшению безопасности полетов. Конечно, допустить этого нельзя. Вот почему перед авиационным сообществом стоит задача как минимум не допустить ухудшения относительных показателей безопасности перевозок пассажиров, а на деле - значительно их улучшить. Скажем, Европа, один из самых благополучных с данной точки зрения регионов мира, хочет добиться, чтобы к 2050 г. на 10 млн. регулярных вылетов случалось не более 1 авиационного происшествия.

На второе место по важности вышли экологические аспекты гражданской авиации, причем охватывающие не только эксплуатацию воздушного судна, но и весь его жизненный цикл - от создания до утилизации. Помимо вопросов, связанных с шумом и эмиссией, все больше внимания будет уделяться проблеме глобального потепления, которую государства решают на уровне Организации Объединенных Наций. ИКАО, будучи учреждением ООН, тоже участвует в данном процессе. Хотя подчеркнем: выбросы углекислого газа мировой гражданской авиацией составляют лишь 2% от общего объема антропогенных выбросов этого вещества. Однако, в случае авиации выбросы происходят на большой высоте, где как раз и формируется климат.

Западное авиационное сообщество поставило перед собой цель - к 2020 г. выйти на так называемый углерод-нейтральный рост (т.е. поддержание постоянных выбросов CO2, несмотря на рост перевозок), а к 2050 г. сократить выбросы в два раза по сравнению с уровнем 2005 г. Для этого, помимо совершенствования самих воздушных судов и их двигателей, основную ставку Запад делает на применение биотоплив. В Европе планируют, что к 2050 г. прогресс авиационных технологий позволит на 75% сократить выбросы углекислого газа на пассажиро-километр и на 90% - окислов азота (NOx). А шум летательных аппаратов должен уменьшиться на 65%. Все эти улучшения относятся к уровню типичного нового самолета 2000 г. Аналогичные цели ставит перед собой другой ведущий мировой авиапроизводитель - США.

Россия, которая в гражданской авиации пока играет роль догоняющего, должна учитывать указанные планы, чтобы обеспечить конкурентоспособность отечественных гражданских судов и их соответствие перспективным жестким нормам.

НЕТРАДИЦИОННЫЕ КОМПОНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Сегодня традиционные компоновки самолетов уже достигли высокого уровня совершенства (их аэродинамическое качество составляет 18 - 20 единиц) и какое-то существенное продвижение реально только при рассмотрении новых конфигураций. Определенные дивиденды может дать расположение двигателей в верхней части фюзеляжа. Основной мотивацией при этом служат экологические проблемы - уменьшение уровня шума на местности. Рассматривается компоновка гражданского самолета с двигателями, расположенными над крылом. Правда, эта идея не нова: ведь существуют отечественные машины Ан-72 и Бе-200, выполненные по данной схеме, которая дает преимущества за счет эффекта суперциркуляции и некоторого экранирования шума. Предлагается также вариант экранирования шума элементами хвостового горизонтального оперения. Кроме того, изучаются схемы самолетов, в которых двигатель глубоко интегрирован с планером. Речь идет о так называемой концепции распределенной силовой установки, когда холодный контур двигателя отделен от горячего и разнесен физически, что позволяет существенно увеличить степень двухконтурности без увеличения размеров двигателя и тем самым добиться снижения расхода топлива.

При разработке дозвуковых машин следующих поколений может произойти отход от классических схем. Особое внимание специалисты уделяют исследованию нетрадиционных компоновок летательных аппаратов, главный принцип формирования которых связан с процессами интеграции: она может идти в направлении крыла (схема "летающее крыло") или фюзеляжа (схема "несущий фюзеляж").

"Летающее крыло" обладает повышенным аэродинамическим качеством, которое может составлять 22 - 25 единиц. Кроме того, такая схема позволяет экранизировать шум двигателей, если их расположить на верхней поверхности "летающего крыла" вблизи задней кромки. При этом реализуется более широкая по сравнению с классической пассажирская кабина, что увеличивает число продольных проходов и повышает комфорт для пассажиров.

стр. 55

Схема с несущим фюзеляжем, который сам по себе создает определенную подъемную силу, тоже обеспечивает размещение более широкого пассажирского салона и способствует реализации эффекта экранирования шума при установке двигателей на верхней поверхности хвостовой части фюзеляжа. По такой схеме может быть создано воздушное судно регионального класса с практически прямым ламинарным крылом.

Определенными положительными свойствами могут обладать и схемы авиалайнера с сочлененным крылом. Они позволят при приемлемых весовых издержках заметно увеличить размах крыла, что снижает индуктивное сопротивление* летательного аппарата.

Для воздушного транспорта все актуальнее становится задача перехода на альтернативное топливо. Наиболее радикальным шагом в этом направлении является экологически чистое жидководородное топливо. Конечно, его использование приведет к существенному изменению облика самих воздушных судов. Дело в том, что для размещения водородного топлива низкой плотности потребуются емкие криогенные (изолированные) баки, расположенные, к примеру, в верхней части фюзеляжа. Наличие на борту мощного хладоресурса откроет возможности для реализации технологий, направленных на снижение аэродинамического сопротивления. Другим направлением применения сверхнизких температур (20 - 60 К) может стать внедрение электродвигателей, использующих эффект сверхпроводимости для привода винтовентилятора, установленного в хвостовой части фюзеляжа.

Для перспективных транспортных лайнеров специалисты также рассматривают нетрадиционные компоновки. Например, изучается компоновка двухфюзеляжного самолета. Это позволит существенно снизить вес конструкции.

В 2003 г. прекратили эксплуатацию знаменитого англо-французского авиалайнера "Конкорд", который наряду с отечественным Ту-144 был представителем первого поколения сверхзвуковых пассажирских самолетов. От этих машин отказались по соображениям экономичности (сверхзвуковой полет дороже, чем дозвуковой), а также проблем, связанных со звуковым ударом. Однако этот класс машин продолжает оставаться рыночно привлекательным. С тех пор ученые серьезно продвинулись на пути уменьшения звукового удара. Были разработаны проекты сверхзвуковых самолетов массой около 50 т, в которых упомянутый негативный фактор уменьшен до приемлемых значений. В настоящее время ведется изучение 100-тонных сверхзвуковых лайнеров. Можно рассчитывать, что в случае принятия соответствующих экологических норм, авиационная промышленность всерьез возьмется за создание сверхзвуковых самолетов второго поколения.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Современные турбореактивные двухконтурные двигатели также достигли высокого уровня технического совершенства. Самые современные воздушные суда для перевозки одного пассажира на расстояние 100 км расходуют около 2 - 3 кг топлива, что сопоставимо с автомобильным транспортом.


* Индуктивное сопротивление - следствие образования подъемной силы на крыле конечного размаха. Является частью аэродинамического сопротивления крыла конечного размаха (прим. ред.).

стр. 56

Доля композиционных материалов в весе планера самолетов.

Однако следует отметить, дальнейшее улучшение рассматриваемых двигателей в рамках традиционных компоновок сопряжено с возрастающими трудностями при относительно невысоких результатах. В итоге все больше внимания проектировщики уделяют силовым установкам нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем, таким как турбовинтовентиляторные двигатели ("открытый ротор") с биротативными винтовентиляторами*; двигатели сложных термодинамических циклов и т.д. Переход к подобного рода двигателям может потенциально обеспечить заметное улучшение технико-экономических характеристик самолетов.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ

Совершенствование конструкций летательных аппаратов всегда шло в ногу с развитием новых материалов, которые позволяли специалистам создавать более аэродинамически эффективные, прочные и легкие конструкции. Подобно тому, как в 1920-х годах появление прочных и легких алюминиевых сплавов произвело революцию в авиастроении, так и сейчас на наших глазах происходят коренные изменения, связанные с расширением использования композиционных материалов (КМ). И теперь дальнейшее повышение эффективности авиатранспорта как за рубежом, так и в России связывают с внедрением в силовую конструкцию планера новых волокнистых КМ с высокими удельными прочностными характеристиками.

Еще 40 лет назад КМ начали внедрять сначала в несиловые конструкции летательных аппаратов - люки, затворы, обтекатели и т.д., затем сфера их применения распространилась на элементы, воспринимающие нагрузки. После многих лет исследований, накопления опыта наступил этап использования КМ в ответственных силовых конструкциях оперения, крыла и фюзеляжа с доведением объема их применения в планере до 40 - 60%. Объем использования КМ в планере зарубежных и отечественных гражданских самолетов с годами постоянно увеличивался. Например, если в отечественных лайнерах предыдущего поколения (Ту-204 и Ил-96) композиты составляли менее 10% от веса планера, то в современном самолете "Сухой Суперджет" они достигают уже 14%, а в новейшем российском самолете МС-21 их доля превысит 37%.

Примером того, какой потенциал имеют КМ, является реализованное на МС-21 композитное крыло. За счет укладки в нем слоев КМ специальным образом для наиболее эффективного восприятия расчетных нагрузок стало возможным увеличить удлинение крыла. С металлическим крылом это проделать затруднительно, ибо концевая часть вследствие большого размаха начинает чрезмерно колебаться и сложно противостоять явлению флаттера. Относительное удлинение композитного крыла МС-21 примерно на 10% больше, чем у современного А320, соответственно примерно на 10% уменьшен расход топлива.

Композиционные материалы позволяют реализовать совершенно новые конструктивно-силовые схемы и для фюзеляжа. У нас развернуты работы, посвященные применению сеточных композитных конструкций для этой части самолета. Здесь главную роль играет фактор снижения веса. Так, для ракет применение соответствующей сеточной конструкции позволяет уменьшить вес на 25 - 40%, а для гражданских самолетов ожидается снижение на 15 - 20%.

В дальней перспективе новые материалы могут помочь реализовать давнюю мечту авиастроителей о


* Биротативные вентиляторы - применение двух вентиляторов, вращающихся в противоположные стороны, что повышает эффективность двигателя и снижает уровень шума (прим. ред.).

стр. 57

создании так называемого морфного, или адаптивного, самолета, который меняет свою форму в зависимости от режимов обтекания.

Не секрет: компоновки современных гражданских судов являются компромиссом между различными режимами и ориентированы на крейсерский полет. На взлете и посадке для обеспечения безопасных скоростей используют механизацию крыла. В качестве развития систем механизации ученые рассматривают варианты "бесшовной" гладкой механизации передней и задней кромки и даже системы струйной механизации, где управление происходит за счет выдува высокоэнергетических струй.

Конструкторы ищут возможности оптимального управления формами летательного аппарата с тем, чтобы он непрерывно приспосабливался к режимам полета подобно птице, скажем, используя адаптивное крыло, в котором меняется форма профиля и крыла в плане.

Попыткой управлять формами стало крыло изменяемой стреловидности, уже используемое в авиастроении, например, на отечественном истребителе МиГ-23. Правда, конструкция крыла при этом получилась чрезмерно тяжелой и сложной. Новые материалы и конструкции из них могут открыть неизвестные ранее возможности для авиастроителей.

ЛАМИНАРИЗАЦИЯ

Еще одним перспективным направлением совершенствования аэродинамики воздушных судов является управление обтеканием (его ламинаризация) - оно обеспечит значительное уменьшение сопротивления трения и повышение аэродинамического качества полета. Рассматривают как пассивные варианты, не требующие дополнительной энергии, так и активные, скажем, отсос/выдув пограничного слоя и воздействие плазменных разрядов.

ОБЩЕСАМОЛЕТНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Главные тенденции развития общесамолетного оборудования - отказ от гидравлических систем как главных энергетических носителей и дальнейшее развитие интегрированной модульной авионики*. В мировом авиастроении реализуется концепция "более электрического" или "полностью электрического" самолета, обещающего уменьшение веса, упрощение техобслуживания и повышение надежности. В таком самолете все приводы и бустеры** станут электрическими, а судном будут управлять электрические сигналы. Такую систему легко перевести в полностью автоматический режим.

В авиационном транспорте будущего должна быть исключена ошибка экипажа в пилотировании. Это означает, что автоматизированные системы управления станут играть все большую роль. В практику войдет так называемый "умный борт", который возьмет на себя главную функцию управления, а роль экипажа будет заключаться в том, чтобы наблюдать и страховать работу автоматики.

ОРГАНИЗАЦИЯ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ

Самолет - часть большой авиатранспортной системы, важнейшим компонентом которой является организация воздушного движения. Как мы отмечали выше, в ближайшие десятилетия ожидается увеличение в разы интенсивности воздушного движения, например, к 2050 г. в Европе будут совершаться до 25 млн. коммерческих рейсов в год по сравнению с 9,4 млн. в 2011 г. В этих условиях мировую систему авиационного транспорта ждут революционные изменения, связанные с внедрением новых управленческих технологий, которые должны поддерживаться и бортовой, и наземной структурой. В частности, будет осуществлен переход на траектории четырехмерного формата (4-D) с точностью попадания в заданную точку пространства в несколько минут.

Заканчивая наш общий обзор, отметим: в декабре 2012 г. правительство России приняло государственную программу "Развитие авиационной промышленности на 2013 - 2025 гг.". Она станет основой для экономической поддержки отечественного авиастроения на ближайшие десять с лишним лет. Данная программа включает в себя несколько подпрограмм, в том числе: самолетостроение, вертолетостроение, авиационное двигателестроение, авиационное агрегатостроение, авиационное приборостроение, малая авиация, авиационная наука и технологии.

Говоря о подпрограмме, посвященной авиационной науке и технологиям, можно с удовлетворением констатировать, что в последние годы государство вновь стало выделять на авиационную науку значительные средства, по размерам сопоставимые с объемами финансирования авиационных научных организаций в таких странах, как Германия и Франция. Логично ожидать, что итогом этих вложений будут значимые научные результаты, обеспечивающие создание новой конкурентоспособной отечественной авиационной техники. Данная подпрограмма предусматривает составление "Национального плана развития науки и технологий в авиастроении на период до 2025 г. и на дальнейшую перспективу". Он станет долгосрочной программой исследований авиационных научных институтов в сотрудничестве с конструкторскими бюро отрасли, институтами РАН и высшей школы, направленным на разработку и доведение до высокого уровня готовности прорывных технологий, которые станут залогом прогресса в авиастроении, обеспечат конкурентоспособность отечественной авиатехники.


* Авионика (от "авиация" и "электроника") - совокупность всех радиоэлектронных систем, разработанных для использования в качестве бортовой радиоэлектроники (прим. ред.).

** Бустер - элемент системы (в авиации), позволяющей управлять рулями, элеронами, винтами и другими средствами, не прилагая больших усилий (прим. ред.).

Опубликовано на Порталусе 26 сентября 2022 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?


КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА (нажмите для поиска): САМОЛЕТЫ БУДУЩЕГО




О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама