КАК РОССИЯ ИСПЫТЫВАЕТ САМОЛЕТЫ БУДУЩЕГО
Новый космический корабль «Федерация» и самый современный лайнер МС-21, небоскребы «Москва-Сити» и монумент «Родина-мать» в Волгограде.
Что объединяет столь разные объекты? Они все проходили испытания в ЦАГИ – Центральном аэрогидродинамическом институте, который 1 декабря отмечает вековой юбилей. Чем сейчас занимается легендарная научная организация?
Недавно на заседании президиума Российской академии наук рассуждали о приоритетах авиационной науки. Свою точку зрения высказал и научный руководитель ЦАГИ, академик РАН Сергей Чернышев: «Сегодня есть очень серьезные вызовы для всей нашей авиационной науки – скажем, достичь в восемь раз больший уровень безопасности. Если сейчас мы имеем примерно одну аварию на миллион вылетов, то это будет одна авария на восемь миллионов вылетов. И решится это за счет интеллекта, за счет более надежных конструкций».
Сейчас в ЦАГИ испытывают новый среднемагистральный лайнер МС-21. Месяц назад статические испытания планера самолета на максимальную нагрузку при посадке прошли с положительным результатом: основные силовые элементы конструкции выдержали расчетные нагрузки.
«Обычно максимальная нагрузка в полтора раза больше той, которая согласно статистике хотя бы раз встречается за время эксплуатации самолета, – утверждает Сергей Чернышев в интервью «Российской газете». – Возьмем жесткую посадку – это пиковая нагрузка на крыло, шасси и т.д. Все это нужно смоделировать. В рамках испытаний необходимо подтвердить, что лайнер остается прочным, полностью выдержав 180 тысяч циклов нагружений, характерных для реальной эксплуатации».
«Двадцать первый» уже летает, совершая испытательные полеты – их еще предстоит сделать несколько сотен. «Сейчас идут тесты на сваливание, – рассказывает Александр Рубцов, президент компании «Гражданские самолеты Сухого» – разработчика МС-21. – Впереди оценка взлетно-посадочных характеристик лайнера, испытания в различных климатических условиях – зимой, летом, на влажной полосе и на ледяной ВПП».
Первым делом самолеты
Рассказывая об испытаниях МС-21, нужно добавить, что через аэродинамические трубы ЦАГИ «пролетели» практически все гражданские и военные самолеты СССР и России.
С момента зарождения авиации и до настоящего времени создание каждого нового самолета – эксперимент. В разработке новых крылатых машин ЦАГИ играл две роли. На первом этапе ученые формулировали рекомендации конструкторским бюро, а потом испытывали готовый летательный аппарат и давали ему экспертную оценку
Так, специалисты ЦАГИ в 1960-е годы предложили компоновки самолетов МиГ-23, Ту-22М, Ту-160, Су-24 с крылом изменяемой стреловидности, проводили исследования транспортных Ил-76 и Ан-124. Позже научный задел использовался при создании истребителей четвертого поколения – Су-27 и МиГ-29. Много внимания уделялось и пассажирским лайнерам – после испытаний в ЦАГИ в воздух поднялись первый реактивный Ту-104 и многие другие, среди которых Ил-62, Ту-154, Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ту-334, а также единственный в СССР и один из двух в мире сверхзвуковой авиалайнер Ту-144.
В ЦАГИ прошли испытания и новейшие образцы авиационной техники: пассажирские самолеты «Сухой Суперджет 100» и МС-21, Ил-476 (модификация знаменитого военно-транспортного Ил-76), многоцелевой сверхманевренный истребитель Су-35, учебно-боевой Як-130, легкий транспортник Ил-112, истребитель пятого поколения Су-57. И конечно, вертолеты. К примеру, сейчас проводятся исследования винтокрылых летательных аппаратов принципиально нового типа – с останавливаемым винтом-крылом, что позволит существенно повысить скорость полета.
В 1989 году летчик-испытатель Виктор Пугачев, пилотировавший Су-27, показал на Парижском международном авиасалоне доселе невиданную фигуру высшего пилотажа – горизонтально летящий самолет вдруг вставал на хвост, резко сбрасывая скорость, а потом без потери высоты вновь переходил в горизонтальный полет. Зрители были в восторге, зарубежные специалисты озадачены: возможности всепогодного истребителя – фантастические. А готовился этот маневр три года.
Вначале ученые просчитали теоретическую возможность его совершения, потом последовало «полунатурное моделирование» – продувка самолета в трубе с летчиком на борту. Самолет, оставаясь в бешеных потоках воздушных струй неподвижным относительно земли, совершал волей пилота эти самые рекордные эволюции. Маневр устами ученых назывался «динамический выход на большие закритические углы атаки», зрители авиа-шоу окрестили его «полетом хвостом вперед», а после демонстрации эта фигура высшего пилотажа получила свое настоящее имя – «Кобра Пугачева».
«В авиационной науке исключительно важен эксперимент, – объясняет научный руководитель ЦАГИ, академик РАН Сергей Чернышев. – Подавляющее большинство проблем не поддается аналитическому решению из-за огромного числа влияющих факторов. Наблюдения и опыт позволяют построить адекватные математические модели и дать на их основе методы инженерных расчетов».
На сверхзвуке
Прошло полвека с момента создания первого поколения сверхзвуковых пассажирских самолетов, но исследования в этой сфере авиации никогда не прекращались. Главным технологическим вызовом является обеспечение высокой аэродинамической эффективности самолета при соблюдении жестких ограничений на шум и звуковой удар.
По мнению Сергея Чернышева, и европейский «Конкорд», и советский Ту-144 были нормальные с точки зрения норм летной годности самолеты, но экономически очень неэффективные. К тому же производили очень сильный звуковой удар, а люди очень нервно на это реагировали. Например, США, не имевшие подобных самолетов, запретили у себя сверхзвуковые полеты над населенными районами.
«Уровень технологии сегодня таков, что мы технологически подошли к совершенно новому рубежу, когда полет на сверхзвуке над населенными территориями становится возможным, – утверждает научный руководитель ЦАГИ. – Наши исследования и испытания в аэродинамических трубах доказывают: самолет может быть сделан с хорошей аэродинамикой и очень низким уровнем звукового удара».
Специалисты Центрального аэрогидродинамического института прекрасно понимают, как должен выглядеть такой самолет, какие иметь потребительские качества. Уже существует проект сверхзвукового делового самолета на 12-16 пассажиров, в разработке которого участвуют ЦАГИ, КБ Сухого и ряд европейских компаний. Рассматривается самолет с крейсерской скоростью 1,8-2 Маха – примерно в два раза быстрее скорости звука.
Авиационные аналитики уверяют, что имеется нереализованная на рынке потребность в быстрых перелетах деловых людей. Самолеты должны летать трансатлантическими маршрутами на расстояние не меньше семи-восьми тысяч километров и перевозить до 15 пассажиров.
Расчеты ЦАГИ показывают, что до летающего прототипа нас отделяют 10-15 лет, но возможно уже в ближайшее время появится летающий демонстратор, облик которого прорабатывается. «Его главная задача – продемонстрировать основные технологии создания сверхзвукового самолета с низким уровнем звукового удара, – уточняет Чернышев. – Это необходимый этап работы. Серийный же сверхзвуковой самолет нового поколения может появиться на горизонте 2030 года».
«Федерацию» продули в трубе
Конструкцию перспективного космического корабля «Федерация» доработали после испытаний его модели в аэродинамических трубах. Об этом сообщил ТАСС Кирилл Сыпало, гендиректор Центрального аэрогидродинамического института им. Н.Е. Жуковского.
В ходе модельных испытаний изучалась аэродинамика и теплообмен нового пилотируемого транспортного корабля (ПТК) «Федерация», который разрабатывается коллективом РКК «Энергия». Полученные данные позволяют выяснить, как распределяется температура по поверхности возвращаемого аппарата на участке спуска, и уточнить необходимую толщину теплозащиты. Исследования проводятся в аэродинамических трубах ЦАГИ, которые являются самыми большими в России и позволяют испытывать модели в широком диапазоне скоростей – от дозвуковых до гиперзвуковых.
Корабль «Федерация» предназначен для доставки людей и грузов на околоземную орбиту и даже в дальний космос. Начало его летных испытаний запланировано на 2023 год.
Не только космос с авиацией
Аэродинамика – наука сложнейшая. Впервые фундаментальную теорему о подъемной силе доказал Н. Е. Жуковский, опубликовавший в 1912 году книгу «Теоретические основы воздухоплавания», но развитие теории продолжается и поныне. Поэтому в ЦАГИ проходят испытания все создаваемые в России летательные аппараты. И не только они…
За век работы в Центральном аэрогидродинамическом институте доводилось «продувать» в трубах скоростные поезда, автомобили, мосты, небоскребы, ветросиловые установки и другие промышленные объекты. Многолетний опыт, накопленный в ЦАГИ, оказался востребован в других отраслях, в том числе при проектировании и строительстве высотных объектов – зданий, мостов, дымовых труб и гигантских монументов.
Впервые специалисты ЦАГИ столкнулись с подобным исследованием в семидесятых годах прошлого столетия. Меч у монумента «Родина-мать», возведенного в Волгограде на Мамаевом кургане, под воздействием ветра начал раскачиваться. В конструкции образовались опасные трещины. С целью выявления причин колебаний модель памятника испытали в аэродинамической трубе. В результате ученые предложили два взаимно дополняющих способа – выполнить продольные щели в гранях меча и установить динамический гаситель колебаний (ДГК). Он представляет собой маятник со специальными демпферами, похожими на автомобильные амортизаторы: при колебаниях меча маятник качается – демпфер поглощает энергию. Чтобы установить новый меч, пришлось немало потрудиться, но после в итоге колебания снизились до допустимого уровня.
Использовали ДГК и при возведении монумента Победы на Поклонной горе. Самый крупный из динамических гасителей колебаний – десятитонный – расположен за спиной фигуры Ники, венчающей стелу. Система постоянного мониторинга, которая следит за состоянием памятника, показывает, что с монументом всё в порядке.