В разработке сверхзвукового пассажирского самолета мы можем опередить Запад - член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало

В России занимаются созданием сверхзвукового гражданского лайнера. Самолет хотят построить к 2040 году. Какие проблемы приходится решать ученым и конструкторам, чтобы пассажиры могли долететь из Москвы до Хабаровска за четыре часа, рассказывает генеральный директор Центрального аэрогидродинамического института, член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало.
Главная проблема - звуковой удар

- Эксплуатация сверхзвуковых пассажирских самолетов началась 55 лет назад, но из-за проблем с безопасностью полеты прекратили. Однако сейчас разработкой таких самолетов занялись снова - и в России, и в мире. С чем это связано?

- Создание сверхзвукового гражданского самолета (СГС) - это одно из перспективных наукоемких направлений развития гражданской авиационной техники. Оно открывает людям новые возможности. Обеспечение крейсерской сверхзвуковой скорости, соответствующей числу М = 1,8-2*, позволяет совершать однодневные полеты на расстояние до 7000-8000 км, что может существенно повысить эффективность решения государственных и бизнес-задач.

Это особенно актуально для России с ее расстояниями. Для повышения транспортной доступности в нашей стране требуется сократить время полета на дальность 8000 км до четырех-пяти часов.

М - число Маха, в авиации отношение скорости, с которой газ (воздух) обтекает воздушное судно, к скорости звука в этом газе (воздухе) в этих условиях.

- При создании таких самолетов нужно, с одной стороны, чтобы перелеты на них были экономически выгодными, с другой - безопасными. Что самое сложное при разработке такого воздушного судна?

- В отличие от СГС первого поколения (советский Ту-144 и англо-французский "Конкорд"), сейчас определяющим фактором является минимизация вредного воздействия на окружающую среду. А именно снижение до приемлемых уровней звукового удара при полете со сверхзвуковой крейсерской скоростью и шума на местности в районе аэропорта на взлетно-посадочных режимах.

- Объясните, что такое звуковой удар?

- Это скачкообразное повышение давления в момент прихода на поверхность земли ударной волны, которую возбуждает летящий на сверхзвуковой скорости самолет. Проведенные ранее исследования показывают, что предельно допустимой величиной перепада избыточного давления в приходящей на землю волне (без учета отражения) является величина 40-45 Паскалей. Звуковой удар большей интенсивности приводит к осыпанию штукатурки, дребезжанию стекол, негативно воздействует на физиологические функции человека.

В условиях реальной атмосферы значение интенсивности звукового удара подвержено случайным отклонениям от номинала. На определенных стадиях полета самолет проходит через неустановившиеся режимы (разгон и набор высоты, развороты), где неизбежны аномально высокие уровни удара (фокусировка), намного превышающие значения для установившегося полета в относительно спокойной атмосфере. Примерно в одном из тысячи полетов вероятно двукратное превышение номинального уровня, а в одном из ста удар превысит номинал на 20%.

- Как мы можем понять, что оказались под воздействием звукового удара? Этот звук похож на выстрел?

- Человеком звуковой удар воспринимается как двойной хлопок. Основной количественной характеристикой восприятия в этом случае является громкость звукового удара, которая зависит от множества факторов: изменения избыточного давления, в том числе величины перепада и времени нарастания давления; характеристик отражающих поверхностей (в помещении человек или на улице, на асфальте, или на траве) и многих других.

- А сама ударная волна от чего зависит?

- На форму и интенсивность ударной волны основное влияние оказывают размерность самолета (геометрические размеры и вес) и его аэродинамическая компоновка: распределение по длине объемов планера, расположение и форма несущих поверхностей. Также влияют режим полета (скорость, высота, ускорение), распределение по высоте параметров реальной атмосферы (плотность, температура, влажность, направление и скорость ветра, турбулентность).

- А в чем проблема для разработчиков сверхзвуковых самолетов - звуковой удар не удается минимизировать?

- Существенную неопределенность для разработчиков СГС вносит отсутствие утвержденных ИКАО* норм на допустимый уровень звукового удара. Они достаточно длительное время активно обсуждаются на различных площадках, но не могут быть сформированы без наличия фактического материала по характеристикам распространения ударных волн малой интенсивности в реальной атмосфере.

Такие данные могут быть получены только в ходе летных испытаний специализированных демонстраторов технологий СГС, реализующих принципы формирования аэродинамических компоновок с низким звуковым ударом.

Международная организация гражданской авиации - по-английски ICAO - International Civil Aviation Organization. Учреждение ООН, устанавливающее международные нормы гражданской авиации и координирующее ее развитие.

- Получается, что появлению самолета мешает отсутствие четких норм, но четкие нормы можно разработать, только когда будет опыт использования сверхзвукового самолета. Это замкнутый круг?

- Нет. Необходимо планомерное развитие технологий до высокого уровня готовности, включая создание и испытания близких к натурным демонстраторам технологий. После подтверждения эффективности и реализуемости интегрированного комплекса технологий на таких демонстраторах и валидации расчетных методов проектирования возможна разработка первых нормативных документов. В дальнейшем разработка серийных самолетов тоже должна быть поэтапной.

Впоследствии, по мере накопления технологического и эксплуатационного опыта, возможен переход к созданию магистральных сверхзвуковых пассажирских самолетов на 30-50 пассажиров и более и, возможно, с более высокой крейсерской скоростью полета Мкр - свыше 2, то есть больше 2100 км/ч.

Мкр - крейсерское число Маха. Это число Маха, соответствующее крейсерской скорости полета.

Планер с удлиненной носовой частью

- Для сверхзвуковых самолетов, наверное, нужны особые аэродромы?

- Самолет должен базироваться на существующих аэродромах класса А и Б, с длиной взлетно-посадочной полосы более 2600 м, и обеспечивать дальность полета не менее 7000 км.

- Экологические ограничения повлияют на облик будущего самолета?

- Учет экологических ограничений потребовал поиска и отработки новых технических решений по аэродинамической компоновке, силовой установке и конструктивно-силовой схеме, обеспечивающих высокий уровень технико-экономических показателей самолета. Принципиальное значение для перспективных СГС имеет эффективность интеграции новых технических решений в едином техническом облике.

В этом смысле используемые компоновочные решения являются уникальными и нетрадиционными. Например, для снижения звукового удара необходимо разместить воздухозаборники силовой установки на верхней поверхности планера. Задача обеспечения высоких характеристик потока на входе в двигатель при таком расположении является достаточно сложной, это потребовало большого объема расчетных и экспериментальных исследований.

Для снижения звукового удара также необходимо существенно удлинить носовую часть планера, увеличить стреловидность и угол поперечной V-образности крыла и выполнить множество локальных деформаций нижней поверхности планера.

- Недавно НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" выиграл госконтракт на создание демонстраторов СГС. Что предстоит сделать?

- При создании СГС необходимо обеспечить рациональный компромисс между приемлемыми экологическими (звуковой удар, шум в районе аэропорта), конкурентоспособными летно-техническими (скорость, дальность, условия базирования) и экономическими характеристиками компоновочных решений. В научных организациях ведутся поисковые и прикладные исследования в обеспечение создания СГС нового поколения. Такие работы идут и под эгидой НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского", который управляет отечественной прикладной наукой в области авиастроения.

Сегодня перед российской воздушной отраслью стоит задача создания новых авиационных решений и разработок для достижения технологического суверенитета страны. Поэтому проектирование СГС - одно из знаковых направлений работы для НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского".

- Что реально сделано?

- Уже проведен большой объем расчетных и экспериментальных исследований как полных моделей аэродинамических компоновок, обеспечивающих снижение звукового удара при обеспечении высокого уровня аэродинамических характеристик, так и тематических моделей элементов планера и силовой установки СГС.

Выполнен ряд расчетно-экспериментальных исследований перспективных метало-композитных конструкций, обеспечивающих высокую весовую эффективность и требуемую жесткость конструкции планера.

Полученный научно-технический задел позволяет перейти к созданию крупноразмерного летного демонстратора комплекса технологий СГС для достижения более высоких уровней готовности технологий.

- Что такое демонстратор и зачем он нужен?

- Создание и летные исследования демонстратора комплексных технологий СГС "Стриж" позволят существенно снизить технические риски создания самолета нового поколения. А также на равных участвовать в разработке международных норм на допустимый уровень звукового удара и шума в районе аэропорта в рамках ИКАО.

На данный момент разработано техническое предложение на демонстратор комплекса технологий СГС "Стриж". Для сокращения сроков и стоимости создания и летных испытаний демонстратора проработана возможность максимального использования существующих (серийных) двигателей, самолетных систем, узлов и агрегатов с минимальной доработкой.

- Сколько времени займут создание и летные испытания демонстратора?

- Эти работы планируется выполнить за шесть лет при условии соответствующего финансирования.

Первый испытательный полет уже скоро

- Какая из стран, разрабатывающих сверхзвуковые гражданские самолеты, продвинулась дальше других?

- Исследования в обеспечение разработки СГС ведут ИКАО, NASA (США), JAXA (Япония) и другие организации. Ожидается, что проект нормативных требований к таким самолетам может быть сформирован не ранее 2027 года, по мере наработки статистических данных при полетах демонстраторов технологий СГС. Первым из них может стать проект демонстратора технологий снижения звукового удара Х-59 QueSST, разрабатываемый в США компанией Lockheed Martin по заказу NASA.

Первый полет этого самолета ожидается в 2023 году, тестовая программа исследований в 2025-2026 годах предполагает большое количество полетов над населенными территориями для оценки восприятия звукового удара добровольцами. Прогнозируемый уровень громкости звукового удара Х-59 при полете со скоростью, соответствующей числу М = 1,42, на высоте 16,5 км не должен превысить 75 PLdB*.

Материалы исследований будут переданы в ИКАО для формирования норм по уровню звукового удара для перспективных сверхзвуковых гражданских самолетов.

Соответственно, переход к опытно-конструкторским работам (ОКР) по серийному СГС нового поколения возможен ближе к 2030 году, после утверждения нормативных требований и подтверждения эффективности и реализуемости всего комплекса разрабатываемых технологий и технических решений.

PLdB - уровень принятого децибела, используется для измерения сверхзвукового шума. Самолет "Конкорд" генерировал шум, равный 105-110 PLdB. Он был похож на звук выстрела; в зданиях, над которыми пролетал "Конкорд", вибрировали оконные стекла. Звуковой удар на уровне 70-90 PLdB сопоставим с хлопком дверцы автомобиля.

- Ученые разных стран, пытаясь решить проблему звукового удара, предлагают одни и те же решения?

- В условиях отсутствия норм на уровень звукового удара некоторые разработчики СГС нового поколения занимаются созданием двухрежимных летательных аппаратов. Это когда полет на сверхзвуке реализуется только над водной поверхностью (проект BOOM Overture, США) либо выполняется над населенной сушей на скорости, соответствующей числу Маха меньше 1,2. В таком случае, при благоприятном состоянии атмосферы, ударные волны отражаются от более теплого приземного слоя атмосферы и не достигают поверхности земли (проект Aerion AS2, США, закрыт в 2021 году).

При этом наблюдается регулярное изменение технических концепций проектов, что связано с недостаточным уровнем научно-технического задела и высокими рисками технической реализации создания летательного аппарата.

- Какие еще нерешенные вопросы тормозят появление нового самолета?

- Актуальной проблемой является отсутствие готовых к применению современных бесфорсажных двигателей умеренной степени двухконтурности. Это не позволяет увязать технический облик будущего самолета и выполнить отработку технологий снижения шума в районе аэропорта.

Таким образом, несмотря на существенный прогресс по отдельным тематическим направлениям, созданный в мире к настоящему времени научно-технический задел недостаточен для начала опытно-конструкторских работ по созданию СГС даже легкого класса.

Для разработки СГС среднего и тяжелого классов требуется проведение дополнительных поисковых и технологических научно-исследовательских работ.

Также стоит отметить, что нормы на уровень звукового удара и шума в районе аэропорта с большой вероятностью могут быть использованы как инструмент конкурентной борьбы, поэтому открытие ОКР до принятия ИКАО хотя бы предварительного проекта норм - нецелесообразно.

Как показывает мировая практика, открытие ОКР по самолету с качественно новыми свойствами (сверхзвуковая скорость) и требованиями (по экологическим характеристикам) без отработки новых технических решений до 6 УГТ* приводит к тратам значительных ресурсов без достижения практического результата. Так, в 1980-1990-е годы компания Boeing вложила порядка $10 млрд в ОКР по сверхзвуковому пассажирскому самолету второго поколения (М = 2, вместимость - 200 пассажиров) с нулевым результатом.

УГТ - уровень готовности технологии. Это характеристика соответствия конкретной технологии уровню ее зрелости от идеи до серийного производства. Шкала УГТ - перечень стадий создания объекта от идеи (уровень 0) до полной готовности (уровень 9).

Сколько сверхзвуковых самолетов нам надо

- Может ли Россия вырваться вперед в гонке по созданию СГС?

- В отличие от проекта NASA X-59, в России опытно-конструкторские работы по сверхзвуковому деловому самолету могут быть выполнены с опережением зарубежных конкурентов - за счет интеграции и комплексной отработки до 6-го уровня технологической готовности всех ключевых технологий на отечественном летном демонстраторе "Стриж" и наземных стендах.

- Какова потенциальная потребность России в сверхзвуковых самолетах?

- С одной стороны, необходимое количество СГС для регулярных пассажирских перевозок внутри Российской Федерации не очень велико, так как стоимость таких перелетов будет сравнима с ценой билетов бизнес-класса и первого класса. При этом основное преимущество во времени проявляется на маршрутах протяженностью более 5000 км, то есть из европейской части России на Дальний Восток.

С другой стороны, существенный запрос на СГС есть со стороны государственной и бизнес-авиации, где актуальность однодневной поездки на дальние расстояния велика.

Также стоит отметить текущую ситуацию с ограниченным количеством международных перелетов из-за санкций, что тоже накладывает определенные сложности с развитием сверхзвуковой гражданской авиации. При отмене ограничений и выходе на международные рынки, с учетом удовлетворения ожидаемым экологическим нормам для СГС, потребное количество таких самолетов оценивается в 500-1000 единиц.

Кирилл Сыпало - доктор технических наук, профессор РАН, член-корреспондент РАН. В 2018 году назначен генеральным директором ФАУ "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ЦАГИ).

ЦАГИ основан 1 декабря 1918 года. В 1994 году институт получил статус государственного научного центра. С 2014 года ЦАГИ входит в состав Национального исследовательского центра "Институт имени Н.Е. Жуковского".

Ольга Мягченко