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

В России занимаются созданием сверхзвукового гражданского лайнера. Самолёт хотят построить к 2040 году. Какие проблемы приходится решать учёным 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 самолётов началась 55 лет назад, но из-за проблем с безопасностью полёты прекратили. Однако сейчас разработкой таких самолётов занялись снова — и в России, и в мире. С чем это связано?

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

Это особенно актуально для России с её расстояниями. Для повышения транспортной доступности в нашей стране требуется сократить время полёта на дальность 8000 км до четырёх-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 самолётов нужно, с одной стороны, чтобы перелёты 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 полёте со сверхзвуковой крейсерской скоростью и шума на местности в районе аэропорта на взлётно-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 самолёт. Проведённые ранее исследования показывают, что предельно допустимой величиной перепада избыточного давления в приходящей на землю волне (без учёта отражения) является величина 40–45 Паскалей. Звуковой удар большей интенсивности приводит к осыпанию штукатурки, дребезжанию стёкол, негативно воздействует на физиологические функции человека.

В условиях реальной атмосферы значение интенсивности звукового удара подвержено случайным отклонениям от номинала. На определённых стадиях полёта самолёт проходит через неустановившиеся режимы (разгон и набор высоты, развороты), где неизбежны аномально высокие уровни удара (фокусировка), намного превышающие значения для установившегося полёта в относительно спокойной атмосфере. Примерно в одном из тысячи полётов 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 самолёта (геометрические размеры и вес) и его аэродинамическая компоновка: распределение по длине объёмов планера, расположение и форма несущих поверхностей. Также влияют режим полёта (скорость, высота, ускорение), распределение по высоте параметров реальной атмосферы (плотность, температура, влажность, направление и скорость ветра, турбулентность).

— А в чём проблема для разработчиков сверхзвуковых самолётов — звуковой удар не удаётся минимизировать?

— Существенную неопределённость для разработчиков СГС вносит отсутствие утверждённых 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 лётных 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 её развитие.

— Получается, что появлению самолёта мешает отсутствие чётких норм, но чёткие нормы можно разработать, только когда будет опыт использования сверхзвукового самолёта. 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 расчётных методов проектирования возможна разработка первых нормативных документов. В дальнейшем разработка серийных самолётов тоже должна быть поэтапной.

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

*Мкр — крейсерское число Маха. Это число Маха, соответствующее крейсерской скорости полёта.

Планер с удлинённой носовой частью

— Для сверхзвуковых самолётов, наверное, нужны особые аэродромы?

— Самолёт должен базироваться на существующих аэродромах класса А и Б, с длиной взлётно-посадочной полосы более 2600 м, и обеспечивать дальность полёта не менее 7000 км.

— Экологические ограничения повлияют на облик будущего самолёта?

— Учёт экологических ограничений потребовал поиска и отработки новых технических решений по аэродинамической компоновке, силовой установке и конструктивно-силовой схеме, обеспечивающих высокий уровень технико-экономических показателей самолёта. 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 объёма расчётных 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 лётно-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 проведён большой объём расчётных 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 расчётно-экспериментальных исследований перспективных метало-композитных конструкций, обеспечивающих высокую весовую эффективность и требуемую жёсткость конструкции планера.

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

— Что такое демонстратор и зачем он нужен?

— Создание и лётные исследования демонстратора комплексных технологий СГС «Стриж» позволят существенно снизить технические риски создания самолёта 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 лётных испытаний демонстратора проработана возможность максимального использования существующих (серийных) двигателей, самолётных систем, узлов и агрегатов с минимальной доработкой.

— Сколько времени займут создание и лётные испытания демонстратора?

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

Первый испытательный полёт уже скоро

«Стриж» на МАКС-2021. Фото: Андрей Антонюк / MASHNEWS

— Какая из стран, разрабатывающих сверхзвуковые гражданские самолёты, продвинулась дальше других?

— Исследования в обеспечение разработки СГС ведут ИКАО, NASA (США), JAXA (Япония) и другие организации. Ожидается, что проект нормативных требований к таким самолётам может быть сформирован не ранее 2027 года, по мере наработки статистических данных при полётах 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 полёт этого самолёта ожидается в 2023 году, тестовая программа исследований в 2025–2026 годах предполагает большое количество полётов над населёнными территориями для оценки восприятия звукового удара добровольцами. Прогнозируемый уровень громкости звукового удара Х-59 при полёте 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 самолётов.

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. Самолёт «Конкорд» генерировал шум, равный 105–110 PLdB. Он был похож на звук выстрела; в зданиях, над которыми пролетал «Конкорд», вибрировали оконные стёкла. Звуковой удар на уровне 70–90  PLdB сопоставим с хлопком дверцы автомобиля.

— Учёные 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 полёт на сверхзвуке реализуется только над водной поверхностью (проект BOOM Overture, США) либо выполняется над населённой сушей на скорости, соответствующей числу Маха меньше 1,2. В таком случае, при благоприятном состоянии атмосферы, ударные волны отражаются от более тёплого 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 ещё нерешённые вопросы тормозят появление нового самолёта?

— Актуальной проблемой является отсутствие готовых к применению современных бесфорсажных двигателей умеренной степени двухконтурности. Это не позволяет увязать технический облик будущего самолёта 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 лёгкого класса.

Для разработки СГС среднего и тяжёлого 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 самолёту 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 самолёту второго поколения (М = 2, вместимость — 200 пассажиров) с нулевым результатом.

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

Сколько сверхзвуковых самолётов нам надо

— Может ли Россия вырваться вперёд в гонке по созданию СГС?

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

— Какова потенциальная потребность России в сверхзвуковых самолётах?

— С одной стороны, необходимое количество СГС для регулярных пассажирских перевозок внутри Российской Федерации не очень велико, так как стоимость таких перелётов будет сравнима с ценой билетов бизнес-класса и первого класса. При этом основное преимущество во времени проявляется на маршрутах протяжённостью 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 перелётов из-за санкций, что тоже накладывает определённые сложности с развитием сверхзвуковой гражданской авиации. При отмене ограничений и выходе на международные рынки, с учётом удовлетворения ожидаемым экологическим нормам для СГС, потребное количество таких самолётов оценивается в 500–1000 единиц.

СПРАВКА MASHNEWS:
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».