Аэродинамика как наука и искусство

Не за горами то время, когда вертолеты будут летать со скоростью свыше 400 километров в час, а в небо поднимется самолет-гигант с 500-тонным грузом на борту. Идут работы над магистральным и широкофюзеляжным дальнемагистральным самолетами, изучаются новые, порой самые неожиданные компоновки воздушных судов. Комплекс аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов – одна из самых больших и разнонаправленных структур Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н.Е. Жуковского. О сегодняшних и будущих проектах рассказывает руководитель комплекса Сергей Ляпунов.

В рамках интеграции

Сегодня комплекс аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов насчитывает 850 человек, а это порядка 20% всей численности института.

Наши сотрудники работают над проектами интегрирующего характера, когда в рамках той или иной научной темы объединяются усилия нескольких подразделений. В последнее время таких проектов все больше. В рамках выполнения контрактов с Минпромторгом России (они составляют значительную часть работы) мы переходим от дисциплинарных исследований — аэродинамики, прочности, системы управления — к комплексным проектам объектовой направленности.

В фокусе внимания специалистов — магистральные и сверхзвуковые самолеты, винтокрылая авиация и другое. С одной стороны, интеграция – положительный фактор, способствующий объединению наших усилий. С другой, это некий вызов, и он сопряжен с рядом трудностей. В этом отношении серьезная нагрузка ложится на организаторов работ — сотрудников комплекса аэродинамики.

Отмечу руководителей и ответственных исполнителей научных тем («Магистраль-технология/интеграция», «СДС/СПС-технология/интеграция», «ВКЛА»), которые успешно справились со своим делом и в будущем продолжат работать в таком направлении. Это А.В. Волков, С.И. Скоморохов, В. Г. Юдин, А.В. Потапов, А.Л. Болсуновский, С.В. Герасимов, И.Л. Чернышев, О.Е. Кириллов, А.Н. Корнушенко.

Революционный авиалайнер МС-21

Летательные аппараты, над которыми сейчас работают аэродинамики, находятся на различных стадиях исследований. Некоторые уже летают и в обозримой перспективе будут выпускаться серийно.

Прежде всего это самолет МС-21, который в мае 2017 года совершил свой первый полет. Это революционный во многих отношениях авиалайнер, его главное достоинство — широкое применение композитных материалов в высоконагруженных элементах. Здесь мы находимся на переднем крае мировой авиации.

На первый взгляд, это задача конструкторов, материаловедов, прочнистов. Однако формируются определенные вызовы и для аэродинамиков. Применение неметаллических материалов показало, что те плюсы, которые можно из этого получить, разумнее переводить в аэродинамическую плоскость, а именно применять крыло большего удлинения, чем на самолетах предыдущего поколения. Для сравнения: типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения — порядка 9–10, в современных самолетах — 10–10,5, на МС-21 – 11,5.

Повышение удлинения крыла порождает новые вызовы и в его аэродинамическом проектировании. Была проведена очень плодотворная работа. Мы с волнением и надеждой смотрим на дальнейшую судьбу самолета. Испытания продолжаются: уточняются характеристики воздушного судна в условиях обледенения, нагрузки на различные элементы и т. д.

Вторая большая составляющая деятельности аэродинамиков ЦАГИ последних лет — интеграция планера и маршевой силовой установки МС-21. Сейчас самолет летает с зарубежным двигателем Pratt&Whitney. Но в перспективе воздушное судно будет эксплуатироваться и с отечественным двигателем ПД-14.

В стремлении к радикально новому

Ряд объектов авиационной техники, над которыми мы работаем, находится на более ранней стадии исследования. В первую очередь это широкофюзеляжный дальнемагистральный самолет (ШФДМС). Российско-китайский проект взял старт около двух лет назад. Уже созданы первые модели, проведены расчеты по аэродинамическому проектированию.

Еще одна составляющая работ по ШФДМС, которая сегодня только формируется, — это двигатели большой тяги для воздушного судна ПД- 35. Перед двигателестроительными корпорациями стоит очень ответственная задача по разработке столь огромного агрегата. Двигателей в классе 30 тонн в нашей стране не выпускалось. В этом масштабном проекте мы также принимаем активное участие.

Радует, что перешла в практическую плоскость наша деятельность по созданию среднего военно-транспортного самолета Ил-276 (головной разработчик — «Авиационный комплекс имени С.В. Ильюшина»). Уже выполнена предпроектная аэродинамическая модель во взлетно-посадочной и крейсерской конфигурациях, проведены испытания в трансзвуковой и малой дозвуковой аэродинамических трубах.

Изучаются самые экзотические компоновки. Например, двухфюзеляжные транспортные самолеты, а также самолеты с очень большой грузоподъемностью (свыше 150 тонн). В центре внимания аэродинамиков института находятся и аппараты, способные летать как на большой высоте, так и вблизи земли, используя экранный эффект. Топливом для таких самолетов будет служить сжиженный природный газ.

Речь идет о тяжелом транспортном самолете интегральной схемы. Отмечу, что названные компоновки прорабатываются коллективами молодых специалистов под руководством признанного лидера в этой области, известного ученого А.В. Петрова. Весьма отрадный факт.

О создании научно-технического задела

Кроме работы над объектами, важнейшая задача ЦАГИ — это формирование научно-технического задела для создания новых перспективных образцов авиационной техники.

Достаточно давно в ЦАГИ занимаются работами по обеспечению ламинарного обтекания пассажирских самолетов. Сегодня направление получило новое дыхание. Это очень большой резерв с точки зрения повышения технико-экономических характеристик: уменьшается расход топлива, снижается сопротивление. Однако перечисленные плюсы привносят и существенные минусы.

Дело в том, что самолетам с ламинаризированным обтеканием необходимо иметь более простую механизацию. Следовательно, пострадают взлетно-посадочные характеристики. Из-за уменьшения стреловидности может снизиться скорость. Соединить все это вместе, сбалансировать преимущества и недостатки — непростая задача, над которой работают аэродинамики. Мы спроектировали несколько конфигураций, в том числе с двигателями над задней кромкой крыла. В результате было показано, что ламинарное обтекание крыла можно обеспечить без существенных ухудшений характеристик.

Рассматривается также ламинаризация обтекания и других элементов летательного аппарата — мотогондол двигателей, вертикального и горизонтального оперения. В этом ключе работают специалисты-аэродинамики отделов под руководством А.В. Лысенкова и В. Г. Судакова. Проект по разработке ламинарной мотогондолы в рамках контракта с АО «ОДК–«Авиадвигатель» стартовал в 2014 году и в перспективе будет развиваться.

Солидное число проектов, в которых анализируются нетрадиционные компоновки различного толка, мы изучаем в содружестве с другими комплексами и подразделениями. Например, «летающее крыло» — работа над этой схемой идет больше 25 лет.

Расширяя границы

Плодотворно развивается и международная деятельность комплекса аэродинамики.

Прежде всего упомяну проект AFLoNext (2nd Generation Active wing — Active Flow, Loads & Noise Control on next Generation Wing/Активное крыло 2-го поколения — активное управление потоком, нагрузками и шумом на крыле следующего поколения). Это важная и содержательная работа, которая стартовала в 2013 году и будет продолжаться еще несколько лет.

В ней принимают участие 40 российских и зарубежных организаций, в том числе ФГУП «ЦАГИ». В создание крупномасштабной модели внесли свой вклад сотрудники комплекса аэродинамики (В. Г. Судаков, И.С. Клипиков) и специалисты других подразделений института (В.Е. Мошаров, Г.А. Амирьянц, А.О. Шардин). Основная цель исследований — создание технологий для улучшения аэродинамических характеристик самолетов гражданской авиации следующих поколений на основе инновационных разработок систем управления обтеканием летательных аппаратов.

Исследования способов снижения звукового удара при полете сверхзвуковых самолетов, определение приемлемого уровня шума и вибрации для населения и зданий, над которыми производятся полеты, — тема еще одного международного проекта — RUMBLE (RegUlation and norM for low sonic Boom Levels/Регламент и нормы для низких уровней звукового удара). Стартовал он в 2017 году и рассчитан на три года.

Вклад коллег-вертолетчиков

Не могу не отметить вклад наших коллег-вертолетчиков. Это небольшое подразделение достигло немалых успехов.

В 2016–2017 годах начала испытываться созданная на базе Ми-24 летающая лаборатория с новым несущим винтом. С точки зрения скоростных характеристик были достигнуты небывалые для классического вертолета значения — превышен рубеж 400 километров в час, в то время как современные винтокрылые машины развивают скорость около 300–350 километров в час. В основе таких впечатляющих цифр — результаты НИР «Взлет-2015» и НИР «Перспективный скоростной вертолет». В этих исследованиях активное участие приняли ученые и специалисты-вертолетчики. Сегодня продолжаются работы по рулевому винту для этого вертолета.

Вторая проблема, которую решают специалисты подразделения, — неуправляемое вращение одновинтовых вертолетов. Это один из наиболее опасных режимов полета такого типа винтокрылых машин. В рамках НИР «Вращение» создается стенд ВП-19, на котором затем будут проводиться эксперименты для изучения этого опасного явления. Работа очень важна для обеспечения безопасности и выполняется сотрудниками отделения под руководством В.А. Леонтьева и В.С. Крымского.

Под прицелом исследований наших коллег-вертолетчиков находятся и оригинальные идеи разного толка. Это, к примеру, «скрещивание» вертолетов и самолетов, взлетающих вертикально, а в дальнейшем летающих «по-самолетному». В перспективе будет создаваться демонстратор такой технологии.

Редакция благодарит за предоставленную информацию пресс-службу ЦАГИ и лично Татьяну Москвину Фото: архив ФГУП «ЦАГИ»