Самый быстрый самолет

Самый быстрый самолет 8 ноября в Президиуме Сибирского отделения состоялось заседание научного совета, где среди ряда организационных вопросов был заслушан доклад о проблемах создания сверхзвукового пассажирского самолета. Основные три проблемы – экологическая, физическая и экономическая. К первой относится влияние силы звукового удара на живые организмы на поверхности земли. Вторая – управление внешним сопротивлением трения и третья – необходимость снижения стоимости производства. Замдиректора Института теоретической и прикладной механики, д.ф.-м.н. профессор Анатолий МАСЛОВ рассказал о возможных способах решения этих проблем.>>>

8 ноября в Президиуме Сибирского отделения состоялось заседание научного совета, где среди ряда организационных вопросов был заслушан доклад о проблемах создания сверхзвукового пассажирского самолета. Основные три проблемы – экологическая, физическая и экономическая. К первой относится влияние силы звукового удара на живые организмы на поверхности земли. Вторая – управление внешним сопротивлением трения и третья – необходимость снижения стоимости производства. Замдиректора Института теоретической и прикладной механики, д.ф.-м.н. профессор Анатолий МАСЛОВ рассказал о возможных способах решения этих проблем.

Разработки сверхзвукового пассажирского транспорта велись с середины прошлого века. Выпускались они очень малыми сериями – фактически в воздух поднимались чуть ли не экспериментальные образцы, и для испытателей эти опыты заканчивались далеко не всегда успешно. Для таких аппаратов нужно было выбирать специальные воздушные коридоры. Известно, что Ту-144, который был в эксплуатации сравнительно недолго, запретили летать над населенными пунктами, а самолет «Конкорд» летал только над океаном. Последний прощальный полет «Конкорда» был совершен сравнительно недавно.

Сила звукового удара таких самолетов негативно воздействует на организм людей и животных, не говоря уже о том, что когда авиалайнер движется над населенным пунктом на высоте 10-15 км, то оконные стекла зданий заметно дрожат. Особенно сильное увеличение звукового давления происходит при наложении звуковых волн. Такие процессы происходят обычно при маневрах (взлет, посадка, поворот) и ускорении. Еще на опыте «Конкорда» ученым стало очевидно, что если в процессе полета экологические ограничения по силе звуковой волны более-менее соблюдаются, то при взлете или посадке начинаются нелинейные процессы, и в определенных узких боковых полях сила удара становится просто недопустимая. Традиционные методы уменьшения этого воздействия не принесли достаточных результатов. Сюда относится перераспределение подъемной силы по длине фюзеляжа, изменение формы носовой части и некоторые другие. Так, например, конструкторы NASA создали на базе истребителя F-5E модифицированный вариант с удлиненной носовой частью.

Одним из известных способов снижения силы звукового удара является криогенное воздействие. Жидкий азот нагнетается снаружи на нижнюю часть самолета и перераспределяет давление. Наиболее эффективным методом профессор Анатолий Маслов назвал создание зон неоднородности перед летательным аппаратом для образования разреженной зоны. Для управления внешним обтеканием самолета используется технология плазмодинамики. Если на поверхности летательного аппарата определенным образом расположить электроды и зажигать электрические разряды, то можно стабилизировать структуру вихревых потоков, сопровождающих движение самолета.

– При помощи различной конфигурации электродов возникает возможность создания микротечений у поверхности аппарата. Пульсация потока в локализованных узких областях может влиять на обтекание самолета, – отметил Анатолий Маслов.

В 1939 году американцами был создан бомбардировщик Moskuito. Он был настолько быстр для того времени (хотя, конечно, скорость была дозвуковой), что конструкторы даже не предусмотрели возможность расположить в нем пулемет – само собой предполагалось, что самолету не составит никаких проблем уйти от любого истребителя. В основу создания этого самолета легла технология суперкритического профиля крыла с минимальным сопротивлением. Эта идея и сегодня оценивается современными конструкторами «Боингов» как перспективная. Они видят будущее самолетов в виде так называемых «летающих крыльев», в которых расположится основная часть пассажиров. Три года назад несколько пилотных моделей таких крыльев-самолетов уже были произведены, но пока это только эксперименты.

Еще один способ уменьшить сопротивление – отсос пограничного слоя, в котором происходит трение. Интересно, что если до 90-х годов считалось, что чем более гладкой поверхностью обладает летательный аппарат, тем сопротивление ниже, то сегодня известно, что специальным образом нанесенные на поверхность самолета микроскопические неровности снижают трение.

– Первые опыты, которые проводились с начала 2000-х годов в нашем институте, были сделаны при участии студентки-практикантки, – рассказал Анатолий Маслов. – Для первого эксперимента она использовала подручное средство – лак для ногтей, с помощью которого наносились небольшие бороздки на поверхность модели. Результаты эксперимента в аэродинамической трубе не заставили себя ждать – область турбулентности ближнего поля стала спокойнее на 40%.

Примерно в это же время в США шли летные эксперименты на самолете F-15, которые проводятся и по сегодняшний день.

Вторая часть доклада была связана с применением лазерных технологий, возможности которых за последние годы сильно возросли. Сегодня, когда на рынок вышло новое поколение мощных лазеров, которые позволяют осуществлять резку металлических деталей толщиной до 50 мм и более, можно смело говорить о возможности использовать лазерные установки на крупном промышленном производстве в качестве основного, а не дополнительного оборудования. Впервые такую заявку на выставке передовых достижений России, состоявшейся в Ганновере в 2005 году, сделали представители ОКБ лазерной техники из Академгородка во главе с Анатолием Оришичем.

Сварка алюминиевых и титановых корпусов летательных аппаратов – очень дорогостоящая и трудоемкая операция, но главное, что по качеству сваренные традиционными методами детали не могут сравниться с продукцией лазерных технологий. В отличие от плазменной сварки и резки детали, произведенные на лазерных установках, не нуждаются в дальнейшей механической обработке. На них отсутствует грат (наплавы) и неровности. Половина стоимости самолета сосредоточена в фюзеляже, где используется около 30 млн заклепок общей стоимостью в 10-20 млн долларов. С применением лазерных технологий стоимость фюзеляжа может снизиться в 2-3 раза.

Хорошие результаты показали установки по сварке титана. Уровень прочностных свойств сварного соединения на сплаве ВТ-20 (ванадий-титан) составляет не менее 92% от прочности основного металла. С алюминием дело обстоит несколько хуже – при сварке мягкого алюминия показатели предела прочности высокие, а твердые сплавы, используемые в авиации, пока недостаточно прочные. Для упрочнения сварных соединений во всем мире активно используются нанопорошковые модификаторы, которые уплотняют микроструктуру шва. Благодаря ОКБ лазерной техники эти технологии стали доступны сегодня и в России.

– Сегодня создание сверхзвукового самолета в России возможно на принципиально новом уровне, – добавил Анатолий Маслов. – У нас есть подходы, технологии, решения, но это направление необходимо финансировать и развивать экспериментально.

Председатель СО РАН Николай Добрецов умерил оптимистичный настрой докладчика и привел в пример мнение главного конструктора ОКБ Сухого, который сравнительно недавно заявил на одной из демонстраций летательных аппаратов, что прочность прочности рознь и в условиях высокочастотной вибрации соединения на заклепках остаются на порядки надежнее сварных швов.

– Мы ведем такие испытания с СибНИА им. Чаплыгина и находимся на грани решения, – объяснил Анатолий Оришич. – Для титана эта проблема практически решена, теперь дело за алюминием. Большая надежда возлагается на нанопорошки. Сейчас эти технологии испытываются на самолетах Airbus. На А-380 поставили сваренные лазерами немецкие панели на наименее ответственные узлы, чтобы просто проверить технологию в действии.

В качестве резюме заседания прозвучала весьма забавная и одновременно грустная мысль председателя Президиума о том, что наши ученые так далеко иногда уходят в своем теоретизировании и так слабо связаны с производителями, что нередко случается, когда конструкторы какого-нибудь завода сами разрабатывают новую технологию, а ученые задним числом находят ей объяснение.

– Давайте уже работать в связке, – вздохнул Добрецов. – Я хорошо помню, что у нас шли серьезные переговоры с авиакомпанией «Сибирь» (сегодня «S7»), которая была готова к совместному созданию института и опытного завода по реализации технологии лазерной сварки, но все это почему-то ограничилось лишь смелыми заявлениями. Недавно Министерство экономического развития и торговли разработало стратегию развития России до 2020 года, где выделены 6 приоритетных направлений, в которых наша страна имеет шансы занять ведущее положение в мире. Первым из них названа авиационная промышленность, где основные пункты – это как раз сверхзвуковые самолеты и разработка истребителя пятого поколения. В этой связи хочется верить, что у нас появятся более ответственные игроки рынка, потому что без участия крупных предпринимателей такие проекты будут развиваться очень медленно.

Мария ШКОЛЬНИК

Фото автора