Несмотря на разрушительное воздействие пандемии COVID-19 на авиаперелеты в 2020 году, Aerion Corporation – американский производитель самолетов AS2, базирующийся в Рино, штат Невада в апреле этого года заявил, что аппетит к сокращению времени путешествия и повышению глобальной мобильности неизбежно вернется в постпандемический мир. Независимо от того, произойдет ли это рано или поздно, компания признает, что долгосрочное рыночное признание AS2 по-прежнему зависит от достижения экологической безопасности, как с точки зрения шума, так и выбросов. Вторя этому, Федеральное авиационное агентство (FAA) 13 апреля 2020 разместило Уведомление о предлагаемом нормотворчестве в части обсуждения документа: Сертификация шума сверхзвуковых самолетов. Данное действие предполагает добавить новые сверхзвуковые самолеты, имеющие максимальную взлетную массу не более 150 000 фунтов (68 тонн) и максимальную рабочую крейсерскую скорость до 1,8 Маха (порядка 1930 км/час) к применимости правил сертификации шума, а также предлагает новые стандарты шума посадки и взлета для определенного класса перспективных сверхзвуковых самолетов. Таким образом, пандемия COVID-19 не мешает американским властям думать о завтрашнем дне авиатранспортной национальной системы США, и очевидно, что этот интерес к разработке перспективных сверхзвуковых гражданских самолетов, и предлагаемые правила будут способствовать дальнейшему развитию американской авиапромышленности, определяя пределы шума для конструкций, обеспечивая средства для сертификации самолетов и их эксплуатации.

Государственная политика Российской Федерации в области авиационной деятельности предусматривает создание конкурентоспособной отечественной авиационной промышленности, обеспечивающей вовлеченность России в глобальную экономику. С учетом мировых тенденций и сложившегося рынка в авиационном сегменте России самым перспективным направлением развития отечественной авиации сегодня может стать создание сверхзвуковых гражданских самолетов (СГС) нового поколения.

В современных условиях первоочередными действиями для устойчивого завоевания доли мирового рынка сверхзвуковой гражданской авиации необходимо опережающее развитие и интеграция новейших достижений науки и технологий, формирование научно-технического задела (НТЗ) авиастроения в сфере создания новых конкурентоспособных отечественных сверхзвуковых гражданских самолетов нового поколения разрабатываемых в ФГБУ НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» (далее НИЦ) и в отраслевых институтах (ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС). Сегодня у нас накоплен значительный задел по передовым научно-техническим решениям в области аэродинамики, аэроакустики, прочности, самолетных систем, силовой установки, интеллектуальных систем и материалов, технологий более электрического самолета, бортового оборудования и, что особенно важно, решений в части снижения экологического воздействия на окружающую среду.

Создание коммерческих сверхзвуковых гражданских самолетов, удовлетворяющих комплексу противоречивых требований к их экономической, операционной и экологической эффективности, сопряжена с высокими технологическими рисками. Создание опережающего НТЗ по критическим технологиям сегодня является решающим фактором успеха будущего СГС. При этом даже более важным, становятся сроки выполнения этих работ, которые определят не только будущих лидеров на новом рынке сверхзвуковых авиаперевозок, но и его участников в целом. Выиграть время можно в поэтапном научно-технологическом подходе. В связи с этим в зарубежных и отечественных прогнозах (NASA в США, RUMBLE в Европе, ГНЦ авиационной промышленности (ЦАГИ и ЦИАМ в России) на первом этапе рассматривается возможность научных исследований по созданию и эксплуатации сверхзвуковых самолетов с ограниченным (12–19) числом пассажиров и скоростью крейсерского полета, соответствующей числу Маха Мкр = 1,6…1,8. Далее созданный научно-технический задел в сочетании с новым опытом эксплуатации позволят перейти к созданию магистрального сверхзвукового пассажирского самолета с числом пассажиров 30-50 и более, и, возможно, с более высокой крейсерской скоростью полета до Мкр = 2,0…2,2, как это было у сверхзвуковых пассажирских самолетах первого поколения Ту-144 и Concorde. В остальном, в мировом сообществе пока не существует единых подходов к формированию облика и параметров жизненного цикла СГС нового поколения, что требует от нас системных решений и подходов при организации дальнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Актуальность создания сверхзвуковых гражданских самолетов в Российской Федерации обуславливается необходимостью повышения уровня мобильности экономических субъектов в условиях протяженной территории России и связь их с мировыми центрами. Предварительные исследования по операционным требованиям к СГС нового поколения для эксплуатации на внутреннем рынке РФ показали, что нужны самолеты с дальностью не менее 6500 км. Предварительные исследования наших зарубежных коллег увеличиваю этот параметр до 7500 км. Это достаточно высокие требования. Достижение таких практических дальностей полета потребует в обеспечении разработки конкурентоспособных отечественных СГС нового поколения создать современные технологии и решения в рамках предварительных научных исследований. Кроме того, необходимо создать технологии достижения приемлемых экологических характеристик СГС нового поколения. Уже сегодня мы отмечаем существенное ужесточение международных требований к экологическим характеристикам самолетов гражданской авиации. Особенно остро стоит проблема минимизации вредного воздействия сверхзвукового гражданского самолета на окружающую среду. Обеспечение допустимого уровня звукового удара при полёте со сверхзвуковой крейсерской скоростью, соблюдение норм по шуму в районе аэропорта и вредных эмиссий в атмосферу требует поиска новых технических решений, комплексного анализа, допустимого трансфера оборонных технологий и выбора наиболее рациональных вариантов аэродинамической схемы планера СГС и его силовой установки. Конкурентоспособные летно-технические характеристики СГС должны достигаться с учетом дополнительных факторов, учитывающих специфику применения. Так, например, известно что при полетах со сверхзвуковыми скоростями самолеты нагреваются вследствие трения о воздух. Происходит кинетический нагрев, который называют также аэродинамическим нагревом. Вследствие этого конструкция планера СГС (в частности выбор конструкционных материалов), его системы, системы жизнедеятельности должны позволять длительную работу в высоких тепловых полях, что в свою очередь требует детального изучения и создания цифровых двойников теплового состояния отсеков в зависимости от компоновки СГС, его конструктивного исполнения в разных высотно-скоростных условиях. Таким образом, самые высокие риски при создании перспективных СГС находятся в достижении рационального компромисса между противоречивыми требованиями к СГС нового поколения:

  1. Приемлемыми экологическими характеристиками (звуковой удар, шум в районе аэропорта, уровень вредных эмиссий)
  2. Конкурентоспособными летно-техническими характеристиками (скорость, дальность, расход топлива, пассажировместимость, тепловой баланс)
  3. Допустимыми экономическими характеристиками (стоимость летного часа, цена владения самолетом, условия базирования, стоимость жизненного цикла)

В современных условиях эффективное снижение этого риска может быть достигнуто с помощью создания и апробации спектра цифровых двойников технологий, процессов и объектов, влияющих на формирование свойств СГС нового поколения, их структурирование и интеграцию по единому критерию оптимальности в единой информационной среде. Такая работа возможно лишь при централизованном формировании технических заданий (ТЗ) на разработку всех перечисленных технологий, что является принципиальной особенностью при организации НИР в рамках комплексных научно-технологических проектов (КНТП), которая разработана и уже начала реальную апробацию в НИЦ. В течение трех лет в институте проводилась системная работа по выстраиванию системы управления и организации комплексными научно-технологическими работами. На основе опыта организации научно исследовательских работ (НИР) в ЦАГИ, ГосНИИАС, ЦИАМ, СибНИА под управлением НИЦ была разработана и формализована система управления КНТП, выпущен и утвержден Стандарт по управлению КНТП, в котором учтены многие уникальные особенности и многолетний опыт проведения научных исследований в авиационной отрасли, учтен жизненный цикл современных технологий, механизмы их выращивания и передачи потребителю.

Наличие системы управления научными исследованиями не менее важный фактор, определяющий успех будущих разработок СГС нового поколения, так как здесь как никогда принципиально время и длительность проведения требуемых исследований. Здесь нельзя ошибиться в выборе компетентных центров, способных выполнить научные исследования по созданию конкретного перечня технологий в срок и с заданным качеством.

ris-1.jpg

Рис. 1. Достигнутый уровень технологий СГС первого поколения, который является качественным ориентиром при организации научно-исследовательских работ в КНТП СГС-Т1

Например, несмотря на периодическую активность FAA, продолжает иметь место неопределенность (отсутствие) требований сертификации СГС и международных норм на допустимый уровень звукового удара и шума на местности для российских разработчиков, которая может быть снята только проведением предварительных научно-исследовательских работ в рамках КНТП по созданию проектов требований и временных норм, которые могут быть апробированы в дальнейшем при развертывании целевой программы работ по СГС нового поколения. Эти требования и нормы не могут быть сформированы без наличия фактического материала по характеристикам распространения ударных волн малой интенсивности в реальной атмосфере, что обуславливает необходимость в опережающем режиме создание научно-технического задела с использованием летающих демонстраторов и проведения комплексных исследований в России. Учитывая большую степень взаимовлияния критических технологий СГС, перед началом опытно-конструкторских работ необходимо выполнить анализ эффективности и ранжирование технологий снижения звукового удара и шума в районе аэропорта, снижения аэродинамического сопротивления на сверхзвуковых скоростях, повышения топливной эффективности, повышения интеллектуализации системы управления. Особо существенным при создании опережающего НТЗ и интеграции технологий, которые необходимы для создания СГС нового поколения, это выработка возможно полного реестра критических технологий и их равномерное развитие до уровня готовности технологий (УГТ) от УГТ= 1–2 до УГТ= 3–4. Нам может потребоваться проведение ряда КНТП, в рамках которых будет гарантирована системная интеграция, полнота и сбалансированность требуемого для начала опытно-конструкторских работ (ОКР) научно-технического задела. Кроме того, проведение именно КНТП СГС-Т1 исключит риски дублирования затрат на восстановление (повторную разработку) отдельных, быстро меняющихся критических технологий, увеличит качество исследований и сократит сроки работ.

ris-2.jpg

Рис. 2. Принципиальная разница подходов КНТП в организации научно исследовательских разработках

Современные потребности в формировании ключевых технологий создания СГС предварительно можно разделить на семь групп, тематика которых охватывает технические аспекты подготовки к ОКР:

  1. Обеспечение допустимого уровня звукового удара при одновременном обеспечении требуемой аэродинамической эффективности за счет создания интегральной компоновки самолета.
  2. Обеспечение целевой топливной эффективности силовой установки и допустимых вредных выбросов на сверхзвуковых скоростях полета при одновременном выполнении требований по уровню шума на взлетно-посадочных режимах.
  3. Обеспечение целевых значений весовой и ресурсной эффективности конструкции при обеспечении требуемой жесткости и аэроупругости.
  4. Обеспечение надежной устойчивости и управляемости и СГС на всех режимах полета.
  5. Повышение уровня надежности и функциональности комплекса бортового оборудования и систем в условиях кинетического нагрева.
  6. Повышение эффективности бортовых систем за счет технологий более электрического самолета.
  7. Участие в создание международных требований и норм по сертификации и эксплуатации СГС нового поколения.
ris-3.jpg

Рис. 3. Технологии исследования интегральной компоновки СГС и путей достижения целевого значения аэродинамического качества на основе цифровых двойников СПС первого поколения

Имеющийся научно-технический задел и зрелость критических технологий недостаточны для немедленного начала опытно-конструкторских работ по созданию СГС нового поколения. Значительный технический риск, а также отсутствие требований по сертификации и норм по допустимому уровню звукового удара и шума в районе аэропорта, требуют проведения дополнительных работ по численной и экспериментальной отработки новых технических решений и технологий, созданию цифровых двойников объектов и процессов разработки и производства СГС. При этом принципиальную роль играет системная интеграция технологий в едином техническом облике с проверкой реализуемости путем многодисциплинарных расчетно-экспериментальных исследований. В рамках комплексного подхода требуется провести анализ существующих технологий, а также разработать реестр критических технологий, включая выявленные технологии 2-го уровня, и дорожную карту, обеспечивающую синхронное развитие ключевых технологий до УГТ = 6 (в частности, в рамках проведения КНТП СГС-Т1 планируется достижение УГТ = 2–3).

Таким образом, необходимо осуществить научно-исследовательские работы по ряду критических технологий:

  1. Формирование цифровых двойников аэродинамических компоновок СГС различной размерности с приемлемым уровнем звукового удара и высоким уровнем летно-технических характеристик.
  2. Формирование цифровых двойников методик достижения приемлемого уровня шума планера и силовой установки на взлётно-посадочных режимах.
  3. Формирование цифровых двойников «бионических» конструктивно-силовых схем планера СГС с учетом условий кинетического нагрева.
  4. Формирование цифровых двойников силовой установки и интеграция их с планером для снижения уровней звукового удара и шума при одновременном повышении эффективности входных и выходных устройств.
  5. Формирование цифровых двойников технологий оценки характеристик звукового удара.

ris-4.jpg

Рис. 4. Влияние внедрения критических технологий, разрабатываемых в рамках КНТП СГС-Т1 на уровень конкурентоспособности СГС нового поколения

Важным требованием для СГС является обеспечение потребной тяги и относительно низкого (необходимого для решения поставленной транспортной задачи с приемлемой коммерческой эффективностью) уровня расхода топлива двигателя на сверхзвуковой крейсерской скорости полета. При этом максимальные значения параметров двигателя (температура газа перед турбиной, температура воздуха за компрессором, физическая частота вращения ротора высокого давления) достигаются именно на максимальном крейсерском (наиболее длительном) и максимальном продолжительном сверхзвуковых режимах полета, что обуславливает необходимость разработки и использования конструктивно-технологических решений, обеспечивающих приемлемое тепловое состояние конструкции, требуемую надежность и ресурса двигателя и других систем силовой установки СГС, включая применение эффективных систем охлаждения, конструкционных материалов, в том числе композиционных и неметаллических (для снижения массы и увеличения ресурса). Выбор типа двигателя и характеристик силовой установки и обеспечение их согласованной работы на критических точках траектории для минимизации потерь тяги оказывают ключевое влияние на топливно-экономические и экологические характеристики СГС. Очевидно также, что к критическим относятся также технологии снижения шума выхлопной струи, вентилятора и планера в условиях взлета и посадки.

ris-5.jpg

Рис. 5. Вероятный облик российского двигателя для СГС нового поколения

Составной частью необходимых комплексных научно-технологических исследований является определение специфических требований и формирование состава ключевых технологий по концептуальным направлениям систем СГС, в том числе комплекса бортового оборудования, с целью повышения безопасности и экономической эффективности полетов. Разработка СГС, включая разработку и внедрение новых технологий, потребует значительных ресурсов для ее реализации. В этой связи уже на ранних этапах работ требуется произвести оценку сроков, экономических затрат комплексной целевой программы, включающей все этапы: НИР, ОКР, производство, сертификацию СГС и создание системы поддержки самолета в эксплуатации.

Проведение комплекса широкомасштабных исследований критических технологий в части разработки специальных авиационных материалов в интересах СГС нового поколения на начальных этапах не является критичным и может быть отнесен к более поздним работам по КНТП. Это связано с двумя факторами: возможность использования передовых материалов и технологий для российской военной авиационной и космической техники, и достаточность достигнутого научно-технологического задела по двигателю для СГС. Кроме того, есть основание считать, что специальных (повышенных) требований к конструкционным материалам СГС нового поколения предъявляться не будет. В силу этого передовой номенклатуры металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий, оборонной, авиакосмической отрасли на первых этапах КНТП СГС-Т1 будет достаточно. Проведение поисковых и прикладных исследований, связанных с разработкой конструкционных и функциональных материалов должно планироваться при создании конкретной технической концепции СГС нового поколения, то есть после заверения первого этапа КНТП СГС-Т1.

ris-6.jpg

Рис. 6. Условия кинетического нагрева, определяющие выбор конструкционных материалов и тепловой баланс систем СГС нового поколения

В рамках первого этапа КНТП СГС-Т1 необходимо провести научно-технический анализ рыночных перспектив СГС в Российской Федерации и за рубежом, включая анализ состояния нормативных ограничений и требований к СГС, разработать методику оценки затрат на программу СГС, произвести предварительную оценку стоимости и сроков реализации критических технологий в соответствии с дорожной картой, что позволит обосновать решения в комплексную целевую программу создания СГС нового поколения.

Сегодня есть понимание, что в случае отсутствия в России заметных работ по созданию СГС нового поколения к 2030 году существует высокий риск потерять международное участие в сверхзвуковой гражданской авиации. Проведенные исследования у нас и за рубежом показывают, что наибольший мировой спрос прогнозируется для СГС среднего класса (12–19 пассажиров). При этом, размерность такого самолета существенно зависит от технологий его создания. Решающими факторами станут технологии и процессы, позволяющие получить успехи в достижении:

  1. Выбора оптимальной скорости полета М = 1,8…. 2,2.
  2. Экономичности двигателя на уровне удельных расходов Cr = 0,98… 1,05 в крейсерском полете.
  3. Высокой удельной весовой отдачи конструкции на уровне Ɛ = Gпс/Gо = 0,42… 0,47.
  4. Аэродинамического качества в крейсерском полете Ккр = 0,85*Кмах = 8,25… 9,25.
  5. Высокой безотказности и эксплуатационной технологичности при допустимой стоимости жизненного цикла.

Суперпозиция этих факторов и формирование требований под технологии их достижения является сложной, многокритериальной задачей, которая требует не только формирования сложных математических и эмпирических алгоритмов, увязанных между собой в единой информационной среде, но и значительного набора исходных данных, включающих весь имеющийся опыт по испытаниям, исследованиям, данных эксплуатации и пр. Исходя из этого, под управлением НИЦ были сформулированы основные задачи КНТП СГС-Т1. При этом есть твердое понимание того, что основным условием успешной реализация Программы создания конкурентоспособных российских СГС нового поколения является консолидация усилий организаций авиационной науки и предприятий промышленности. Высокий уровень технического риска и большой объем научных исследований требует интеграции и комплексной отработки всех ключевых технологий и технических решений до промышленного уровня технологической готовности. Это диктует необходимость организации работ на первом этапе комплексной целевой Программы начала работ по КНТП СГС-Т1 под управлением НИЦ, с постепенным ростом участия и влияния ОКБ и предприятий промышленности по мере повышения уровня зрелости технологий. На втором этапе роль промышленности должна стать головной и научно-исследовательские центры будут участвовать в сопровождении разработки и испытаниях СГС нового поколения в роли субподрячиков.

ris-7.jpg

Рис. 7. Дорожная карта комплексной целевой Программы СГС нового поколения

Необходимое условие высокой конкурентоспособности перспективного СГС – это способность выполнения сверхзвукового крейсерского полета для решения конкретной транспортной задачи с допустимым (безопасным для окружающей среды в соответствии с принятыми нормами) уровнем звукового удара на земле. Сегодня уже научно обоснованно, что двухрежимные (имеющие два крейсерских режима: дозвуковой и сверхзвуковой) самолеты, не допускающие полет на сверхзвуковой скорости над населенной сушей, заведомо будут не конкурентоспособны.

ris-8.jpg

Рис. 8. Динамика изменения достигнутых летно-технических характеристик программы Ту-144 1972–1980 гг.

По масштабам задачи и проблемам, изложенным выше, очевидно, что в ближайшей перспективе ни один из проектов СГС нового поколения в России не сможет перейти в стадию конструкторских работ, несмотря на высокую интенсивность работ в этом направлении во всем мире, значительный прогресс по отдельным технологиям и существенный объем вложенных в разработку средств, так как не сформированы международные требования по эксплуатации и разработке СГС. Потребный уровень характеристик перспективного СГС не может быть реализован на базе традиционных технических решений и технологий.

Кроме того, при традиционных организационных схемах взаимодействия способы увязки проектных параметров, например, самолета и двигателя – это последовательное повторение циклов обмена данными и решениями между и самолетчиками и двигателистами с жестким разделением полномочий. Это существенно замедляет и ограничивает качество научных исследований. Нужна новая организационная схема взаимодействия, которая в НИЦ заложена в системе управления КНТП, и которая будет способствовать налаживанию более открытых и доверительных производственных отношений, для рациональной и тонкой увязки всех технологий самолетных систем, силовой установки их интеграции с планером. Команда исполнителей КНТП должна стать центром формирования задач и принятия решений по всему комплексу разрабатываемых технологий под эгидой непосредственно НИЦ с соответствующими задачами, полномочиями, техническими возможностями и кадровым обеспечением. Сегодня не определены проблемные технологии и нет решений по ряду системных вопросов, отсутствует системная интеграция ключевых технологий, что не позволяет начать ОКР по созданию СГС нового поколения. Поспешное открытие ОКР по самолёту с качественно новыми свойствами (сверхзвуковая крейсерская скорость с большой дальностью и интенсивностью полетов) и экологическими требованиями (по уровню звукового удара, вредным выбросам в атмосферу в условиях крейсерского полета и шум в районе аэропорта в условиях взлета и посадки) без отработки новых технических решений и критических технологий до высокого уровня технологической готовности и зрелости, как показал опыт создания Ту-144 и Concorde, обязательно приведет к повторяющимся затратам, привлечению дополнительных трудовых ресурсов и значительным потерям времени для достижения требуемого результата. Таким образом, системная работа по интеграции критических технологий в рамках первого КНТП СГС-Т1 может дать начало к новому этапу по созданию в России качественно новых условий для создания коммерчески эффективной сверхзвуковой гражданской авиации.