Современные факторы создания сверхзвукового гражданского самолета нового поколения

Актуальность создания сверхзвуковых гражданских самолетов в Российской Федерации обуславливается необходимостью повышения уровня мобильности экономических субъектов в условиях протяженной территории России и связью их с мировыми центрами. Формирование облика российского перспективного сверхзвукового самолета, обладающего конкурентным преимуществом за счет лучших технико-экономических, эксплуатационных и экологических показателей, - одно из ключевых направлений в обеспечении разработки отечественных сверхзвуковых гражданских самолетов (СГС) следующего поколения, включающего в себя передовые научно-технические решения. Приемлемые экологические характеристики СГС нового поколения необходимы в связи с существенным ужесточением национальных и 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 полете со сверхзвуковой крейсерской скоростью, соблюдение норм по шуму в районе аэропорта и вредных эмиссий в атмосферу требует поиска новых технических решений, комплексного анализа 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 сверхзвуковому гражданскому самолету нового поколения:

1. Приемлемыми экологическими характеристиками (звуковой удар, шум в районе аэропорта, уровень вредных эмиссий).
2. Конкурентоспособными летно-техническими характеристиками (аэродинамическое совершенство в сочетании с технологиями низкого звукового удара, высокая крейсерская скорость дозвукового и сверхзвукового полета, межконтинентальная дальность полета, низкий удельный расход топлива, высокая пассажировместимость в сочетании с комфортом бизнес-класса, высокий ресурс в условиях искусственного теплового баланса конструкции).
3. Допустимыми экономическими характеристиками (стоимость летного часа, цена владения самолетом, условия базирования, стоимость жизненного цикла).
   

В современных условиях эффективное комплексное снижение этих рисков может быть достигнуто с помощью создания и апробации спектра цифровых двойников технологий, процессов и объектов, влияющих на формирование концепции и технического лица СГС нового поколения, их структурирование и интеграцию по единому критерию оптимальности в единой информационной среде. Такая работа возможна 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).

Необходимое условие высокой конкурентоспособности перспективного сверхзвукового гражданского самолета - способность выполнения сверхзвукового крейсерского полета для решения конкретной транспортной задачи с допустимым (безопасным для окружающей среды) уровнем звукового удара на земле.

По масштабам задачи и проблемам, изложенным выше, очевидно, что в ближайшей перспективе ни один из проектов СГС нового поколения в России не сможет быть реализован, несмотря на высокую интенсивность работ в этом направлении во всем мире, значительный прогресс по отдельным тематическим направлениям 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.

Поспешное открытие ОКР по самолету 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 КНТП СГС-Т показала качественно новые условия для создания коммерчески эффективной сверхзвуковой гражданской авиации.

В связи с долгим перерывом в реальных работах по созданию СГС у нас и за рубежом сложилась неопределенность (отсутствие) требований сертификации СГС и норм на допустимый уровень звукового удара и шума на местности. В этих условиях и сложившейся современной геополитической ситуации для российских разработчиков авиационной техники необходимо проведение предварительных научно-исследовательских работ в рамках КНТП по созданию проектов требований и временных норм летной годности СГС нового поколения, которые могут быть апробированы в дальнейшем при развертывании целевой программы работ по российскому сверхзвуковому гражданскому самолету. 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 создания 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, является выработка возможно полного реестра критических технологий и их равномерное развитие до уровня готовности технологий (УГТ) от УГТ= 1-3 до УГТ= 3-6. Таким образом, в рамках комплексной целевой программы создания сверхзвукового гражданского самолета нового поколения необходимо 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 исключит риски дублирования затрат на восстановление (повторную разработку) отдельных, быстро меняющихся критических технологий, увеличит качество исследований и сократит сроки работ.

Современные потребности в формировании ключевых технологий создания СГС предварительно можно разделить на семь групп, их тематика 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. Создание национальных и участие в создании международных требований и норм по сертификации и эксплуатации сверхзвукового гражданского самолета нового поколения.

Имеющийся научно-технический задел и зрелость критических технологий сегодня явно недостаточны для старта опытно-конструкторских работ по созданию сверхзвукового гражданского самолета 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 лице с проверкой реализуемости путем многодисциплинарных расчетно-экспериментальных исследований. В рамках первого этапа КНТП СГС-Т НИЦ "Институт имени Н.Е. Жуковского" (НИЦ) вместе с отраслевыми институтами (ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИАС, МАЦ) в 2020-2022 гг. провел комплексный анализ существующих технологий, в результате чего были разработаны реестр критических технологий, включая выявленные технологии 2-го уровня, и дорожная карта, обеспечивающие синхронное развитие ключевых технологий до УГТ = 9. Таким образом, была обоснована необходимость осуществления дальнейших научно-исследовательских работ 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 взлетно-посадочных режимах.
3. Формирование цифровых двойников "бионических" конструктивно-силовых схем планера сверхзвукового гражданского самолета 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.

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 ресурс 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 сверхзвукового гражданского самолета. Очевидно, что к критическим относятся также технологии снижения шума выхлопной струи, вентилятора и планера в условиях взлета и посадки.

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 СГС-Т. Это связано с двумя факторами: возможность использования передовых материалов и технологий для российской военной авиационной и космической техники; 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 дополнительная номенклатура материалов к металлическим и неметаллическим материалам, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий, оборонной, авиакосмической отрасли для СГС нового поколения будет весьма ограничена.

В рамках КНТП СГС-Т был так же выполнен научно-технический анализ рыночных перспектив сверхзвукового гражданского самолета в Российской Федерации и за рубежом, включая анализ состояния нормативных ограничений и требований к сверхзвуковому гражданскому самолету нового поколения. В ходе этих исследований были выявлены три основных рыночных сегмента для будущего сверхзвукового гражданского самолета.


1. Сверхзвуковые деловые самолеты (СДС) для частного и корпоративного применения. Особенности сегмента и основные факторы спроса:

• преобладание парка в иностранных реестрах;
• малые масштабы бизнеса и финансовая слабость российских операторов;
• не соответствующая по дальности маршрутная сеть;
• потенциальный спрос - 5-7 воздушных судов (ВС).
• Сверхзвуковые специальные самолеты (ССС) для использования в интересах органов государственной власти. Особенности сегмента и основные факторы спроса:
• ограниченное число государственных операторов;
• специальные требования к сверхзвуковому гражданскому самолету;
• бюджетные ограничения;
• расширенный доступ к инфраструктуре;
• потенциальный спрос в горизонте 10 лет - 8-10 воздушных судов.
• Сверхзвуковые пассажирские самолеты (СПС) для использования на регулярных воздушных линиях. Особенности сегмента и основные факторы спроса:
• ограниченная маршрутная сеть на внутренних воздушных линиях (ВВЛ);
• ограниченный пассажиропоток в салонах бизнес класса;
• проблемный доступ на международные линии;
• потенциальный спрос в горизонте 10 лет - 15-17 ВС.

В итоге рекомендована разработка унифицированной платформы - сверхзвуковой конвертируемый самолет (СКС). Она используется в зависимости от компоновки: как СДС, как СПС, или как платформа для ССС. Технологическими вызовами создания такой унифицированной платформы стали следующие характеристики:

• пассажировместимость - 35-70 чел.;
• практическая дальность с аэронавигационным запасом (АНЗ) топлива - 9500-11 000 км;
• силовая установка с четырьмя перспективными двигателями взлетной тягой 9,5-10 т;
• максимальное аэродинамическое качество на уровне Кмах - 8,5-9,0;
• расчетные значения громкости звукового удара на уровне 70-75 PLdB (на уровне хлопка закрывающейся двери автомобиля);
• уровень потерь эффективной тяги: ~2,5-3% идеальной тяги сопла на крейсерском сверхзвуковом режиме полета и ~6-8% на трансзвуке;
• обеспечение уровня шума в районе аэропорта с запасом 2,5 EPNdB по отношению к требованиям Главы 4 ИКАО.

Совокупный спрос на СГС с такими характеристиками в Российской Федерации на рубеже 2035 г. был оценен в 35-50 воздушных судов с возможностью их продаж в зарубежные авиакомпании до 200 воздушных судов.

Работы по исследованию природы звукового удара, его стабильности в конкретных атмосферных условиях и методам нормирования по допустимому уровню требуют развития и комплексной отработки, а также подтверждения в натурных условиях реализуемости и эффективности новых технических решений и технологий. Ключевое условие дальнейшего развития технологий формирования облика сверхзвукового гражданского самолета - разработка и летные исследования натурного Демонстратора комплекса критических технологий сверхзвукового гражданского самолета нового поколения. Принципиальным здесь является то, что такой Демонстратор специально спроектирован под задачу формирования ударной волны малой интенсивности на режимах сверхзвуковой скорости крейсерского полета, что не может быть достигнуто на существующих сверхзвуковых истребителях. В силу этой специфики существующий НТЗ, полученный при создании объектов авиационной техники военного назначения, не является широко применимым для создания демонстратора технологий и, тем более, эффективного перспективного СГС, и может быть использован лишь в части авиационных материалов и частично при разработке отдельных систем самолета.

В НИЦ, ЦАГИ, ЦИАМ и ГосНИИАС к настоящему времени уже сформированы технические требования к летному Демонстратору технологий СГС. Существенным является рациональная размерность Демонстратора, достаточная для широкого (не масштабируемого по скорости и массе) спектра исследований и времени начала проведения исследований по природе звукового удара в ближнем и удаленном поле. Естественно, после проведенных ранее в России экспериментов с Ту-144 и Concorde массой более 200 т, Демонстратор большей размерности представляется более актуальным и полезным с точки зрения полученных результатов и их распространением на технологии создания сверхзвукового гражданского самолета нового поколения, но на это потребуются заметно более значительные сроки и средства на его создание. Реализация программы исследований на летном Демонстраторе технологий позволит:

1. Сформировать требуемый научно-технический задел достаточного уровня готовности технологий цифровых двойников звукового удара малой интенсивности в интересах создания СГС нового поколения.
2. Получить экспериментальную оценку достоверности используемых методик и цифровых двойников определения летно-технических характеристик сверхзвукового гражданского самолета нового поколения.
3. Сформировать и проверить в действии команду специалистов, способную в дальнейшем создать СГС нового поколения.
   

Создание Демонстратора для исследований технологий нормирования звукового удара также, как и создание Демонстратора перспективного высокоэкономичного двигателя, должно быть предусмотрено в комплексной целевой программе. Параллельно в Программе должно найти отражение проведение ряда комплексных научно-технологических проектов по поиску и разработке новых технических решений и технологий сверхзвукового гражданского самолета. Далее станет возможным открытие полномасштабных опытно-конструкторских работ по созданию двигателей СГС нового поколения.

Сегодня есть понимание, что в случае отсутствия в России заметных работ по созданию СГС нового поколения к 2030 г. существует высокий риск потери международного участия в сверхзвуковой гражданской авиации. Проведенные исследования у нас и за рубежом показывают, что наибольший мировой спрос прогнозируется для СГС среднего класса (25-50 пассажиров). При этом, размерность такого самолета существенно зависит от технологий его создания. Решающими факторами станут технологии и процессы, позволяющие получить успехи в достижении:

• выбора оптимальной скорости полета М = 1,8-2,2;
• экономичности двигателя на уровне удельных расходов Cr = 0,98-1,05 в крейсерском полете (М = 2,2, Н = 18 км);
• высокой удельной весовой отдачи конструкции на уровне Ɛ = Gпс/Gо = 0,42-0,45;
• аэродинамического качества в крейсерском полете Ккр = 8,25- 9,25;
• высокой безотказности и эксплуатационной технологичности при допустимой стоимости жизненного цикла.

Суперпозиция этих факторов и формирование требований под технологии их достижения - сложная, многокритериальная задача, 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 стратегически значимого (СЗ) КНТП СГС. 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. Первый этап КНТП СГС-Т заложил основы системы управления комплексными разработками в новых условиях. Координационный комитет, созданный по инициативе НИЦ, объединил специалистов и руководителей ОАК, ОДК, КРЭТ с участниками КНТП СГС-Т. Высокий уровень технического риска и большой объем научных исследований требуют интеграции и комплексной отработки всех ключевых технологий и технических решений до промышленного уровня технологической готовности. Это диктует необходимость организации работ по стратегическому заделу КНТП СГС под управлением НИЦ, с постепенным ростом участия и влияния ОАК, ОДК и предприятий промышленности по мере повышения уровня зрелости технологий. На втором этапе роль промышленности должна стать головной, и Научно-исследовательский центр будет участвовать в сопровождении разработки и испытаниях СГС нового поколения в роли соисполнителя.

Глобальная цель комплексной целевой Программы создания СГС нового поколения - обеспечение мирового лидерства России в гражданской сверхзвуковой авиации. Определяющими факторами существования СГС нового поколения являются:

1. Обеспечение допустимого (безопасного) уровня экологического воздействия на окружающую среду (звукового удара, шума на местности и эмиссии вредных веществ).
2. Достижение высоких конкурентоспособных ТТХ самолета.
3. Создание нового конкурентного продукта (услуги) на рынке авиаперевозок.

С учетом этого основными этапами комплексной целевой Программы сверхзвукового гражданского самолета нового поколения должны быть, в первую очередь, работы по созданию интегрированного научно-технического задела по СГС нового поколения, разработка комплекса ключевых технологий создания СГС, работы по созданию двигателя СГС, и, наконец, работы по созданию конкретного СГС нового поколения, технологии и требования к которому уже в целом понятны. Опираясь на данную стратегию, по заданию министерства промышленности и торговли Российской Федерации в ФГБУ "НИЦ имени Н.Е. Жуковского", совместно с ПАО "ОАК", предварительно был проработан состав этапов комплексной целевой Программы сверхзвукового гражданского самолета нового поколения.

Василий Шапкин, первый заместитель генерального директора ФГБУ "НИЦ имени Н.Е. Жуковского", доктор технических наук, профессор
Андрей Пухов, директор проектного комплекса "Гражданская авиационная техника" ФГБУ "НИЦ имени Н.Е.Жуковского"