Подъемная сила технологий

Ускоренное развитие авиастроительной отрасли — факт бесспорный. Работа над новыми проектами в гражданской и военной авиации уже вдохнула новую жизнь в отраслевую науку. Теперь требуется не только реформирование производства, но и создание условий для технологических прорывов. С этой целью ОАК консолидирует все имеющиеся и перспективные возможности в центрах компетенции.

В этом году Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК) ведет работу над 20 крупными проектами новых военных и гражданских самолетов. Работа над современной техникой дает толчок к развитию новых технологий и знаний как отраслевой науки, так и академической, а некоторые разработки из авиации уже успешно внедряются в смежных отраслях экономики. Среди новых проектов ОАК — отечественный пассажирский лайнер МС-21, новый транспортный самолет Ил-112, совместно с индийскими партнерами обсуждается проект нового транспортного самолета МТА, с китайскими — широкофюзеляжный пассажирский самолет. Работа над новыми самолетами привела к появлению целого ряда технологий в отрасли, часть которых уже внедряется, часть — в разработке. Потому что МС-21 — проект не просто современный, он, если можно так сказать, локомотивный. Программа его создания с самого начала позиционировалась не только как коммерческий проект, но и как инфраструктурная инвестиция в будущее страны и ее промышленности. Разработка самолета вдохнула жизнь в сопутствующие темы и загрузила профильные научно-исследовательские и проектные организации, до этого вынужденные существовать за счет заказов для зарубежных авиастроителей, а также непрофильных заказчиков.

Взмах черного крыла

В 2016 году ожидается первый полет нового отечественного среднемагистрального лайнера МС-21. Одна из особенностей нового лайнера — большая доля композиционных материалов, он будет состоять из углепластика на треть. Специально под проект ОАК был создан центр компетенций по выпуску агрегатов из композитных материалов.

В рамках центра год назад в Казани открыт завод "КАПО-Композит", на котором изготавливают плоскости хвостового оперения, закрылки, аэродинамические щитки и другие агрегаты небольшой размерности. А уже в этом году на новом заводе "Аэрокомпозит-Ульяновск" началось производство крыльев для МС-21 из углепластика. Инновационный материал легче и тверже алюминия, что позволит уменьшить вес планера и добиться увеличения топливной эффективности на 6-8%. Впервые при производстве такого крупного изделия, как крыло лайнера, будет использоваться безавтоклавная инфузионная технология. Первое крыло, по оценке генерального директора "Аэрокомпозита" Анатолия Гайданского, будет создано в первой половине 2015 года.

В ближайшие месяцы в Воронеже планируется начать строительство центра компетенций по выпуску мотогондол, в Ульяновске — люков и дверей, панелей фюзеляжа, трубогибочное производство, а также новый литейный цех.

И в рамках подготовки новых проектов уже работают центры комплексирования бортового радиоэлектронного оборудования и компетенции по производству радиопрозрачных обтекателей.

Именно в таких центрах должны быть сосредоточены все передовые технологии, что позволит решить проблему раздробленности авиастроительной отрасли.

Масштаб имеет значение

Исследования в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) вступили в новую фазу: усовершенствовалась и усложнилась методика эксперимента, снова начались продувки в аэродинамических трубах крупномасштабных детализированных моделей самолета.

Аэродинамическая труба Т-104 — вторая по величине в ЦАГИ и в стране, диаметр ее рабочей части превышает 7 м. Труба предназначается для испытаний крупномасштабных моделей с имитатором взлетно-посадочной полосы и работающих двигателей самолетов.

Размах крыла модели МС-21 в масштабе 1:8 — около 4,5 м, и это самая большая модель, созданная за последнее десятилетие. Модель таких размеров позволяет отработать аэродинамику отдельных частей самолета — закрылков и предкрылков, тормозных щитков, створок ниш шасси — и вписать их в общую аэродинамику самолета, сопоставив нагрузки на них с расчетными данными проекта. На такую модель можно установить больше тензометрических датчиков для измерения сил, воздействующих на аэродинамические поверхности и элементы механизации,— в общей сложности два десятка. Большое количество датчиков позволяет сократить число дорогостоящих пусков аэродинамической трубы, так как за одну продувку регистрируется информация со всех аппаратов.

"Испытания на столь крупных моделях гражданских самолетов не проводились последние 20 лет. Мы впервые применяем при испытании множество, казалось бы, мелких, но важных деталей. Например, раньше и сейчас при продувке малых моделей самолета мы использовали имитаторы льда, сделанные из дерева. Сегодня для крупномасштабных моделей и полумоделей имитаторы льда изготавливаются при помощи метода компьютерного моделирования из специального пластика. Делаем точнее и быстрее. С каждым годом работы видно, что по многим направлениям мы либо выходим на уровень европейских и американских ученых, либо уже начинаем опережать их",— комментирует состояние дел Геннадий Андреев, начальник сектора отделения аэродинамики самолетов и ракет ЦАГИ.

Ученые исследуют нагрузки на органы управления и механизацию крыла в различных положениях модели относительно взлетно-посадочной полосы во взлетной, посадочной и крейсерской конфигурациях.

Еще не так давно считалось, что компьютерное моделирование если и не заменяет еще натурных продувок полностью, то обязательно заменит их в ближайшие несколько лет. Тем не менее, как это часто бывает, вера в электронный гений заслонила реальность, а реальность оказалась иной. Мировой опыт свидетельствует, что необходимость продувки моделей самолетов в аэродинамических трубах только возрастает. Возьмем проблему обледенения самолета в полете. Точно смоделировать характер обтекания потоком обледеневшего крыла очень трудно, поскольку нарастание льда на поверхностях самолета в разных случаях происходит по-разному. Процессы нарастания льда до сих пор еще слабо изучены.

Электричество для самолета

Одна из глобальных тем, которыми занимаются промышленность и наука,— разработка новых источников электропитания для самолетов. Концепция электрического самолета позволит эффективнее использовать мощности двигателя, сделать полеты и передвижение по аэродрому более экологичными.

Вместе с входящим в госкорпорацию "Ростех" концерном "Авиационное оборудование" ОАК начала разрабатывать концепцию электрического колеса для гражданского самолета SSJ100. Такие колеса, совмещенные с электромоторами, позволят самолетам перемещаться по полосе без использования основных маршевых двигателей. Самолет может двигаться не только вперед, но и назад, быстрее разворачиваться. Но самое главное — технология позволит добиться существенной экономии топлива и позволит новым отечественным машинам соответствовать постоянно ужесточающимся экологическим и шумовым требованиям в европейских аэропортах.

Одним из ключевых партнеров ОАК и концерна "Авиационное оборудование" станет Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. Участвующий в этом проекте профессор МГУ Александр Тишин рассказывает: "Электрический двигатель должен сдвинуть полностью нагруженный самолет с места и ускорить его до 40 км/ч за 90 сек. В конструкции двигателя был использован уникальный магнитный материал. Изобретенная технология позволяет минимизировать вес двигателя благодаря магнитам на основе редкоземельных металлов". По словам генерального директора холдинга "Авиационное оборудование" Максима Кузюка, запланированный объем инвестиций в разработку и постановку в серийное производство инновационного продукта SSJ100 составит около 600 млн руб. Для выполнения работ предприятия используют собственные средства, а кроме того, получают финансирование в рамках федеральной целевой программы "Развитие гражданской авиационной техники".

Победитель получает небо

Разработку электрохимических топливных элементов ведет Институт проблем химической физики (ИПХФ РАН) в подмосковной Черноголовке. Уже на сегодняшний день топливный элемент, разработанный российскими учеными, обеспечивает более чем 40-часовой полет беспилотного самолета, что сопоставимо с высшими мировыми достижениями. Рекорд принадлежит американскому беспилотнику — он продержался в воздухе 42 часа. Однако, по словам руководителя лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН Юрия Добровольского, разработки российских ученых позволят побить рекорд уже в ближайшее время. Рынок технологий разработки топливных элементов начал формироваться около десяти лет назад. В России существовало несколько сильных школ, в том числе черноголовский ИПХФ. "Специалисты не потерялись и остались в науке. Важно, что эту тему продвигают собственные разработки, а не копирование чужих. Это мощный мотиватор",— отмечает Добровольский.

Беспилотные летательные аппараты, созданные на основе разработок ИПХФ, уже сегодня применяются Министерством обороны России, не за горами массовое внедрение электрических силовых установок на легких самолетах и вертолетах авиации общего назначения. Помимо малой и сверхмалой авиации интерес к электрификации проявляет и авиация большая, магистральная. Самые совершенные турбореактивные двигатели военных и гражданских самолетов созданы на пределе возможностей современной техники, их КПД оценивается в 32-33% и не может быть заметно увеличен без революционных технологических новаций. Однако помимо создания тяги двигатель самолета расходует часть мощности на другие функции: работу электрогенераторов и гидравлических систем, отбор воздуха высокого давления для системы кондиционирования и вентиляции. Освободить двигатель от этой нагрузки значит увеличить его КПД примерно на четверть. И в решении этой задачи первостепенная роль отводится все тем же электрохимическим топливным элементам. Причем легкой жизни на борту самолета у них не будет: современный пассажирский лайнер потребляет около 3 МВт мощности — это небольшая электростанция. Заменить ее электрохимическими топливными элементами хотя бы частично — задача для лучших умов отрасли.

Группы влияния

Важная роль при разработке новых самолетов и технологий принадлежит сотрудничеству с Российской академией наук. Соглашение, подписанное президентом ОАК Михаилом Погосяном и президентом РАН Владимиром Фортовым, предусматривает совместную работу более чем по 20 направлениям, в том числе по математике, созданию новых материалов, исследованиям в области химии и физики.

В рамках соглашения созданы рабочие группы, которые совместно решают задачу по внедрению новых технологий в промышленности.

"По принятой во всем мире шкале готовности TRL уровень наших разработок варьируется в пределах шести-семи, то есть внедрением большинства исследований в промышленность уже вполне можно заниматься",— говорит вице-президент РАН академик Сергей Алдошин.

В процессе разработки сложных наукоемких тематических направлений прикладная и фундаментальная наука дает все больше решений, которые могут быть быстро внедрены в смежные области экономики и дать скорую прибыль для поддержания все той же науки. Авиация — один из локомотивов современной науки и промышленной индустрии. В советское время достижения авиационной науки часто использовались в других сферах — космосе, судостроении, медицине. Сегодня разработчики новых технологий для авиастроения успешно применяют свои исследования в смежных отраслях промышленности.

НПО "Унихимтек", созданное сотрудниками и выпускниками химического факультета Московского государственного университета, разрабатывает целый ряд материалов для авиации. Например, углеродные материалы, используемые при производстве тормозных дисков для колес самолетов, по устойчивости к перегреву при температуре свыше 1000 градусов во много раз превосходят традиционную металлокерамику. "Унихимтек" помогает внедрению технологий из композиционных материалов в Воронеже и Казани. В этом году химики наладили производство тепловых панелей на основе вспененного углерода для целого ряда европейских компаний.

В ближайшей перспективе такой подход позволит омолодить научные коллективы и модернизировать лаборатории и экспериментально-исследовательские комплексы, а в перспективе отдаленной значительно повысит научный потенциал страны.