Путевка в небо
«Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума»,— говорил в начале XX века основатель ЦАГИ Николай Жуковский. В России воплощение замыслов авиаконструкторов стало возможным благодаря экспериментально-исследовательской базе ЦАГИ, где уже целое столетие испытываются на прочность самолеты и их отдельные конструкции.
В ЦАГИ анализируют устойчивость и управляемость летательных аппаратов, участвуют в разработке систем управления самолетов различного класса
Фото: Фотоархив ЦАГИ
В поисках проекта
Что нужно сделать, чтобы самолет полетел? В отличие от птицы, которой хватит взмаха крыльев, конструкторам воздушного судна для создания подъемной силы нужно тщательно проработать двигатель, крыло, фюзеляж, киль и другие составные части самолета. Необходима кооперация многих предприятий, в том числе узкоспециализированных. И ни один самолет не начнет полноценных полетов, пока в Центральном аэрогидродинамическом институте не смоделируют его поведение в воздухе. Выпуск каждого военного или гражданского воздушного судна состоит из нескольких этапов, каждый из которых проходит под контролем ЦАГИ.
На первом этапе создания самолета — при проектировании — проводятся исследования, вычисления, продумываются схемы, формируется концепция будущего самолета: из отдельных элементов выстраивается система летательного аппарата, оцениваются его эксплуатационные перспективы. Составляется конструкторско-технологическая документация. На ее основе будет организовано производство опытных образцов и серийных судов. К началу проектирования самолета должен быть сформирован научно-технический задел. Российские ученые постоянно ведут исследования, создают новые технологии — без этого невозможно появление конкурентной авиатехники.
Роль ЦАГИ в этом процессе одна из ключевых. Специалисты института разрабатывают технические концепции перспективной авиатехники с учетом требований рынка. Современный самолет должен не только экономно потреблять топливо, чтобы себестоимость перевозки была ниже, но и оказывать минимальное вредное воздействие на окружающую среду.
В сборе научно-технической информации специалистам ЦАГИ оказывают поддержку опытно-конструкторские бюро (ОКБ). Результатом сотрудничества становится техническое задание. На его основе инженеры приступают к концептуальному проектированию самолета.
В процессе активно участвуют и потенциальные заказчики воздушного судна: они знакомятся с техническим предложением инженеров, наблюдают за эскизным проектированием. На этом этапе выбирается аэродинамическая компоновка, оцениваются летно-технические характеристики самолета. ЦАГИ проводит испытания в аэродинамических трубах и выдает ОКБ рекомендации относительно того, какие элементы судна нужно детально проработать и где требуются экспериментальные исследования.
После того как эскизный проект получает положительное заключение ЦАГИ, начинается рабочее проектирование воздушного судна. Инженерам ОКБ нужно определить окончательные геометрические данные самолета, и на помощь им вновь приходят аэродинамические трубы ЦАГИ. В них испытываются исполнительные модели, а в натурной трубе Т-101 — даже макет самолета. Именно на этом этапе принимается до 70% наиболее ответственных решений, определяющих дальнейшую судьбу самолета.
Чтобы избежать ошибок, ведущих к затягиванию проекта, ЦАГИ создал еще в 1970-х годах первую в России комплексную работоспособную программу для предварительного формирования облика пассажирского самолета — АРДИС (Автоматизированная расчетная диалоговая система). В ней постоянно накапливаются результаты расчетов (летно-технических характеристик и других данных) эксплуатируемых и разрабатываемых российских самолетов. На основе собранных данных формируется банк аэродинамических характеристик для первых полетов. В ходе летных испытаний ЦАГИ мониторит получаемые результаты и вместе с ОКБ вносит коррективы в АРДИС.
Проверка на прочность на земле
По результатам экспериментов ученые дают авиаконструкторам рекомендации по улучшению характеристик летательных аппаратов и их элементов
Фото: Фотоархив ЦАГИ
Многолетняя работа ЦАГИ по формированию облика самолета, расчетам нагрузок, аэродинамических характеристик завершается подготовкой к сборке прототипов. В этом процессе участвует множество предприятий, которые отвечают за производство отдельных агрегатов. Все компоненты поставляются на головной завод, где будет проходить финальная сборка. Здесь стыкуются секции фюзеляжа, крыла, хвостового оперения, монтируется электропроводка, устанавливаются двигатели, шасси.
«Важнейший этап прочностных исследований, по результатам которых вносятся последние изменения в конструкцию и осуществляется сертификация летательных аппаратов,— это статические, частотные, ресурсные и летные испытания натурных конструкций самолета»,— говорит начальник комплекса прочности летательных аппаратов ЦАГИ Михаил Зиченков.
В этом подразделении ЦАГИ работают больше 500 человек. Специалисты не только испытывают воздушные суда, но и проводят прочностные расчеты. Для наземных испытаний, подтверждающих базовую пригодность самолета к полетам, используются опытные образцы.
Основные эксперименты с самолетом проводятся на стендах ЦАГИ в Жуковском. Инженеры и ученые испытывают отдельные агрегаты самолета, а затем и собранный самолет целиком.
«Работы над объектом, в которых ЦАГИ участвует вместе с конструкторами—разработчиками воздушных судов, нацелены на то, чтобы создать прочную и легкую конструкцию. Это необходимо как для высокой экономической эффективности, так и для безопасности»,— поясняет Михаил Зиченков.
На земле проводятся прочностные, частотные, усталостные и другие испытания самолета. Определить возможность судна выдерживать однократные экстремальные нагрузки в критических ситуациях (например, при отказе систем) можно в ходе статических испытаний. Ресурсные подтверждают способность выдерживать многократно повторяющиеся нагрузки до момента разрушения конструкции. Частотные дают представление о спектре собственных частот колебаний самолета. Одним из наиболее крупных гражданских проектов для ЦАГИ стали испытания новейшего отечественного самолета МС-21, в котором впервые в России используются композитное крыло и оперение.
«Применение неметаллических материалов показало, что те плюсы, которые можно от этого получить, разумнее переводить в аэродинамическую плоскость — применять крыло большего удлинения, чем на самолетах предыдущего поколения»,— говорит начальник комплекса аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов ЦАГИ Сергей Ляпунов. По его словам, удлинение крыла «порождает новые вызовы и в аэродинамическом проектировании самолета».
В институте построено 22 стенда для различных прочностных испытаний МС-21. ЦАГИ также модернизирует с учетом постоянно повышающихся требований и опыта эксплуатации заказчиков конструкцию другого российского самолета — SSJ 100. Например, аэродинамики института совместно со специалистами «Гражданских самолетов Сухого» создали улучшенные створки шасси, а также новые законцовки крыла, которые должны обеспечить экономию топлива и повысить дальность полета. Также продолжается работа по увеличению ресурса самолета — с нынешних 10 тыс. полетов до более чем 60 тыс. Таким образом, процесс испытаний не заканчивается и после того, как самолет идет в серию.
Помимо МС-21 и SSJ 100 лаборатория статических испытаний ЦАГИ в составе центра «Прочность» имеет опыт работы более чем с 50 видами самолетов, вертолетов, экранопланов, космических и других летательных аппаратов. В ней могут испытываться самолеты взлетной массой до 250 тонн и вертолеты взлетной массой до 100 тонн.
Еще один современный проект, в испытаниях которого активно задействован ЦАГИ,— это программа создания двухместного поршневого учебно-тренировочного самолета Як-152, разработанного по заказу Минобороны. ЦАГИ помог в решении задач статической, динамической и усталостной прочности, а также проводит ресурсные испытания судна.
Аналогичные исследования ведутся и на других самолетных программах — это проекты глубоко модернизированного самолета Ил-476 и перспективного многофункционального истребителя пятого поколения Су-57, а также эксплуатируемые учебно-боевые Як-130 и штурмовики Су-25. Также ЦАГИ задействован в программе разработки легкого военно-транспортного Ил-112В и в создании модернизированного пассажирского регионального турбовинтового Ил-114–300. В институте производились расчеты по аэродинамическому проектированию российско-китайского широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета CR929.
Большой объем работ ЦАГИ выполняет по вертолетным и космическим программам, а также работает над фундаментом для создания летательных аппаратов будущего (например, для отработки технологий по проекту сверхзвукового гражданского авиалайнера СПС-СДС).
Испытания воздухом
Ученые должны подтвердить, что МС-21 остается прочным, полностью выдержав 180 тыс. циклов нагружений, характерных для реальной эксплуатации
Фото: Фотоархив ЦАГИ
Несмотря на то что современные технологии и возможности стендов позволяют проводить большую часть проверок прототипов на земле, без летных испытаний с участием специалистов ЦАГИ не обойтись. В полете судно должно продемонстрировать свою устойчивость и управляемость, подтвердить заявленные эксплуатационно-технические и взлетно-посадочные характеристики. Все это предваряют исследования моделей в аэродинамических трубах ЦАГИ (подробнее см. «Моделирование»).
Наконец, наступает один из главных моментов: судно «ставят под ток» — происходит тестовое подключение электропитания. Перед первым вылетом тщательно проверяется работа электрической, гидравлической систем и навигационного оборудования, испытываются элементы механизации крыла, топливная система и механизмы выпуска шасси.
По мере приближения к этапу сертификации воздушного судна разворачивается подготовка к серийной сборке самолета и создается задел для производства и дальнейшего наращивания темпов выпуска судна. Финальный летный прототип пассажирских судов производится уже с салоном и полностью соответствует тем машинам, которые пойдут в серию.
Процесс сборки постоянно оптимизируется и совершенствуется: помимо активного использования цифровых технологий (для повышения качества и скорости производства) внедряются принципы параллельной сборки: одновременно со стыковкой компонентов судна ведется установка салона. Все это позволяет на одной сборочной линии производить большее число самолетов для ускоренной поставки заказчику.
Жизнь после взлета
Документом, свидетельствующим о рождении самолета, является сертификат типа. По итогам летных и наземных испытаний именно он дает право воздушному судну начать полноценные полеты. К этому времени одобрение регулятора — сертифицирующего органа — должен получить двигатель. У ЦАГИ есть собственный сертификационный центр с шестью аккредитованными испытательными центрами. Их оборудование позволяет проводить зачетные сертификационные тесты. Предприятие оценивает соответствие авиатехники требованиям прочности конструкции, заявленным летным характеристикам, свойствам функциональных систем, процедурам сохранения летной годности в процессе длительной эксплуатации и требованиям по охране окружающей среды от воздействия авиации.
Параллельно с выдачей «свидетельства о рождении» производство готовится к запуску нового воздушного судна в серию. Но совершенствование самолетов не прекращается и после сертификации: происходят экстренные ситуации, требующие доработок судна, в обиход входят новые материалы, совершенствуются приборы. Экспериментальная база ЦАГИ постоянно развивается и дополняется стендами, которые дадут жизнь еще не одному летательному аппарату.
На границе двух стихий
Гидродинамика
Исследование проблем гидродинамики — одно из основных направлений деятельности ЦАГИ. Скорость, эффективность, безопасность — вот главные качества, присущие аппаратам, разрабатываемым в институте.
Основа экспериментальной базы гидродинамики — 202-метровый гидроканал ЦАГИ. Буксировка моделей со скоростью до 15 м/с над поверхностью воды, по ее поверхности и в водной толще позволяет с высокой точностью определять их аэродинамические, гидродинамические и мореходные характеристики. Введенный в эксплуатацию 88 лет назад, в 1930 году, канал до сих пор остается одной из самых востребованных экспериментальных установок института.
Благодаря исследованиям в гидроканале ЦАГИ были созданы самый массовый отечественный гидросамолет времен Великой Отечественной войны МБР-2 конструкции Г. М. Бериева, глиссирующий торпедный катер АНТ-5 конструкции А. Н. Туполева, составивший основу отечественного скоростного торпедного флота в годы войны, первые отечественные суда на подводных крыльях, первая в мире серийная реактивная летающая лодка Бе-10. Исследования 1970–1980 годов позволили построить самолет-амфибию А-40 «Альбатрос» (разработчик — Таганрогский научно-технический комплекс им. Г. М. Бериева), который попал в Книгу рекордов Гиннесса, установив уникальное количество мировых рекордов — 148, и послужил прототипом самого эффективного в мире противопожарного самолета Бе-200. Без исследований в гидроканале было бы невозможно создание серии не имеющих аналогов в мире отечественных кораблей-экранопланов КМ, «Лунь», «Орленок», «Волга-2».
Важное место в исследованиях гидродинамиков ЦАГИ занимает изучение способов обеспечения безопасного аварийного приводнения объектов авиационно-космической техники. Заключение ЦАГИ о возможности аварийной посадки на воду получают все отечественные пассажирские самолеты. ЦАГИ исследовал посадку на воду отечественного космического челнока «Буран» и спускаемых космических аппаратов. Современные вертолеты последних поколений, включая Ми-38, «Ансат» и др., получили рекомендации ЦАГИ по размерам и компоновке систем аварийного приводнения.
Для оценки динамики аварийного приводнения в исследованиях также используется плавающая катапульта, позволяющая моделировать процессы приводнения и определять критические нагрузки на элементы конструкции. Катапультируемая модель может иметь размах крыла до 4 м, массу до 100 кг и скорость приводнения до 30 м/с.
Скоростной гидростенд ЦАГИ, буксировочная каретка которого разгоняется до скорости 50 м/с, дает прекрасные возможности для исследований в необращенном движении таких сложных явлений, как отрыв потока от тел скругленной формы, возникновение явлений кавитации и прорыва атмосферного воздуха к движущимся под водой с высокими скоростями объектам, например подводным крыльям или элементам системы управления, для моделирования распространения жидкокапельных смесей в спутном следе крыла противопожарного или сельскохозяйственного самолета.
Достижения ЦАГИ в области гидродинамики являются существенным вкладом в развитие отечественной фундаментальной и прикладной механики.
Большая польза небольшой модели
Моделирование
Как испытать летательный аппарат в наиболее опасных режимах полета, не экспериментируя с натурным объектом в реальных условиях?
Специалисты ЦАГИ решают эту задачу, проводя исследования на аэродинамических моделях летательных аппаратов, в том числе динамически подобных моделях (ДМП), которые позволяют оценивать не только аэродинамические нагрузки, но и динамику поведения конструкции аппарата.
С начала работы института конструкторы, прочнисты, высококвалифицированные модельщики и рабочие создают копии будущих летательных аппаратов, чтобы проводить все виды исследований в аэродинамических трубах. Размеры изделий — от нескольких сантиметров до 18 м. Инженеры оценивают действующие силы и моменты при обтекании аппарата воздушным потоком, измеряют распределение давления по внешней поверхности, изучают обтекание на больших углах атаки, определяют характеристики устойчивости и управляемости объектов и т. д. Полученная информация используется при подготовке аванпроекта и эскизного проекта в конструкторских бюро для определения базовых летно-технических характеристик, последующей разработки конструкции самолета и его систем.
Инженеры ЦАГИ ежегодно разрабатывают и изготавливают до 20–25 металлических моделей и до 15 композитных, в том числе ДМП, свободно летающие демонстраторы и модели транспортных средств. Интерес к работе ЦАГИ в этой области проявляют и ведущие зарубежные авиастроительные организации — для них ЦАГИ ведет два-четыре проекта в год, а для кооперационных европейских программ в институте ежегодно изготавливаются одна-две крупногабаритные модели.