Размышления о будущем российской гражданской авиации.
Совсем недавно ряд российских СМИ сообщили о том, что отечественные авиационные предприятия ведут работу над созданием пассажирских лайнеров нового поколения, способных развить гиперзвуковую скорость. Непосредственный источник новости – руководитель Фонда перспективных исследований Андрей Григорьев смотрит на перспективу появления пассажирских лайнеров с подобными техническими характеристиками в нашей стране со сдержанным оптимизмом.
Тем не менее громкий анонс зародил непраздный интерес, связанный с перспективными и даже прорывными разработками в нашей гражданской авиации. Где, как не в Центральном аэрогидродинамическом институте имени Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), знают об этом лучше всего? Наш корреспондент обратился к руководителю программ реализации научных проектов развития авиации общего назначения и воздухоплавательной техники ЦАГИ Андрею ДУНАЕВСКОМУ и попросил рассказать о новых направлениях развития отечественной и мировой авиатехники.
Основной тренд
Иногда интересно заглянуть в будущее, чтобы не застревать в прошлом. Некоторое время назад Минпромторг совместно с предприятиями авиапрома и ГосНИИ ГА разработал концепцию развития авиационной науки и технологий до 2030 года и на дальнейшую перспективу. Это некий прогноз основных научных технологических перспектив, обладающих достаточно высоким уровнем готовности, чтобы быть использованными промышленностью. Согласно данному сценарию, соответствующему зарубежным предсказаниям, стратегическими целями мировой авиации являются существенное улучшение показателей безопасности, снижение уровня шума и уменьшение вредных выбросов воздушными судами. В частности, к 2020 и 2030 годам ставится задача сократить количество авиационных происшествий в 5 и 10 раз соответственно в абсолютном выражении. Уже к 2030 году планируется снизить уровень шума в районе аэропорта до показателя, сопоставимого с обычным городским. Существенно сократятся и вредные выбросы.
Ужесточение экологических требований и достижение определенного потолка имевшихся ранее технологий требуют перехода к интеграции как аэродинамических компоновок с силовыми установками, так и всех систем летательных аппаратов. Можно сказать, что это основной тренд настоящего и будущего.
Традиционный задел для решения этих задач близок к исчерпанию. Следовательно, приходится переходить на интегральные решения. Интеграция – один из основных трендов, который в ближайшем будущем обеспечит развитие авиаотрасли. Имеется в виду техническая интеграция всех систем.
Достаточно давно разрабатывается конструкция дальнемагистрального самолета «летающее крыло», где пассажиры и грузы размещаются в центроплане. Эта схема обладает высокими аэродинамическими и топливоэффективными характеристиками. Она также позволит существенно снизить воздействие шумов.
Для ближнемагистральных и региональных самолетов основной концепцией является использование двигателей со сверхбольшой двухконтурностью с компоновкой над крылом и в хвостовой части воздушного судна, ламинарных крыльев малой стреловидности и коротких стоек шасси для повышения весовой эффективности.
Много говорится о возрождении местной и региональной авиации. Для нашей страны, которая обладает громадной территорией, климатическими особенностями, неравномерной плотностью расселения жителей, эта тема очень актуальна и болезненна.
В чем проблема? Она в значительном разрыве между экономически обоснованными тарифами на авиаперевозки и платежеспособным спросом. Даже с учетом госдотаций этот разрыв достаточно велик. От спроса зависит качество любого бизнеса, особенно высокоинфраструктурного, каковым является авиационный сегмент. Вспомним начало 2000–х. Резкое падение спроса на авиауслуги – следствие обнищания россиян – привело к тому, что перевозки «посыпались». Соответственно произошла деградация аэродромной сети, которая продолжается до сих пор. Проблема усугубляется и отсутствием запасных аэродромов, обеспечивающих безопасность в процессе развития маршрутных сетей. Словом, нет перевозок – нет аэродромов.
Другим следствием является увеличение средней дальности полетов. Если во времена Советского Союза средняя дальность местных перевозок составляла около 300 км, то сегодня этот показатель колеб-
лется в пределах 700 км.
Следовательно, необходимо решать две задачи: экономической эффективности и физической доступности перевозок.
Несколько слов об экономике. Стоимость летного часа на местных воздушных линиях значительно выше, чем на магистральных маршрутах. Здесь все понятно. Короткие расстояния, частые взлеты/посадки, незначительная пассажироемкость бортов и т. д. увеличивают затраты. Значительные средства отводятся на аэропортовые сборы, большая часть которых расходуется на амортизацию и содержание взлетно–посадочных полос (ВПП) – самого дорогостоящего элемента аэропортовой инфраструктуры.
Создание самолетов короткого взлета и посадки, для которых потребуются укороченные и, следовательно, недорогие ВПП, заметно смягчило бы две названные выше проблемы. Поскольку стоимость аэродрома в конце концов перекладывается на перевозочные тарифы, была бы улучшена экономическая и физическая доступность перевозок.
В ЦАГИ накоплен значительный научный задел по созданию самолетов короткого взлета и посадки в области аэродинамики самолета, воздушных винтов, системы управления, прочности. Частично он был использован при создании военно–транспортного самолета Ан–70, судьба которого, к сожалению, сложилась неудачно по политическим причинам.
Стоит обратить внимание на то, что тяжелая транспортная машина с нагрузкой 20 т может эксплуатироваться с грунтовых полос длиной 600 м!
Однако современные нормы летной годности запрещают использовать обдувку крыла винтами при расчете взлетно–посадочных характеристик из соображений безопасности. Отказ двигателя приводит не только к уменьшению тяги, но и к уменьшению подъемной силы, что может привести к сваливанию воздушного судна. Применение множества двигателей, установленных на крыле, то есть распределенной силовой установки, может решить проблему безопасности, так как отказ одного мало сказывается на характеристиках в целом.
ЦАГИ разработана концепция легкого регионального самолета короткого взлета и посадки для эксплуатации с небольших местных аэродромов и посадочных площадок. Используется эффект обдувки крыла. Особенностью предложенного технического решения являются убираемые в крейсерском полете воздушные винты распределенной электрической силовой установки, что позволяет уменьшить лобовое сопротивление и расход топлива, обеспечить повышенную крейсерскую скорость полета в сочетании с короткими взлетом и посадкой.
Кроме того, предполагается использовать электрический привод колес шасси и «активные» амортизационные стойки шасси для облегчения движения самолета по грунтовым аэродромам и посадочным площадкам.
Если смотреть шире, то применение электрической тяги имеет большие перспективы, поскольку использование, например, турбовинтовых двигателей слишком дорого.
Электрическая революция
К счастью, сейчас появились современные бесколлекторные электрические двигатели, которые обладают целым рядом преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а именно: высоким КПД, простотой и надежностью, малыми габаритами, низким уровнем шума и вибраций, экологичностью. По удельным весовым и ценовым параметрам электрические двигатели не уступают, а порой превосходят традиционные двигатели внутреннего сгорания.
В настоящее время за рубежом происходит революция в области создания летательных аппаратов с электрическими двигателями. Ряд «электрических» летательных аппаратов вышли на уровень коммерческих продаж. Только китайские фирмы поставляют на рынок два типа легких двухместных самолетов, способных совершать 40–минутный полет со скоростью 150 км/ч, что вполне достаточно для учебных целей.
В Германии разработан электрический вертолет с распределенной силовой установкой зонтичного типа. В данном вертолете отсутствуют редукторы, автоматы перекоса, циклическое изменение шага винта. Управление осуществляется за счет изменения оборотов электродвигателей. Такое управление делает пилотирование очень простым и безопасным. Предполагается производство пилотируемых и беспилотных версий. Последняя – для сельхозприменения.
Сдерживающим фактором развития электрических летательных аппаратов являются источники питания. Их развитие происходит по трем направлениям. Первое – увеличение емкости электрических батарей. В дополнении к LiPo разрабатываются графеновые и другие типы.
Следующий вариант решения проблемы – создание гибридных силовых установок, генераторы которых, установленные на ДВС, подзаряжают аккумуляторные батареи и обеспечивают увеличение дальности полета.
Третье направление – это активная разработка электрохимических генераторов (топливных элементов), в том числе на основе «твердого» водорода. Например, одна из технологий использует гранулы гидрида NH3BH3 для хранения водорода. Водород выделяется при нагреве гранул до температуры 85°С. Гранула массой 1 г выделяет 1 литр газообразного водорода. Далее водород используется для создания электроэнергии за счет химической реакции.
Для тех, у кого время – деньги
Имеются наработки и в сегменте деловой авиации. Известно, что деловая авиация экономит время персон, имеющих высокую стоимость времени. С этой точки зрения на коротких маршрутах выгодно использование воздушных судов, не требующих аэродромов, а на длинных – высокоскоростных самолетов.
Учет стоимости рабочего времени, эффективности его использования в полете и особенностей налогового законодательства позволяет выразить все затраты в стоимостном виде и минимизировать их.
Переход деловой авиации на сверхзвуковые скорости полета видится следующим логическим шагом ее развития. Но здесь имеются свои проблемы.
Как известно, полет самолета на сверхзвуковой скорости сопровождается явлением звукового удара, который зависит от веса летательного аппарата, его длины и формы, высоты и скорости полета. Ударная волна достигает земли и доставляет большие неудобства жителям. Население с этим мириться не желает, поэтому в ряде стран полеты на сверхзвуке просто запрещены. В то же время многое упирается в отсутствие соответствующих норм. Поскольку более 50% рынка держат США, то все ждут, когда там установят законодательно уровень эксплуатации сверхзвуковых гражданских воздушных судов.
В ЦАГИ разработаны несколько проектов малошумных сверхзвуковых административных и пассажирских самолетов, обеспечивающих возможность полета над сушей на сверхзвуке без ограничений.
В то же время дополнительные значительные трудности создают постоянно ужесточающиеся нормы по шуму в аэропортах. Необходимо решить сложную задачу полета на сверхзвуковой скорости, а следовательно, высокой скорости струи двигателя с низким шумом на взлете.
Данную задачу предполагается решать за счет использования перспективных трехконтурных двигателей и эжекторных сопел.
Хотя предлагаемые технологии и дорогие, сокращение времени дальних перелетов (с учетом их стоимости) может оправдать использование сверхзвуковых служебных самолетов.
Есть свои преимущества и у винтокрылых летательных аппаратов (ВКЛА). Это не только незаменимые помощники в выполнении авиационных работ, но и средства обеспечения служебных перевозок на малые расстояния. Основные направления развития вертолетной техники определяются потребителем. Востребована будет техника со скоростью полетов до 400–500 км/ч и дальностью в пределах 1000–1400 км. В этом сегменте предстоит работа по снижению уровня шума, улучшению комфортности (снижение шума и вибрации в кабине), увеличению срока эксплуатации, снижению эксплуатационных затрат и повышению устойчивости, управляемости и маневренности.
В ближайшей перспективе прогнозируется создание скоростных вертолетов и конвертопланов. В более отдаленной – предполагаются и экзотические летательные аппараты. Например, преобразуемый ВКЛА с останавливаемым несущим винтом. При взлете/посадке такой винт работает в режиме ротора, далее, в крейсерском полете, функционирует как крыло самолета. Данная концепция обладает высоким качеством несущей системы, обеспечивающей экономичность и высокую крейсерскую скорость.
Для беспилотников все работы хороши
Известно, что выполнение ряда авиационных работ связано со значительными рисками для экипажей. К таким операциям относятся прежде всего сельскохозяйственные, противопожарные и поисково–спасательные. Имеющийся научно–технический задел позволяет уже сегодня создавать высокоэффективные сельскохозяйственные, противопожарные и поисково–спасательные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) всех видов и типов.
Эксплуатация грузовых транспортных летательных аппаратов над малозаселенными и слабоосвоенными местностями, не имеющими достаточного аварийно–спасательного обеспечения, сопряжена с дополнительным риском для жизни экипажей воздушных судов в случае нештатных ситуаций. Здесь грузовые транспортные операции целесо-
образно выполнять с помощью беспилотников, которые к тому же обладают заведомо лучшими, чем пилотируемые воздушные суда, весовой отдачей и технико–экономическими характеристиками.
Использование дронов в ряде случаев может быть экономически эффективнее применения других транспортных средств. Например, доставка небольших грузов в посылках, доставка пиццы, товаров интернет–торговли уже осуществляется с помощью небольших БПЛА. На очереди крановые работы.
БПЛА уже доказали свою эффективность в качестве патрульных аппаратов.
Некоторые зарубежные компании уже приступили к созданию беспилотных пассажирских мультикоптеров–аэротакси для индивидуального использования в автоматическом режиме.
Важнейшей задачей является нахождение разумного сочетания экономических характеристик, технических норм и процедур обеспечения безопасности, в том числе антитеррористической, которое сделало бы использование дронов возможным и эффективным.
Будущее – за «зеленым аэродромом»
Переход на электрические двигатели потребует реконструкции аэродромной инфраструктуры. Электрификация гражданских судов вызовет потребность изменений в аэродромной инфраструктуре. Будут необходимы системы подзарядки батарей воздушных судав и т. п. В ЦАГИ разработаны высокоэффективные ветро-
энергетические комплексы гарантированного питания, включающие в себя ветромодули, панели солнечных элементов и дизель–генератор. Такая установка вполне в состоянии обеспечить электропитанием небольшой аэродром.
Разработки по использованию альтернативных топлив для региональной авиации ведутся у нас в стране давно. Газ, образующийся при добыче нефти, не найдя своего применения, сжигается, оказывая негативное влияние на экологию. Одним из направлений применения попутного нефтяного газа является его использование в качестве топлива, в том числе авиационного.
Более 20 лет назад институты авиационной и нефтегазовой промышленности: ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА и НИПИгазпереработка – предложили для авиационной техники авиационное сконденсированное пропан–бутановое топливо АСКТ (ТУ 39–1547–91), которое по некоторым показателям превосходит авиакеросин. Оно дешевле, экологически чище и менее агрессивно по отношению к конструкционным материалам.
Летательные аппараты на газовом топливе сохраняют возможность работы и на традиционном авиакеросине, то есть являются двухтопливными.
Анализ показывает, что целесообразно организовать производство АСКТ в местах добычи нефти – на основе попутного нефтяного газа, как можно ближе к региональным аэродромам, и использовать его для местной авиации. Это позволит существенно снизить стоимость АСКТ и сократить прямые эксплуатационные расходы авиакомпаний.
В случае размещения оборудования для производства газового топлива в местах его добычи и близости к аэродромной инфраструктуре затраты на сертификацию и модернизацию авиационной техники, создание производства АСКТ и аэродромных газотопливозаправочных комплексов могут окупиться примерно через год после начала эксплуатации.
Инновации способны кардинально изменить ситуацию с авиационными перевозками в нашей стране. Однако для их внедрения необходимо опережающее и достаточное финансирование. Цикл создания самолета – 5–10 лет. К этому времени научно–технический задел должен быть создан. То есть финансирование на разработки должно быть выделено за 10–20 лет до начала конкретного проекта.
Решение текущих задач за счет сокращения финансирования науки недопустимо, это запрограммированное отставание. Для повышения эффективности и конкурентоспособности авиационной техники на этапе НИР необходимы избыточность и конкуренция различных концепций. А на этапе создания авиационной техники необходимы концентрация ресурсов и унификация двигателей, оборудования, агрегатов – особенно в условиях ограниченного внутреннего рынка.
Подготовил
Шамиль БАЙБЕКОВ,
обозреватель «ТР»
