Когда сверхзвуковая пассажирская авиация станет реальностью? Почему, при наличии современных технологий и материалов, ни в одной стране мира таких самолетов еще нет? Каким будет современный сверхзвуковой самолет? Об этом и не только поговорили с Михаилом Тягликом, доцентом кафедры 106 «Аэродинамика, динамика и управление летательных аппаратов» МАИ.
Михаил принимал участие более чем в 50 проектах в интересах авиационно-космической промышленности, является руководителем летной практики в МАИ, старшим научным сотрудником лаборатории «Пилотажные стенды и система «самолет-летчик». Пять лет посвятил работе над проектом отечественного сверхзвукового пассажирского самолета в составе лаборатории «Искусственный интеллект и безопасность полета» НЦМУ «Сверхзвук».
— Михаил, чем современный сверхзвуковой самолет будет отличаться от тех, которые мы знаем в истории пассажирской авиации?
В нашей истории было два таких самолета — это Ту-144 и Concorde. Это были большие лайнеры, рассчитанные на массового пассажира. Сверхзвуковую скорость они развивали только в тех местах, где не мешали бы звуковым ударом жилым массивам. Ту-144 на сверхзвуковой скорости летал в казахских степях, Concorde — над океаном.
В последнее время в самолетостроении особое внимание уделяется не тому, чтобы летать быстрее, выше, сильнее (такой лозунг был раньше), а рассматривается еще и влияние на экологию. Имеются в виду не только выбросы, но и шумовое загрязнение. Современные самолеты, которые создаются сегодня для выполнения полетов на сверхзвуковых скоростях, будут относительно небольшими бизнес-джетами, ориентированными на бизнес-сообщество, тех пассажиров, для которых время имеет большое значение, которым из точки А в точку Б необходимо переместиться в кратчайшие сроки.
— Новые материалы, ИИ, а какие еще технологии должны быть внедрены, чтобы самолеты были безопасными, комфортными и не очень громкими?
Сверхзвуковые самолеты в силу своей конструкции имели некоторые особенности в динамике полета. Этапы взлета и посадки были довольно сложными для летчика: приходилось совершать много действий, самолеты были неустойчивыми по скорости, поэтому на них применялся автомат тяги. Например, на Ту-144 было выполнено несколько посадок без автомата тяги, и летчики признавались, что это напоминало цирковой номер.
Сегодня к самолетам предъявляются особые требования с точки зрения устойчивости, управляемости, динамики. Потому создаются современные системы управления, которые берут на себя ряд функций. Например, когда самолет выполняет вираж, у него развивается скольжение, он начинает терять высоту. Асовременная система управления функционирует так, что летчику думать об этом не нужно. Он отклонил ручку вправо, самолет накренится до такого угла, который будет ограничен определенным значением, – не больше, чем предписано. Система обеспечит выполнение разворота без потеривысоты и будет поддерживать заданную скорость полета. И современные самолеты, в том числе и сверхзвуковые, несмотря на то что у них очень широкий диапазон скоростей, на которых они ведут себя по-разному, будут оснащены такими системами, обеспечивающими хорошие динамические свойства во всем диапазоне скоростей. С другой стороны, системы имеют свойство отказывать, потому предусматриваются алгоритмы, которые бы адаптировались к отказам и даже в условиях отказа обеспечивали бы приемлемую динамику управления. Над этим сейчас много работают.
Комфорт пассажиров — это не только обитые кожей сиденья или красивый интерьер, но еще и продуманность самолета с точки зрения перегрузок и вибрационных нагрузок. Этому тоже уделяется особое внимание. Система управления обеспечивает такое нарастание перегрузок и парирование ветровых возмущений, чтобы это ощущалось комфортно для человека. Совместно с медиками прорабатываются эти моменты: шум, вибрации, ощущения на взлете-посадке.
— В каких самолетах данные системы управления внедряются?
SJ-100, перспективный МС-21 оборудованы современными системами управления. Просто в сверхзвуковых самолетах будет сделан еще один шаг, поскольку они летают в более широком диапазоне скоростей. Кроме того, у них есть особенности на взлетно-посадочных режимах: система управления дополнительно компенсирует недостатки, которые присущи сверхзвуковым самолетам.
— Какова роль ИИ в современных самолетах, в т. ч. сверхзвуковых?
Часто слышу вопросы относительно нейросетей, которые можно использовать в системе управления, чтобы заместить летчика. Но у нейросетей есть один большой недостаток: они дают примерное решение задачи, то есть каждый раз мы получаем решение, близкое к оптимальному. И дать гарантию, что в тот или иной момент нейросеть выберет верное решение, невозможно. Поэтому такие системы сертификации пока не подлежат. ИИ будет использоваться во вспомогательных системах: например, диагностика неисправности самолета, поддержка экипажа, информационные указатели и т.п. Но работать в контуре управления нейросети не готовы с точки зрения гарантированного обеспечения заданного уровня безопасности.
— А как будет решаться вопрос с шумом?
Тут целый комплекс мероприятий.
Во-первых, бизнес-джеты будут гораздо компактнее, чем тот же Ту-144, потому и шума будут создавать меньше.
Во-вторых, они будут летать на высотах больших, чем летают современные дозвуковые самолеты. Это высота порядка 15-18 км. И, к слову, в сверхзвуковой пассажирской авиации есть еще одна большая задача — вписать такие самолеты в современную систему управления воздушным движением.
В-третьих, использование конструкции планера. Когда самолет летит на сверхзвуковой скорости, он сжимает воздух перед собой. Этот сжатый воздух расходится волнами в разные стороны. Так производится ударная волна. Специальная форма фюзеляжа обеспечивает уход ударной волны вверх. Кроме того, двигатели сверхзвуковых самолетов создают гораздо больше шума, чем дозвуковых, это связано с низкой степенью двухконтурности двигателя. Если большая степень двухконтурности на дозвуковых скоростях позволяет хорошо экономить топливо, бороться с шумом, то в сверхзвуковых самолетах это неэффективно. Поэтому двигатели размещают над фюзеляжем, чтобы на местности они создавали меньше шума. Такая компоновка приводит к ряду особенностей с точки зрения устойчивости и управляемости и требует создания новых алгоритмов системы управления, чтобы обеспечить хорошую динамику на всех этапах и режимах полета.
— Какие технологии внедрены в современных сверхзвуковых проектах?
Сейчас в США летает демонстратор сверхзвукового самолета XB-1 компании Boom. Это первый самолет, созданный частной компанией, который преодолевает скорость звука. Раньше это делали большие государственные корпорации. И в нем применены все те технологии, которые мы обсуждали ранее: отражение звукового удара наверх, двигатель установлен сверху, есть камеры и оптические датчики, которые транслируют изображение на экран, чтобы летчик мог видеть взлетно-посадочную полосу при посадке на больших углах атаки. В Concorde и Ту-144 на этапах взлета и посадки носовая часть для этого опускалась. Современные технологии, которые делают возможным трансляцию изображения с видеокамер, позволяют отказаться от таких механизмов, что облегчаетконструкцию.
— Какие системы безопасности должны быть внедрены в сверхзвуковых самолетах?
К этим самолетам предъявляются все те требования, что и к дозвуковым. Вероятность возникновения отказа — десять в минус девятой. Это очень низкая вероятность. Надо помнить, что отказ одной системы не приводит к катастрофе. Даже отказ двигателя самолета не приводит к тому, что он сразу упадет. Все катастрофы происходят в силу стечения ряда обстоятельств: отказал двигатель, начал отказывать второй, плохие метеоусловия, неопытный пилот…
Все самолеты сейчас не однодвигательные, а многодвигательные именно для того, чтобы обеспечить безопасность. Есть различные системы на борту, которые докладывают летчику об отказе той или иной системы, постоянно поддерживает связь диспетчер — все это для безопасности, и сверхзвуковые самолеты будут абсолютно такими же.
— Какие основные сложности в создании сверхзвуковых летательных аппаратов?
Первое: обеспечить необходимый спрос на эти летательные аппараты.
Второе: разработать технологии производства. И, к слову, фундаментальный задел в рамках НЦМУ «Сверхзвук» в России сделан огромный, он касается практически всех вопросов создания сверхзвукового самолета.
Далее — вопросы налаживания производства, кооперации предприятий, обеспечение серийного выпуска, жизненного цикла этого летательного аппарата, проведение испытаний и внедрение.
На все это требуется время и все эти этапы необходимо пройти.
Есть такой документ, как форсайт развития авиационной отрасли. Он формулировался до 2030 года, и там был прописан сверхзвуковой пассажирский самолет. В рамках этой программы велись работы и Министерством промышленности и торговли, и Министерством образования и науки. Уверен, этот задел будет использован.
— Когда сверхзвуковой самолет станет реальностью и выполнит первый коммерческий рейс?
Китай и США заявляют 2030 год, но надо понимать, что если такой самолет и будет сделан, даже если это будет готовый серийный экземпляр, необходимо провести испытания, сертификацию и т. д. И только после этого его разрешат покупать и эксплуатировать. Это точно еще плюс пять лет.
Кроме того, нужно решить вопрос с топливом, ведь топливо для сверхзвукового самолета будет отличаться от обычного. И здесь добавляются налаживание выпуска этого топлива, организация доставки.
— И все же почему в мире до сих пор нет такого самолета?
Рынок не видел спроса. Но даже если после 2030 года спрос на эти самолеты не появится, задел с точки зрения технологий сделан огромный. Кроме того, эти технологии могут быть применены в разных сферах. Все прекрасно знают, что авиация всегда была передовой отраслью. Например, современный автомобиль имеет проекцию на лобовом стекле, систему АВS – изначально это авиационные технологии.
Поэтому уверен, что те технологии, которые разрабатываются сегодня для сверхзвуковой авиации, точнобудут востребованы и при создании перспективных дозвуковых самолетов. В любом случае все не зря.
— Как вы относитесь к идее пассажирских суборбитальных самолетов?
Мне кажется, что в будущем это возможно. Космический туризм стал реальностью. Может быть, станут ею и пассажирские перелеты на скорости 10 тыс. км/ч.
— А как насчет перегрузок?
Как таковую скорость человек не чувствует, он чувствует ускорение. Скорость 300 км/ч или 3 тыс. км/ч — в ощущениях разницы нет. Разве что будет становиться тише, поскольку звук от двигателейостанется позади.
— Существующая инфраструктура подходит для сверхзвука?
Новых аэродромов строить не будут точно, несмотря на то, что скорость выше при взлете и посадке. Но поскольку самолеты небольшие, то длин взлетно-посадочных полос современных аэропортов будет достаточно.