Инжиниринг

Новые технологии в авиастроении - основа прогресса в авиации

Поставленная перед отечественным авиастроением цель в кратчайшие сроки войти в число крупнейших мировых производителей авиационной техники предполагает решение ряда принципиальных задач.
15 мая 2009

В числе наиболее важных задач, определяющих успех в создании современной конкурентоспособной авиационной техники, следует назвать:

  • консолидацию и укрупнение бизнеса в авиастроении,
  • интеграцию с академической и прикладной наукой и другими отраслями промышленности для решения сложных технических задач,
  • активную разработку и ускоренное внедрение новых технологий,
  • широкое международное сотрудничество.

Перечисленные задачи отражают современные мировые тенденции в авиастроении и в полной мере справедливы для российской авиационной индустрии. В настоящее время руководством страны инициирован активный процесс возрождения авиационной отрасли и практического решения указанных выше задач. В частности, создание ОАК положило начало процессу консолидации бизнеса в авиастроении, концентрации ресурсов на решении приоритетных задач, обеспечения четкой координации работ и формирования единой научно-технической политики в этом важном секторе экономики страны. Одним из ключевых элементов этого интеграционного процесса является создание и ускоренное внедрение новых технологий на всех этапах создания авиационной техники: научных исследований и формирования научно-технического задела, ОКР и производства, послепродажного обслуживания и эксплуатации авиационной техники.

Другая важная мировая тенденция - интеграция с академической и прикладной наукой и другими отраслями промышленности - призвана обеспечить ускоренное и эффективное формирование и внедрение опережающего научно-технического задела с целью создания авиационной техники, конкурентоспособной на мировом уровне, обеспечивающего снижения технического риска и сроков разработки самолетов, реализацию методологии проектирования под заданную стоимость. Практическое воплощение этого направления базируется на создании в структуре ОАК научно-технического центра, обеспечивающего тесную функциональную связь работ, проводимых в научных центрах страны (академические, отраслевые, университетские научные центры) и практических работ, проводимых в ОКБ и производственных предприятиях корпорации. По существу, речь идет о создании в Российской авиационной отрасли корпоративного сектора науки.

В настоящее время в ОАК проведен анализ тенденций и перспектив развития военной и гражданской авиации, определен перспективный модельный ряд самолетов и сформированы в перечень предложения перспективных технологий, определяющих успех в создании конкурентоспособных самолетов нового поколения. Проведение такого анализа и выбор приоритетов основывались на оценке вклада той или иной технологии в повышение эффективности самолета.

В числе рассматриваемых технологий следует назвать технологии проектирования и производства композитных конструкций, нанотехнологии, технологии активной аэроупругости и адаптивных конструкций, технологии электрификации самолета, технологии глубокого мониторинга состояния и поведения конструкции в эксплуатации на основании использования математических моделей поведения конструкции и встроенных датчиков состояния конструкции в соответствующих критических зонах, технологии управления обтеканием элементов самолета и соответственно возникающими нагрузками, сквозные технологии проектирования и разработки бортового оборудования в рамках открытой архитектуры, технологии двигателестроения, технологии создания новых конструкционных материалов под заданный сбалансированный уровень свойств, реализующийся в конструктивно-силовой и теплосиловой схеме перспективных летательных аппаратов, новые производственные технологии и другие.

Как следует из представленного выше перечня, одним из ключевых направлений в создании самолетов нового поколения является развитие технологий проектирования, производства и эксплуатации композитных конструкций самолетов и реализация на них ряда новых качеств. Решение этой проблемы требует кардинального изменения подхода к проектированию таких конструкций на основе комплексного анализа условий их работы, особенностей нагружения, технологий изготовления таких конструкций и оптимизации конструктивно-силовой схемы, разработке и внедрению технологий применения прочностных критериев, основанных на нелинейных эффектах, в том числе в закритических зонах, что особенно важно для композиционных материалов.

Уже сегодня требуется пересмотр методов определения соответствия перспективным требованиям, записанным в АП-25, FAR и т.д. и учет в них особенностей, связанных с широким использованием композитных конструкций.

Для композитных конструкций (в сравнении с традиционными) процесс проектирования становится сложнее, требуется решение оптимизационных задач в пространстве все большей размерности: характеристик композиционных материалов, конструктивно-силовых схем конструкции, способов укладки и реализации требований к адаптивным конструкциям, технологическим процессам и пр. В итоге, рассматриваемая задача представляет собой пример многодисциплинарного проектирования с привлечением целого ряда областей знаний: аэродинамики, аэроупругости, материаловедения, химии, прочности, конструктивных решений, динамики и систем управления самолетом, молниезащиты и защиты от обледенения и пр.

В частности, исследования показали, что высокие прочностные свойства композитов позволяют реализовать при одинаковых весовых затратах большие удлинения крыла (при условии решения ряда проблем) и в итоге обеспечить более высокий уровень аэродинамических характеристик самолета, не достижимых на самолете с металлическим крылом. Кроме того, возможность управления жесткостью композитного крыла и его деформациями при действии возникающих в полете аэродинамических нагрузок позволяет также решать задачу оптимальной адаптации геометрии крыла к режимам полета, добиваясь максимальной эффективности самолета на всей совокупности режимов полета.

На рис. 1 показаны результаты расчетных исследований, проведенных в институтах и ОКБ отрасли по выбору рациональных параметров крыла для одного из вариантов перспективного самолета.

Анализ представленных данных показывает, что переход на более легкое композитное крыло в сочетании с использованием композитных материалов в других элементах планера и уменьшением массы оборудования позволяет перейти на удлинение крыла= 1111,5 и уменьшить расход топлива на 55,5 %. Это, в свою очередь, оказывает положительное влияние на ряд других важных показателей, таких как себестоимость перевозок, уровень вредных выбросов в атмосферу и пр.

Выполненный специалистами ЦАГИ прогноз дополнительного уменьшения аэродинамического сопротивления перспективных компоновок пассажирских самолетов показывает возможность дополнительного уменьшения расхода топлива еще на 1,52%, в основном за счет уменьшения волнового сопротивления. При этом оптимальное по расходу топлива удлинение крыла увеличивается до=12,012,5. Уменьшение сопротивления самолета, связанное с увеличением удлинения крыла, приводит к увеличению коэффициента подъемной силы, соответствующего максимальному аэродинамическому качеству.

При этом следует иметь в виду, что при указанном и большем значении удлинения крыла возникает ряд ограничений на реализацию оптимальных значений крейсерского коэффициента подъемной силы Су по условиям начала бафтинга. Один из возможных путей решения этой задачи связан с некоторым уменьшением высоты крейсерского полета, что уменьшает реализуемое значение Су. Это позволит без заметных потерь в эффективности обеспечить выполнение условий безопасности полета.

Таким образом, проявленный комплексный характер задачи при проектировании цельнокомпозитного крыла предполагает одновременную оптимизацию аэродинамической компоновки крыла для высоких крейсерских значений коэффициента подъемной силы Су>0,6 и Cудоп, разработку идеологии проектирования конструктивно-силовой схемы и конструктивно-технологических решений крыла, разработку новых органов поперечного управления самолета, использование технологии активной аэроупругости для снижения нагрузок, увеличения ресурса конструкции, повышения эффективности органов управления.

Анализ также показал, что такой комплексный подход является правилом при создании различных элементов цельнокомпозитных конструкций (консолей крыльев, лопастей винтов, отсеков фюзеляжа, элементов механизации, силовых элементов конструкций и т.д.)

В настоящее время уже накоплен определенный опыт в решении отдельных задач. В частности, при решении сложнейшей инженерной задачи создания композитного крыла для самолета Су-47 был реализован комплексный многодисциплинарный подход, соединивший в единое целое аэродинамику, прочность, аэроупругость, систему управления. Это позволило не только существенно улучшить массовые характеристики крыла, но и одновременно успешно решить проблему борьбы с дивергенцией.

Также, композитные технологии находят широкое применение при создании таких геометрически сложных аэродинамических поверхностей как лопасть винто-вентилятора двигателя Д-27. В этом случае решалась сложная многодисциплинарная задача формирования конструкции и создания технологии производства такой лопасти с учетом особенностей ее аэродинамического нагружения и работы в поле центробежных сил при действии различного рода ограничений (рис. 2).

Определенный практический опыт накоплен при проектировании и изготовлении композитных конструкций большого размера - цельнокомпозитного отсека фюзеляжа самолета Ил-114. В частности, особенностями создания такого отсека являются вопросы обеспечения локальной прочности отсека в местах вырезов, усиления и обеспечения совместной работы в соединении композит-металл и целый ряд других вопросов.

Работы по созданию композитных конструкций требуют разработки целого ряда новых инновационных венчурных технологий и предполагают проведение значительного объема теоретических и экспериментальных исследований.

Одним из таких направлений исследований является определение путей обеспечения существенно более высоких ресурсных характеристик самолетов. Современные и перспективные требования по ресурсу самолета, его крылу и оперению весьма высоки. Если для самолетов предыдущего поколения характерное значение ресурса составляет 20-30 тыс. полетов, то для современных и перспективных самолетов эти цифры существенно выше - 60 и более тыс. полетов.

Ресурс самым непосредственным образом влияет на весовое совершенство конструкции, безопасность и экономичность эксплуатации и конкурентоспособность самолета и определяется, с одной стороны, усталостными характеристиками материалов, полуфабрикатов и примененными конструктивными решениями, а с другой - спектром переменных нагрузок, действующих на конструкцию в реальных условиях эксплуатации. Развитие авиастроения идет как по пути снижения веса конструкции планера и производственных и эксплуатационных расходов за счет отработки и внедрения новых материалов и технологий, обеспечивающих повышение усталостных характеристик, так и применения технических решений, позволяющих снизить уровень переменной нагруженности.

Одним из таких перспективных путей повышения ресурсных характеристик самолета является использование активных систем управления, что позволит оптимизировать переменную нагруженность и выявить резервы такой "оптимизации". Причем рассматривается задача выявления этих резервов, в частности, основываясь на фактических сегодняшних условиях эксплуатации самолетов. Наибольшее внимание среди всех агрегатов планера уделяется крылу, поскольку, как правило, именно ресурс крыла определяет ресурс самолета.

Принцип активного управления нагрузками заключается в специальном воздействии на нагруженность самолета и его аэроупругие характеристики в полете с помощью штатных или специальных поверхностей управления, отклоняемых по заданным законам и сигналам соответствующих датчиков, расположенных в конкретных местах конструкции планера (рис. 3). Исследования в этом направлении, выполненные в России и за рубежом за последние 20 лет, показали, что использование активных систем управления является одним из средств снижения массы конструкции самолета, обеспечения требуемых ресурсных характеристик и, следовательно, его летно-технических характеристик.

В настоящее время в этом направлении создан необходимый научно-технический задел, включающий расчетные модели, методологию экспериментальных исследований на специальных физических моделях, летном эксперименте и практической эксплуатации.

В частности, в отраслевых научных центрах разработаны комплексы программ для расчетных исследований, а также методики проведения экспериментальных исследований на динамически подобных моделях в аэродинамических трубах, наземных и летных испытаний по анализу и синтезу активных систем и оценке их эффективности.

Результаты исследований показывают реальную возможность улучшения ЛТХ перспективных самолетов за счет внедрения систем активного управления:

  • системы снижения экстремальных нагрузок при маневрах и воздействии дискретных порывов ветра большой интенсивности, позволяющих при использовании "обычных" концевых элеронов снизить изгибающие моменты в корневых и средних сечениях крыла на 10%-20%;
  • системы снижения нагрузок от воздействия непрерывной турбулентности, позволяющие в несколько раз снизить усталостную повреждаемость от этого воздействия;
  • системы подавления изгибно-крутильного флаттера крыла, флаттера управляемого стабилизатора и других видов флаттера, позволяющих повысить критическую скорость флаттера без существенных конструктивных доработок на 25-30%;
  • системы повышения комфорта экипажа и пассажиров, позволяющие снизить местные перегрузки при воздействии турбулентной атмосферы на 40-50%;
  • системы снижения нагрузок от воздействия неровностей аэродромного покрытия на взлетно-посадочных режимах эксплуатации.

Используемые на самолете Ил-96-300 активные системы снижения нагрузок от воздействия непрерывной турбулентности (статической прочности) снижают среднеквадратичное значение изгибающего момента на 20%, а повторяемость нагружения от воздействия турбулентности (усталостная прочность) уменьшают в 3 раза.

Кроме того, системы активного управления в маневренных случаях нагружения (статическая прочность) позволяют на самолете Ил-96-300 уменьшить изгибающий момент в корневых сечениях крыла примерно на 10%, а от воздействия дискретных порывов ветра уменьшают динамические запросы изгибающих моментов примерно в 1,5 раза.

Активные системы управления позволят существенно улучшить комфортные характеристики пассажирских самолетов и снизить усталостную повреждаемость фюзеляжа на 10%, а местные нагрузки - на 40 -50%.

В итоге внедрение систем активного управления может позволить уменьшить вес конструкции крыла на 7-10% и увеличить ресурсы конструкции на 30-50%.

Еще одним из перспективных направлений повышения эффективности самолетов нового поколения является использование достижений нанотехнологий. Предварительный анализ определил перспективные области применения нанотехнологий, что позволило сформировать предложения в соответствующую программу работ. На рис. 4 показаны возможные области, в которых уже в настоящее время проводятся теоретические и экспериментальные исследования.

Рассмотрим некоторые из представленных направлений.

Так, в настоящее время исследуется возможность использования нанотехнологий для борьбы с обледенением самолетов. Как известно, это наиболее опасное явление, затрудняющее и усложняющее эксплуатацию летательных аппаратов, как в наземных условиях, так и в полете, часто приводящее к трагическим последствиям. При переходе на композитные конструкции сложность этой проблемы значительно возрастает и требуется проведение широких исследований по поиску наиболее рациональных форм ее решения. В научно-техническом центре ОАК с участием головных институтов отрасли и институтов РАН проведен ряд совещаний, на которых обсуждены отмеченные проблемы и намечены пути решения поставленной задачи, а также подготовлены предложения по их этапной реализации.

Другим важным направлением в развитии нанотехнологий в интересах авиации является разработка и использование нанодатчиков и наноактиваторов для решения задачи глобального мониторинга обтекания самолета и оценки его напряженно-деформированного состояния. Реализация этого направления может позволить существенно повысить безопасность полета и увеличить эффективность применения самолета.

Многие эксперты оценивают внедрение достижений нанотехнологий в авиации как революционный шаг, способный существенно изменить облик самолета и его показатели. В научно-техническом центре ОАК проходят ежемесячные совещания с участием представителей госкорпорации Роснано, КБ, институтов отрасли и научных организаций РАН с обсуждением наиболее важных проблем нанотехнологий и путей их решения в интересах развития авиации.

Необходимо отметить, что в перечисленных выше новых технологиях в авиастроении присутствует один общий элемент - это высокий уровень наукоемкости технологии и необходимость "тонкой", филигранной настройки технических решений. Как показывает мировой опыт, наиболее эффективное развитие таких направлений технологий реализуется в специальных центрах (центрах компетенций). В этих центрах концентрируются ведущие специалисты и формируются базы знаний по соответствующим направлениям. В условиях значительного роста стоимости оборудования и экспериментальных исследований такие исследовательские работы часто выполняются при объединении усилий ряда стран. Представляется, что такого рода центры необходимо создавать в авиационной отрасли по наиболее важным прорывным технологиям. Это позволит сформировать высокопрофессиональную кадровую основу, создать необходимую экспериментально-стендовую и сертифицированную базу знаний, отработать технологии до стадии внедрения в практическую деятельность ОКБ и заводов. В ОАО "ОАК" уже создано специализированное предприятие "Аэрокомпозит", нацеленное на динамичное и предметное развитие композитных технологий в интересах создания перспективных самолетов. В настоящее время готовятся предложения по созданию центров подобной компетенции по другим приоритетным направлениям развития авиационных технологий. Представляется, что при решении подобных задач с участием различных организаций (в том числе, возможно, зарубежных) вопросы защиты интеллектуальной собственности, ее последующая коммерциализация будут иметь принципиальное значение. По-видимому, также необходима разработка дополнительных (к существующим нормативным актам) документов, стимулирующих инновационные процессы и их продвижение в создании техники.