Исследования и эксперименты в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) стали одним из важнейших этапов создания перспективного ближне-среднемагистрального самолета МС-21. О работах, связанных с аэродинамикой МС-21, рассказывает заместитель гендиректора института, начальник комплекса аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов Сергей Ляпунов. - Сергей Владимирович, ученые-аэродинамики ЦАГИ внесли существенный вклад в создание практически всех российских самолетов. В чем особенность работ по программе МС-21? - МС-21 задумывался как инновационный самолет. Главная из инноваций: впервые в России и, более того, ранее чем у многих ведущих авиационных производителей самолет будет иметь композитное крыло. Принципиально важно, что речь идет не просто о широком применении композитов, а о их использовании в высоконагруженных конструкциях. Это в свою очередь оказывает существенное влияние на аэродинамическую компоновку и на аэродинамику самолета. Традиционно аэродинамики стараются увеличить удлинение крыла (отношение размаха крыла к средней хорде крыла), поскольку это способствует уменьшению сопротивления. Однако наше стремление упирается в увеличение массы конструкции, что заставляет искать оптимум, компромисс.
Исследования подтвердили, что композитная конструкция позволяет заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями, — что и реализуется на МС-21. Типовое удлинение крыла у самолетов прошлого поколения около 8–9, в современных самолетах — 10–10,5, а на МС-21 закладывается 11,5. В результате аэродинамическое качество — а это основной параметр, характеризующий совершенство самолета, — на больших скоростях полета у МС-21 выше, чем у лучших современных аналогов, на 5–6%. По нынешним меркам это большой дивиденд. Отсюда существенная экономия топлива, увеличенная крейсерская скорость и высота полета.
- С какими сложностями пришлось столкнуться ЦАГИ при работе по программе МС-21?
- Прикладной практики проектирования таких крыльев в ЦАГИ до недавнего времени не существовало. Нам, в частности, пришлось исследовать вопросы, связанные с ростом волнового сопротивления крыла большего удлинения.
Работы по теме БСМС (ближнесреднемагистральный самолет) начались в ЦАГИ довольно давно, еще до оформления программы МС-21. Основной объем работ пришелся на 2008–2010 гг. За этот период мы в сотрудничестве с корпорацией "Иркут" изготовили около 20 различных моделей МС-21. Проведено более тысячи испытаний в аэродинамических трубах. В качестве примера могу сказать, что для МС-21 после тщательных исследований рекомендовано крыло, имеющее порядковый номер 9.
Так что те преимущества самолета, о которых я сказал выше, подтверждены нашими расчетными и экспериментальными исследованиями.
- Можно было услышать мнение, что выигрыш в аэродинамике крыла будет "съеден" увеличенной шириной и высотой фюзеляжа МС-21. Справедливо ли такое утверждение?
- Как аэродинамик могу сказать, что улучшения, которые предлагаются другими дисциплинами авиастроения, зачастую негативно сказываются на аэродинамике. Это касается и проблемы повышения комфорта, которая в значительной степени определяется размерами фюзеляжа.
При разработке МС-21 дискуссия шла вокруг каждого сантиметра, баланс был найден, и аэродинамическое качество МС-21 именно на те 5–6% выше, чем у конкурентов, при большем размере фюзеляжа.
- Вы сравниваете МС-21 с существующими самолетами. Между тем разрабатываются программы их оснащения новыми, более экономичными двигателями. Сохранит ли МС-21 свои преимущества в новых условиях?
- Действительно, мы знаем об установке новых двигателей на существующие самолеты. Это, конечно, сближает характеристики конкурентов и самолета МС-21. Вместе с тем сама по себе ремоторизация, как минимум, не улучшает аэродинамику.
При проектировании крыла МС-21 тонкая доводка аэродинамики проводилась с учетом форм и размеров мотогондол конкретных типов двигателей, которые предполагается установить на самолет. Это дает МС-21 определенное конкурентное преимущество. Вообще, нами проведена очень большая работа по местной аэродинамике: различные элементы типа обтекателей механизмов закрылков, зализов, отсеков шасси и т. п. Всю эту работу мы проводили в очень тесном контакте с сотрудниками "Иркута"; я считаю, что у нас полное взаимопонимание. Полагаю, что это положительно сказалось на аэродинамическом облике данного летательного аппарата.
- Почему на МС-21 нет законцовок крыла?
- По этому вопросу существуют разные точки зрения. Известно, что размах крыла среднемагистрального самолета ограничен 36 м — таково требование ICAO, учитывающее реальное положение с аэродромной инфраструктурой.
Понятно, что законцовки добавляют аэродинамическое качество. Мы знаем, сколько это может дать на реальном самолете, поскольку спроектировали "крылышки" и испытали их в аэродинамических трубах. Однако установка законцовок — это дополнительный вес, и баланс получается неоднозначным.
Мы в ЦАГИ считаем, что это резерв, который можно использовать на каких-то модификациях самолета. Но пока характеристики, которые у нас получаются без этих "крылышек", достаточны для обеспечения требуемого уровня конкурентоспособности ВС.
- Известно, что разработчики гражданских самолетов обсуждают принципиально новые компоновки лайнеров. Ведет ли ЦАГИ исследования в этом направлении и когда появятся такие самолеты?
- Мы разделяем точку зрения, что традиционные компоновки летательных аппаратов близки к оптимуму. Поэтому ЦАГИ ведет исследования в области новых компоновок. Это, например, исследования, связанные с ламинаризацией обтекания, расположением двигателей над фюзеляжем, высокая интеграция крыла и фюзеляжа и так далее.
Безусловно, движение в этом направлении будет, и новые компоновки появятся. Назвать сроки сложнее. Любые революционные шаги должны сопровождаться колоссальным объемом исследований. Мы знаем не все подводные камни, а они, безусловно, существуют. Полагаю, что ощутимое продвижение в этом направлении станет возможным не ранее 2025–2030 гг.
- Каково сейчас соотношение между натурными экспериментами и численными методами исследований?
- Прогресс в вычислительных методах и технике фантастический. Мы можем делать очень многое из того, чего не могли делать ранее. Например, в ЦАГИ разработаны очень эффективные программы оптимизации геометрии летательных аппаратов, и крыла в частности. Лет 20 назад проектирование самолета сопровождалось испытанием нескольких десятков вариантов крыла. Благодаря нашим расчетным методам их число сокращено, но не до нуля. Расчеты пока не могут заменить испытания в аэродинамической трубе.
При работе над МС-21 расчетные методы применялись для исследования очень широко и во всех аспектах. Это и обтекание крейсерской конфигурации, и проектирование взлетно-посадочной механизации крыла, и оптимизация расположения мотогондолы на крыле, обтекание на больших углах атаки…
- В вопросах безопасности полетов будут ли какие-то новшества на МС-21?
- С точки зрения аэродинамики существенной составляющей обеспечения безопасности полетов являются хорошие взлетно-посадочные характеристики. Здесь были проведены работы по отработке местной аэродинамики, по установке небольших вихрегенераторов, которые позволяют на больших углах атаки получать хорошие значения подъемной силы. В результате самолет будет садиться при меньших скоростях, а это означает увеличение безопасности. Было проведено расчетно-экспериментальное исследование влияния обледенения на характеристики летательного аппарата, и мы выдали разработчикам соответствующие рекомендации.
Вместе с тем значительная часть вопросов безопасности возлагается на систему управления и на пилотажные комплексы самолета. Здесь тоже делается шаг вперед. В частности, на МС-21 по сравнению с самолетами предыдущих поколений расширен перечень предельных режимов, для которых закладываются ограничения.
- Продолжатся ли исследования по аэродинамике МС-21?
- Работы в ЦАГИ продолжаются и будут продолжаться вплоть до завершения сертификации самолета. Нам предстоит завершить испытания для уточнения ряда характеристик. Будут продолжаться исследования штопорной модели. Но речь идет об окончательной, финальной стадии. Эти испытания позволят сформировать банки аэродинамических характеристик, которые используются при создании системы управления, для подготовки планов летных испытаний и т. д. Эти банки данных постоянно дополняются, улучшаются, корректируются. Чем ближе к концу проекта, тем меньше таких коррекций.
- В каких трубах продувались модели МС-21?
- Основная труба ЦАГИ, наиболее молодая и с большими возможностями, — это труба Т-128. В ней была проведена большая часть исследований по крейсерской и взлетно-посадочной конфигурациям. Труба Т-128 предназначена для проведения испытаний при числах Маха до 1,4 — в частности, при числе Маха крейсерского полета самолета МС-21 около 0,8.
Ряд исследований были проведены в трубе Т-106, которая тоже позволяет проводить испытания крейсерских конфигураций. Для отработки взлетно-посадочных конфигураций на небольших скоростях у нас есть труба Т-102 с довольно большой рабочей частью, где можно отрабатывать детали взлетно-посадочной механизации. Испытания штопорной конфигурации проходили в вертикальной трубе Т-105.
Отработка элементов силовой установки велась в трубах отделения силовой установки и на специальном стенде ЭУ-2, который предназначен для исследований попадания в двигатели посторонних предметов с ВПП.
- Как будет развиваться аэродинамический сектор ЦАГИ?
- Планы развития существуют. Будут совершенствоваться вычислительные методы и компьютерная база. Запланировано строительство новых установок.
Желание получать надежные характеристики на объектах, более приближенных к натурным, подвигает нас к рассмотрению труб с рабочей частью большего размера. Такие проекты есть. Есть и необходимость расширить экспериментальную базу для исследования в области скоростных вертолетов. Наши предложения доложены правительству, и мы готовим сейчас конкретные планы работы.
- Как, по вашему мнению, соотносится уровень ЦАГИ с зарубежными центрами по возможностям?
- Мы считаем, что наши экспериментальные возможности довольно высоки. Спектр установок экспериментальной базы достаточно широкий и сопоставим с тем, который используется за рубежом.
Один наш зарубежный партнер высказал такую мысль: "В ЦАГИ можно приходить с любым вопросом, и обязательно найдется по крайней мере один специалист, который может дать грамотную консультацию". Уникальность ЦАГИ, наряду с нашими установками, обеспечивают высококвалифицированные специалисты института.
Исследования и эксперименты в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) стали одним из важнейших этапов создания перспективного ближне-среднемагистрального самолета МС-21. О работах, связанных с аэродинамикой МС-21, рассказывает заместитель гендиректора института, начальник комплекса аэродинамики и динамики полета летательных аппаратов Сергей Ляпунов. 
