Как устроен сверхтяжелый российский самолет «Слон»

Главной рабочей лошадкой грузовой гражданской авиации были и остаются транспортные модификации пассажирского лайнера Boeing 747 (последняя версия Boeing 747-8F). Американский «фрайтер» может брать на борт до 140 т груза и перемещать его на расстояние до 8130 км. Разумеется, в отличие от военных тяжелых собратьев «боинг» характеризуется значительно большей экономичностью. Та же «Волга-Днепр», в лице авиакомпании AirBridgeCargo, эксплуатирует эти самолеты наряду с «Русланами». Что касается отечественного авиапрома, то ничего сравнимого с Boeing 747 ни в пассажирском, ни в грузовом вариантах в России пока не сделали. А делать что-то надо, ведь и «Русланы», летная годность которых постоянно продлевается, не вечны, а попытки возобновить их производство разбились о кризис в российско-украинских отношениях. Головным предприятием по постройке Ан-124 является, как известно, ГП «Антонов» в Киеве. Также на самолете установлены производившиеся на Украине двигатели Д-18Т. Их аналогов в России не существует.

Обрисовав контекст, перенесемся в стены Центрального аэрогидродинамического института в подмосковном Жуковском. Здесь под гул трансзвуковой аэродинамической трубы Т-106, возможно, рождается то, что станет надеждой и перспективой российской тяжелой транспортной авиации. В нашем главном аэродинамическом мозговом центре реализуется комплексный научно-технический проект по изучению возможности создания сверхтяжелого грузового самолета под рабочим названием «Слон». Этот четырехмоторный гигант сможет в штатном режиме брать на борт до 150 т груза и перевозить его на расстояние до 7000 км, что лишь на 400 км меньше, чем дистанция от Калининграда до Владивостока и практически равно расстоянию от Москвы до Шанхая. Работы ведутся по контракту с Минпромторгом России.

«После постепенного выбытия из эксплуатации Ан-124 "Руслан", – говорит младший научный сотрудник отделения аэродинамики самолетов и ракет ФГУП "ЦАГИ" Александр Крутов, – образуется ниша, которую может заполнить новый самолет, построенный на основе перспективных технологий, и это позволит значительно улучшить эксплуатационные параметры машины. При этом мы считаем, что основным заказчиком нового самолета должны стать гражданские грузовые компании, и проектируем "Слон" исходя из этого. Также не исключается двойное назначение: военные смогут перевозить на самолете свои грузы, однако создавать специальную сверхтяжелую машину исключительно для нужд ВТА нерационально. Причина в том, что военным таких самолетов много не требуется: в настоящее время ВКС эксплуатирует всего около дюжины "Русланов". Реализовывать сложный дорогостоящий проект в расчете на мелкую серию – это крайне расточительно. С другой стороны, работающие в гражданской сфере "Слоны" всегда смогут исполнять роль мобилизационного резерва для Вооруженных Сил России».

Как рассказали нам в ЦАГИ, проект стартовал в 2013 году, когда компания «Волга-Днепр» выразила желание получить отечественный самолет с грузоподъемностью до 100 т и с кабиной, адаптированной для перевозки коммерческих грузов. Желательно двухдвигательный. Фактически речь шла о машине, близкой по параметрам к американскому «фрайтеру» на базе Boeing 777. Любовь авиаперевозчиков к двухдвигательным машинам хорошо объяснима. Две силовые установки вместо четырех – это экономия топлива, но главное – сокращение расходов на обслуживание. При выработке ресурса также потребуется заменять два, а не четыре двигателя.

Однако, если обратиться к отечественным реалиям, становится очевидным, что создать подобный самолет на российской производственной базе в обозримом будущем невозможно. Главная причина – отсутствие аналогов используемых в Boeing 777 силовых установок GE90-115 B, обеспечивающих тягу на взлете порядка 52 тс. У пермского КБ «ОДК-Авиадвигатель» есть планы создания подобного агрегата (ПД-50), но речь идет лишь об отдаленной и весьма туманной перспективе. С другой стороны, НИОКР по демонстратору «тридцатипятитонника» ПД-35 идут полным ходом, и на 2028 год назначено начало его серийного производства (вероятно, двигатель будет устанавливаться на российско-китайский CR929, а также на двухмоторную версию Ил-96). К слову, использование двух 50-тонных двигателей лимитировало бы грузоподъемность 100 т, так как по международным авиационным требованиям двухмоторный самолет должен обладать возможностью осуществить взлет при отказе одного из двигателей, а это накладывает ограничения на взлетную массу машины. Таким образом, выбор сделан – «Слон», если проекту будет дан зеленый свет, поднимется в небо на четырех российских двигателях ПД-35 и вместо 100 т будет брать на борт 150 т. Стоит напомнить, что тяга двигателя, использованного на «Руслане», составляет 23,5 тс, что значительно меньше, чем у ПД-35. Российские двигатели позволят «Слону» развивать крейсерскую скорость 850–870 км/ч. Это близко к скоростям современных пассажирских лайнеров, что позволит гиганту летать с ними в одних высотных эшелонах.

«Мы работаем над самолетом классической схемы, – говорит научный сотрудник отделения аэродинамики самолетов и ракет ФГУП "ЦАГИ" Евгений Пигусов, – хотя знаем, что и в мире, и в России есть концепты транспортников по схеме "летающее крыло". С необычными формами фюзеляжа экспериментируют давно, однако в реальности практическая польза от "летающих крыльев" получена лишь в военной области – это элемент технологии "стелс". С другой стороны, мы предполагаем использование некоторых прогрессивных технологий в авиастроении, в том числе последние достижения ЦАГИ в области аэродинамического проектирования крыла. Наверняка будут применены композитные материалы, особенно в конструкции крыла. Практика уже показала, что положительный эффект от использования композитов наиболее заметен на летательных аппаратах больших размерностей, а в нашем случае ради увеличения аэродинамического качества мы применяем значительное удлинение крыла и панели крыла большого размаха соответственно. Кстати, поскольку мы рассчитываем на активную эксплуатацию самолета в условиях гражданской аэродромной инфраструктуры, мы намерены спроектировать законцовки консолей складными, дабы машина могла удовлетворить требования аэропортов при рулении на ВПП».

Трансзвуковая труба Т-106 проектировалась еще до Великой Отечественной, а вступила в строй в 1942-м, когда исход битвы с врагом был еще неясен. С тех пор, претерпевая определенные модернизации, эта большая машина исправно служит настоящему и будущему авиапрома. Уменьшенная модель «Слона» подвешена в перевернутом положении на крестообразных лентах, уходящих куда-то за пределы рабочей части. Модель выполнена из металла – стали и алюминиевых сплавов, длина ее 1,63 м, размах крыла – 1,75 м, вес – 120 кг. А что за необходимость подвешивать модель вверх ногами? «Так исторически сложилось, – рассказывает Петр Савин, начальник аэродинамической трубы Т-106, – в дозвуковых трубах система измерений напоминала бытовой безмен. Модель подвешивалась к механизмам весов, растягивала подвеску собственным весом и при воздействии на нее набегающего потока и возникновении дополнительно к весу еще и подъемной силы суммарная нагрузка также была направлена вниз. Чтобы модель "взлетала" в направлении пола, ее и подвешивали в перевернутом виде. Такую же систему установили в 1942 году на новой трансзвуковой трубе, но вскоре стало ясно, что "безмен" не годится. При разгоне потока около единицы Маха на системе "модель -подвеска-весы" начинались пульсации нагрузки, ее трясло. Весы пришлось переделывать, введя охватывающую рабочую часть раму в виде полого куба, к которой жестко с помощью лент крепилась модель. Рама же соединялась с новыми многорычажными весами. При такой схеме модель вполне можно поставить и в полетное положение, но исторически сложилось, что модель продолжает "полеты" килем вниз».

Испытуемая модель подобна перспективному самолету лишь геометрически. На ней есть аэродинамические рули, но нет механизации крыла, то есть на данном этапе в трубе имитируется лишь режим крейсерского полета, но не взлета и посадки, когда выдвигаются закрылки и предкрылки. Мотогондолы выполнены проточными: воздух свободно проходит сквозь полые цилиндры, а тяга силовых установок никак не имитируется.

«Проточная гондола в целом обеспечивает подобие обтекания по наружному контуру, – говорит Петр Савин, – и более-менее обеспечивает подобие по расходу воздуха. Для оценки уровня крейсерского качества этого более чем достаточно. Ведь сейчас наша цель – подтвердить жизнеспособность концепции, показать, что данная геометрия способна обеспечить аэродинамические характеристики, заявляемые проектантами. Но если "Слона" будут конструировать, причем с целью сделать его по-настоящему конкурентоспособным, понадобится построить еще 5–10 моделей для испытания в различных аэродинамических трубах. Для отработки взлета-посадки, входных-выходных устройств силовой установки, аварийного приводнения также потребуется так называемая штопорная модель».

В трубе установлен двухступенчатый компрессор, который гоняет воздух по замкнутому контуру. Самый распространенный вид эксперимента в трубе – весовой. Он предназначен для получения нагрузок на модель в набегающем с заданной скоростью потоке воздуха. Так определяют коэффициенты подъемной силы, лобового сопротивления, момента тангажа. Кроме того, исследуется эффективность рулевого управления, влияние угла установки стабилизатора и т. д., а также вклад каждого элемента модели – мотогондол, вертикального, горизонтального оперения, обтекателя шасси – в аэродинамические характеристики модели.

Остается вопрос: так ли уж необходимо использование аэродинамических труб, построенных еще до эпохи реактивной авиации? Неужели обтекание воздухом модели нельзя смоделировать на компьютере? «Нет, на сегодняшний день полноценной замены аэродинамической трубе нет, – объясняет Петр Савин. – Компьютерная симуляция – это замена реального течения воздуха некой математической моделью. Однако все математические модели (как и трубы) имеют свои ограничения. В аэродинамике к таким ограничениям относится турбулентность – универсальной модели этого явления попросту не существует. Работы над ее созданием ведутся в мире уже несколько десятилетий, но то, что есть на сегодняшний день, не позволяет всерьез считать компьютерное моделирование инструментом, равным по точности и повторяемости испытаниям в аэродинамической трубе».

Что ждет «Слона» дальше? На сегодня пройден начальный этап аэродинамических исследований, определена структура системы управления самолетом, рассчитаны летно-технические характеристики. Свою задачу сотрудники ЦАГИ видят в том, чтобы, завершив научно-исследовательскую часть, передать проект промышленности для конструирования и постройки летных образцов. Но это станет возможным лишь после соответствующих решений правительства и открытия дальнейшего  финансирования. Только тогда мы сможем написать продолжение этой истории.