Як-42Д: как устроен метеорологический самолёт нового поколения

Як-42Д оказался кстати еще и потому, что имеет кормовое расположение двигателей, а современные лайнеры, как известно, носят моторы под крыльями. Это более оправдано с точки зрения коммерческой эксплуатации, а вот для научного самолета крыло лучше держать чистым. Во-первых, освобождается место для размещения большого количества так называемых канистр, то есть имеющих форму цилиндра с наконечником блоков научного оборудования (уловители частиц плюс сенсоры). Во-вторых, само наличие двигателя на крыле привело бы к тому, что сенсорам пришлось бы работать в сильно возмущенном потоке, что наверняка сказалось бы на корректности полученных научных данных.

Ну и конечно, во внутренних интерьерах летающей лаборатории осталось кое-что от былой VIP-роскоши, например часть кресел и разграничивающие салон арки, облицованные полированным деревом. «Если бы нам достался самолет с другим прошлым, конечно же, салон выглядел бы гораздо скромнее, — замечает Геннадий Беляев, — а так — почему бы не использовать элементы старого богатого интерьера?»

Устройство активного воздействия на облака конструктивно схоже с устройством для отстрела противоракетных тепловых ловушек. В данном случае по команде оператора облака можно обстреливать патронами с йодистым серебром.

Минимум вмешательства

Казалось бы, Як-42Д — машина серийная, проверенная. Поставить на нее аппаратуру вместо кресел и столиков — и в полет. Что может быть проще? Но простота эта кажущаяся: переоборудование VIP-борта в уникальную лабораторию по исследованию атмосферы стало весьма нелегкой задачей для авиастроителей завода им. Мясищева. Чтобы замерять параметры воздушной среды, требуется как можно больше сенсоров вынести наружу. Для «канистр» потребовалось дополнить консоли крыла шестью пилонами, каждый из которых способен удерживать до трех исследовательских блоков. Но и этого мало. Весь фюзеляж буквально облеплен разного рода выступающими элементами, часть которых укрыта в нерабочем положении стеклопластиковыми обтекателями. Например, в верхней и нижней частях фюзеляжа вырезаны (разумеется, отсутствующие у серийного самолета) иллюминаторы с кварцевыми стеклами. Они нужны для замеров прозрачности атмосферы с помощью лазерного прибора — лидара. Этот весьма громоздкий аппарат находится внутри салона, но светить лучом через идеально прозрачное стекло он должен то вверх, то вниз.

«Канистры» с двумя штангами-наконечниками служат для определения размера частиц в атмосфере. В одной из штанг находится источник лазерного излучения, в другой – приемное устройство.

Лаборатория несет на себе почти полторы сотни разных приборов и узлов научного назначения (общим весом около 7 т), однако никто не отменял и визуального наблюдения за атмосферой. В обязанности одного из операторов лаборатории входит как раз зрительный контроль с занесением данных в специальный журнал. А много ли можно визуально проконтролировать через обычный иллюминатор?

Чтобы оператор мог посмотреть не только вбок, но и вверх и вниз, по обоим бортам сделаны так называемые блистеры, то есть выступающие наружу полусферы из прозрачного оргстекла. В блистер можно просунуть голову и убедиться в том, насколько расширился обзор. При кажущейся простоте изготовить блистеры оказалось делом непростым. Требовалась специальная оснастка для выдавливания «пузыря» из нагретого листа, и очень важно было добиться одинаковой толщины блистера по всей его площади. Успех пришел не сразу — семь образцов пришлось выбраковать.

Под блистеры, иллюминаторы для лидара, сенсорные устройства в обшивке фюзеляжа Як-42Д пришлось вырезать специальные технологические отверстия. А фюзеляж в полете, как известно, наддувается для обеспечения внутри атмосферного давления, близкого к привычному для человека. Накачиваемый воздух постоянно работает на разрыв фюзеляжа. Не ухудшат ли новые отверстия прочностные характеристики обшивки?

Вопрос важный, ведь, как известно, драматическую судьбу первого в истории реактивного пассажирского самолета De Havilland Comet предопределила неправильно рассчитанная форма иллюминаторов — самолет буквально разрывало изнутри. Инженерам завода им. Мясищева потребовалось проявить крайнюю осторожность при вмешательстве в конструкцию самолета. Каждое вновь сделанное технологическое отверстие усиливалось специальной накладкой, укрепляющей края.

Штанга с оборудованием для сбора базовой термодинамической информации обычно устанавливается на носу испытательных самолетов. В летающей лаборатории таких комплексов два – для сравнения параметров.

Другая серьезная проблема для авиастроителей заключалась в том, что оборудование аппаратно-программных комплексов для летающей лаборатории не было специально сконструировано под эксплуатацию на борту летательного аппарата. То есть его необходимо было защитить от вибраций и установить на амортизаторы. А главное, вся эта техника должна запитываться от бытовой электросети с напряжением 220 В. Однако на борту Як-42Д такая сеть отсутствует — есть лишь переменный ток с напряжением 115 В и постоянный с напряжением 27 В. Пришлось «влезать» в электросистему лайнера и строить под нужды науки специальную энергетическую установку, которая состоит из восьми преобразователей по 2 кВт.

Рабочие места операторов тоже пришлось конструировать заново. Сиденья от прежнего салона не годились, потому что оператору требуется большая свобода действий, а значит, кресло должно вращаться. Стандартных пассажирских кресел с поворотом просто не существует. В новых креслах появились ремни безопасности с креплением к четырем точкам, как у летчиков-испытателей или автогонщиков. Помимо всего прочего, эти сиденья должны были отвечать и стандартам авиационной безопасности, то есть не разрушаться при жесткой посадке и выдерживать перегрузки до 6 единиц. На испытаниях в ЦАГИ образцы кресел пришлось сломать, чтобы выяснить пределы их прочности и подтвердить, что нужные параметры перегрузки они держат.

Исследование прозрачности атмосферы и находящихся в ней частиц построено большей частью на лазерных технологиях. На многих элементах оборудования – предупреждения о том, что с лазером надо обращаться осторожно.

«Главная задача, которая стояла перед нами, — говорит Геннадий Беляев, — это как можно меньше вмешиваться в конструкцию серийного самолета. Внеси мы принципиальные изменения, и пришлось бы выполнить колоссальный объем летных испытаний — ведь это был бы уже фактически другой летательный аппарат. А так нам удалось свести летные испытания к минимуму, и эти тестовые полеты подтвердили, что никаких отклонений от штатных характеристик в Як-42Д не обнаружено. Машина будет эксплуатироваться в соответствии со штатным руководством».

И все-таки зачем метеорологам понадобился самолет? Ведь есть же спутники! Действительно, в настоящее время в России сбор данных об атмосфере производится с помощью стационарных наземных станций и космических аппаратов. Преимущество самолета перед наземной станцией очевидно — это мобильность. Спутник тоже летает, но летает лишь по заданной орбите, очень быстро и очень высоко. Спутник нельзя заставить покружить в нужное время над каким-то конкретным участком Земли, а кроме того, в отличие от самолета, он замеряет параметры атмосферы, находясь не внутри нее, а за ее пределами. К тому же данные, полученные со спутника, требуют валидации, то есть проверки, выявления потерь и искажений информации. Проверка данных спутника с помощью самолета позволяет рассчитать коэффициенты поправок, которые затем можно вводить в информацию, присланную с орбиты.

Крыло Як-42 «Росгидромета» оборудовано шестью пилонами для крепления научного оборудования (по три пилона на каждой консоли). Каждый пилон, в свою очередь, имеет узлы для пристыковки до трех «канистр».

Данные с сенсоров получают и обрабатывают установленные на борту семь аппаратно-программных комплексов (АПК), объединенных общей сетью и подключенных к центральному серверу. Первый комплекс собирает базовые данные о термодинамических параметрах атмосферы (температура, влажность, давление, направление ветра) и рассылает их по остальным комплексам — эти данные нужны всем. А вот АПК-5 занят изучением микрофизики облаков и аэрозолей. Он принимает данные сенсоров, которые информируют о том, какого размера частицы присутствуют в атмосфере и каково их фазовое состояние — жидкое или кристаллическое.

Интересно, что в распоряжении этого комплекса находятся средства активного воздействия на облака. Обрабатывая их жидким азотом через специальное сопло или обстреливая пиропатронами с йодистым серебром (специальная установка размещена в нижней части фюзеляжа), оператор может добиться выпадения осадков (в просторечье это называется «разгон облаков»).

Работа над переоборудованием самолета велась специалистами Экспериментального машиностроительного завода им. В.М. Мясищева под научным сопровождением ученых из Центральной аэрологической обсерватории «Росгидромета».

Детекторы частиц, установленные на летающей лаборатории, устроены так: источник лазерного луча светит в фоточувствительный сенсор. Захваченная прибором частица проходит сквозь луч, и сенсор фиксирует изменение параметров свечения. На основании этих данных программа вычисляет размер частиц. Установкой научного оборудования на самолет занимались специалисты из Центральной аэрологической обсерватории «Росгидромета» в Долгопрудном. Как рассказал нам Андрей Илюхин, заместитель начальника летного центра ЦАО, при конструировании «канистр» приходилось решать некоторые сложные вопросы научно-инженерного характера. Например, в прикрыльевых канистрах находятся приборы, которые имеют наконечники, и при встрече с частицами эти наконечники могут дробить их или иным образом искажать информацию об их параметрах или концентрации. Чтобы избежать искажений, наконечники пришлось усовершенствовать, и это проделали российские ученые, работающие в зарубежных научных центрах. Наиболее удачное решение предложил Алексей Королёв из Канады. Он провел огромную работу, экспериментируя над различными конфигурациями наконечников. Его конструкция была признана во всем мире.

Оборудование, установленное на крыле, позволяет не только измерять параметры частиц, распыленных в атмосфере, но и фотографировать их в реальном времени (два фото в нижнем углу).

Достаточно интересно устроен АПК-4, в задачу которого входит обнаружение следов радиоактивного загрязнения атмосферы. Работающий здесь прибор «Вега» включает в себя шлюзовую камеру. Оператор изнутри салона вставляет в устройство матерчатый фильтр, который после закрытия клапана обдувается забортным воздухом. Затем обратное шлюзование — и фильтр можно доставать из прибора и помещать в анализатор альфа-частиц. Впрочем, нет. Сначала его нужно... прогладить! Да-да, прогладить утюгом, чтобы примять растрепавшиеся воздухом ворсинки. Утюг установлен тут же, на рабочем месте оператора, причем удивление вызывает не столько присутствие этого не совсем лабораторного приспособления, сколько очень «винтажный» его фасон — утюги такого типа продавались в СССР лет 30 назад.

Однако вид утюга не должен вводить в заблуждение: на борту самолета установлено самое современное на сегодняшний день оборудование. Часть его изготовлена в России специалистами ЦАО, часть импортирована из США, Швейцарии и других стран. Возможности лаборатории поистине огромны: она может вести сбор данных для создания математических моделей климатических процессов, исследовать загрязнения атмосферы, в том числе радиацией, частичками сажи или вулканического пепла (кто помнит, во что обошлось европейской коммерческой авиации извержение вулкана в Исландии, понимает, как это важно). Кроме того, с самолета можно проводить съемки земной поверхности в различных спектральных диапазонах, вести радиолокацию.

Лаборатория может использоваться как для систематических исследований, так и срочных замеров, например во время природных и антропогенных катаклизмов. Причем не исключено, что новый самолет метеорологов будет работать не только в России — он полностью соответствует всем нормативам ИКАО и годен к эксплуатации по всему миру. А поскольку такой техники в мире не так много, дела для крылатого института наверняка найдутся в любой точке земного шара.