Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук был создан в 1957 году. Институт располагает серией аэродинамических установок, среди которых гиперзвуковая аэродинамическая труба АТ-303 - единственная в мире, способная воссоздавать на 100% условия полета. Основные направления научной деятельности ИТПМ СО РАН: математическое моделирование в механике, аэрогазодинамика, физико-химическая механика, механика твердого тела, деформации и разрушения.
- Василий Михайлович, возникает ощущение, что современное авиастроение, к которому ваш институт имеет самое непосредственное отношение, в последнее время испытывает дефицит новых идей. Во всяком случае, самолеты мало изменились за последние 30-40 лет. Почему так происходит?
- Давайте разберемся, что считать новым. Авиастроение – это сложная, большая отрасль науки, промышленности, и оно бывает разное. Есть гражданское авиастроение – раз, а есть военное авиастроение – два, и смешивать их не надо, потому что у них очень разные задачи. Конечно, в России сумели сначала сделать военный самолет, а потом переделать его в гражданский, но хорошего из этого получилось мало. Просто когда Никите Сергеевичу Хрущеву надо было лететь в Америку, понадобился лайнер – так появился Ту-104, который вообще-то сначала был дальним бомбардировщиком Ту-16.
В итоге, как многие помнят, когда Хрущев прилетел в Америку, оказалось, что ни один трап к этому самолету не подходит – все они ниже на метр.
На самом деле, гражданское авиастроение развивается, решая основную задачу – самолет должен быть как можно экономичнее, это обуславливает все. И когда у меня студенты спрашивают, почему самолеты так похожи друг на друга, я всегда отвечаю очень просто – в тех условиях, которые существуют на данный момент, можно сделать только такие машины, другие сделать нельзя. Поэтому непрофессионал может разницу между ними и не заметить.
Гражданское самолетостроение развивается примерно одинаково в разных странах, и очень редко бывает что-то принципиально новое. Когда это новое начинает готовиться, об этом узнают все – и Boeing, и Aerospatiale, и Airbus, и наши "Туполев" и "Сухой", и все начинают что-то делать в новом направлении.
Одновременно с самолетостроением развивается все – материалы, технологии, станки, методы проектирования и т.д.
Сейчас у всех на слуху так называемые "композитные" самолеты, то есть сделанные из композитных материалов. Вспомним историю – сначала были самолеты деревянные, затем фанерные, можно отметить прекрасный самолет Поликарпова, недостатком которого была, пожалуй, только необходимость в западном клее, а так он превосходил многие аналоги. Началась война, клей нам не продавали, и возможность выпускать этот самолет исчезла.
Потом Туполев заявил, что будет делать цельнометаллические самолеты – и стала развиваться алюминиевая промышленность, деваться некуда. Начали делать из титана подводные лодки - родилась титановая промышленность, которая и сейчас лучшая в мире, и американцы, которые это проморгали, у нас покупают титан и помогают его производить.
Сейчас появились новые материалы – стеклопластики, углепластики и т.д., и американцы уже сделали первый самолет, который можно назвать композитным – Боинг-767. На самом деле этот самолет спроектировали русские. В свое время, в начале 90-х годов, когда у нас были не лучшие времена, Boeing открыл филиал своего КБ в Москве. Оно и сейчас существует – прямо на Тверской напротив Главпочтамта. Они там сняли этаж или два, поставили хорошую вычислительную технику, и сманили людей из ЦАГИ, из разных КБ. Им была поставлена задача - спроектировать самолет из композита. Этот самолет был сделан, на 65% он состоит из углепластика, но оказалось, что он тяжелее металлического. Проблема в том, что композитные материалы были неудачно склеены и стали расслаиваться внутри. Значит, надо делать толще, следовательно, тяжелее. Но я думаю, что это все решится, и через 3-5 лет хороший композитный самолет все же появится.
У нас тоже занимаются этим, не надо думать, что мы стоим на месте – у МС-21, который делает корпорация "Иркут", будет композитное крыло.
Но есть и нерешенный вопрос - а что делать с этими композитами? Вот он отлетает свое, металлический самолет можно распилить, разломать, переплавить и получить снова металл, а с этим что делать? Оказывается, даже не задумывались еще.
Правда, из композитов делают лыжные палки и лыжи, но, наверное, даже из одного самолета их получится слишком много.
Чтобы создать новый самолет, нужны не только новые материалы – должны "подрастать" системы электроснабжения, сменившего в свое время гидравлику, авионика.
Теперь следующее – самолет сейчас весь делается в цифре, не надо рисовать все эти чертежи на бумаге, делать деревянную модель, чтобы все болты и гайки совпали и все прочее. Сейчас все проще - скинули на флэшку, вставили в станок и начали работать. Это тоже технологии, это все надо сделать, этому надо научиться. Собственно, "Сухой" в нашей стране первым перевел все в цифру, заслуга академика Погосяна именно в этом. Как Туполев сделал металлический самолет, так и Погосян – сделал самолет в цифре.
- Каковы перспективы лазерной сварки, которой активно занимается институт, в самолетостроении?
- Я думаю, что это ближайшее будущее. На Западе, по крайней мере, уже варят. Обратимся к истории. Паровозы были все клепаные, суда были все клепаные. Дальше их стали варить. Заслуга нашего Патона в том, что он предложил сварку для танков, тогда как немцы до конца войны свои танки так и клепали.
Самолеты продолжают клепать до сих пор, в каждом – до 30 млн заклепок. Понятно, что переход на сварку сделает и саму машину легче, и процесс ее строительства тоже технологичнее.
Сварка должна удовлетворять определенным критериям – не просто сварил и все, держится, и ладно. Есть усталость металла. Мы бьемся с этими вещами, причем лазерной сваркой нам уже удается сваривать металлы, которые так просто не варятся. Например, титан со сталью.
Но теперь надо убедить авиацию. Вот мы приходим на завод и говорим – мы можем сварить. Не надо думать, что нас примут с распростертыми объятиями. Пока генеральный конструктор не подпишет и печать не поставит – никто и шагу не шагнет. И правильно сделает. Есть специальные КБ, которые проверяют, как они, материалы, ведут себя при тех нагрузках, которые должны быть в самолете. Или это растяжение, сжатие, колебания, все надо проверить.
Запад идет чуть быстрее. Там начали применять сварку в менее ответственных узлах, где нет соответствующей нагрузки.
Сварка придет, это несомненно, это вопрос 5-10 лет. Сначала - менее ответственные, менее нагруженные детали, затем – более, и постепенно придем к тому, что сваривать будут весь самолет. Здесь роль играют уже даже не технологии, а человеческий фактор. Конструктор ведь тоже боится. Сделал вроде дешевле, а вдруг оно из-за него упадет?
Где-то в конце этого года нам должны дать заключение, и мы будем знать, что у нас получается, что отрицательное, что положительное.
- В каком направлении гражданское авиастроение будет развиваться, на Ваш взгляд, в более отдаленной перспективе?
- Пассажирские самолеты – все с ними ясно. Сейчас будет создаваться максимальный комфорт, причем не только в полете, но и на земле. Когда ты прилетишь, и тебя маринуют в этом самолете часа полтора, о комфорте речь уже не идет. То есть и наземные службы должны подрасти.
Теперь скорость. Сейчас мы летаем 850 км в час, а надо бы с Махом (число Маха, М – отношение скорости самолета к скорости звука), близким к единице, – 1200 км в час. Американцы нас успешно загоняют в этот диапазон, считается, что в этом диапазоне полеты самые экономически выгодные. Хотя наш Ил-86, Ту-154 летали со скоростью 950 км в час. И получается, что вроде как нерентабельно – очень много нужно керосина.
Но я согласен заплатить за керосин, чтобы лететь быстрее.
Так что пойдет увеличение скоростей. Но как только мы перешагиваем звуковой барьер, появляется так называемый звуковой удар. С ним пока никто не может справиться. То есть от самолета идет ударная волна, она, к общему несчастью, не затухает и идет до самой земли, при этом из-за разницы давлений могут лопаться барабанные перепонки, вылетать стекла в домах и т.д. Но это от больших самолетов. От военных самолетов не такой большой перепад давления, и там на это смотрят просто – военные есть военные. Тем не менее, и они не летают над городами на сверхзвуке.
И пока не справятся со звуковым ударом – больших сверхзвуковых гражданских самолетов не будет. Рассматривается несколько способов уменьшения звукового удара – или меняют форму звуковой волны за счет конфигурации носовой части, либо активными методами – перенаправляя различными способами воздушный поток. Например, можно подводить тепло в набегающий поток лазером или СВЧ-излучением. Эффект этот известен с древности – еще кочевники поджигали свои стрелы, и они от этого летели дальше, потому что сопротивление воздуха уменьшалось.
Безусловно, нашей стране такой самолет нужен, у него, пока звуковой удар не удалось уменьшить, может быть такая траектория полета, чтобы под ним не было людей, вообще живых существ, городов и т.д. То есть, например, со сверхзвуковой скоростью он мог бы лететь над нашими северными территориями, очень малонаселенными.
В свое время мы сделали Ту-144, а французы и англичане – самолет "Конкорд", его дольше эксплуатировали, и Помпиду всегда летал в Америку на Конкорде, хотя над США он летал на дозвуковой скорости - там ввели запрет на сверхзвуковые полеты. Вообще говоря, американцы, которым не удалось к тому времени создать свой сверхзвуковой пассажирский самолет, сделали все, чтобы и Ту-144, и "Конкорд" сняли с производства.
Для военных самолетов это не так важно, хотя у стратегического бомбардировщика Ту-160, конечно, звуковой удар весьма существенный.
- А как обстоят дела в военном авиастроении?
- В военном авиастроении мы не отстаем. Здесь ситуация, в каком-то смысле, проще. В "гражданке" мы должны серийно делать много самолетов, 120-150 самолетов нужно сделать, чтобы окупить затраты на разработку и запуск новой модели, иначе она не будет удачной, если меньше, значит, проект неудачный. И неудачные проекты есть, никуда не денешься, и у нас, и у американцев, и в Европе.
Военный авиапром – это другое дело, здесь платить должно государство, ему не нужны тысячи этих самолетов. Нужны единицы, но единицы очень хорошие. Как было для танка – пять боев, и танк обязательно погибал, так и самолет - столько-то боевых вылетов, и в любом случае его или собьют, или сам упадет, или еще что-нибудь случится. Поэтому совершенно другие требования, требования военные. Должна быть скорость, маневренность, устойчивость.
Вот, казалось бы, прекрасная идея – крыло обратной стреловидности, высказанная еще в 40-е годы ХХ столетия. Ее даже тогда попробовали, но ничего не получилось – крылья отваливались, потому что металл не держал нагрузок. Только и всего. Надо было положить металл толще, но тогда самолет не поднимался. Когда появилась достаточно легкая и прочная углепластика – появилась и обратная стреловидность.
Понятно, что идея очень проста – такая форма повышает устойчивость.
Принципиально новых, каких-то сногсшибательных идей очень мало. Например, потребовался вертикальный взлет и посадка. Сделали компоновку с поворотными двигателями, которые сначала поднимают самолет, потом поворачиваются, и он летит горизонтально, сделали с отдельными подъемными двигателями. Вышло дорого. Потом решили сделать короткий разбег – создали двигатель с поворотными соплами. Разбег стал гораздо короче, проблема снята.
- Каковы перспективы гиперзвуковых самолетов?
- То, о чем мы говорили раньше, – это двигатели винтовые, турбовинтовые, турбореактивные. Предел применимости их известен.
Еще в середине прошлого века русским ученым Евгением Щетинковым и американцем Ферри была выдвинута идея гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя – ГПВРД. Она состоит в том, что самолет везет топливо, а в качестве окислителя использует кислород из окружающего воздуха. Воздух поступает в воздухозаборник, из-за большой скорости сжимается, и сгорание топлива происходит в сверхзвуковом воздушном потоке. Еще есть сверхзвуковые прямоточные двигатели, но там горение происходит на дозвуковой скорости. Поскольку у продуктов сгорания скорость выше, появляется положительная тяга и самолет летит.
В 1978 году мы в ИТПМ построили небольшую модель, ее попробовали на аэродинамических трубах и получили положительную тягу. Сначала я думал, что с 1960 года кто-нибудь где-нибудь тоже сделал это, но в открытой литературе этого не было. Ну, думаю, в закрытой есть. А когда говоришь на конференциях, как-то все помалкивают. Стало быть, нам принадлежит приоритет. И вот сейчас 2012 год, а двигателя-то нет. Над этой проблемой очень активно работают и китайцы, и американцы, и мы работаем, и немцы, и французы. Пока пробуют, двигатели делают, достигнута скорость, в 10 раз большая, чем скорость звука, но и работают эти двигатели пока по 10 секунд.
Мы продолжаем активно заниматься исследованиями в этой области уже больше 20 лет. Там много сложностей. Во-первых, чтобы двигатель заработал, его нужно разогнать до 3-4 Махов, нужно смешать горючее, стабилизировать горение, чтобы оно происходило там, где надо, а не за пределами самолета.
Еще одна проблема – самолет с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем очень сильно нагревается при полете на гиперзвуковых скоростях, и пока нет таких материалов, которые способны выдержать эти температуры. Кроме того, нужно максимально затянуть переход ламинарного воздушного потока в турбулентный. Не так давно, кстати, выяснилось, что при числах Маха 2-3 поверхность для этого нужно делать не гладкой, а шероховатой. Пожалуй, это мечта любого конструктора – сделать "ламинарный самолет". Это непросто, но думаю, все же возможно.
В подводных лодках, где тоже проблема перехода стоит достаточно остро, давно обратили внимание, что дельфины, киты не должны по идее плавать с теми скоростями, которые они развивают. Но у них поверхность хитрая, переменная, она как бы колеблется. Поэтому на наши подводные лодки стали ставить специальную резину, которая тоже принимала форму волны. В результате скорость увеличивалась в несколько раз.
В общем, если такой двигатель будет сделан, то тогда будет сделан и хороший сверхзвуковой самолет. Он будет подниматься высоко, на 20 км, в стратосферу, пролетать там и приземляться. Скорость его будет в 5-10 раз выше скорости звука, причем при стратосферном полете снимается проблема звукового удара. И Ту-144, и "Конкорд" летали ниже – 10 – 15 км, и существенно медленнее. Но я думаю, что случится это очень нескоро.
- Высказывались и другие весьма экзотические идеи – самолет-крыло, например…
- Это тоже было, первые аппараты такой конструкции поднимались в воздух еще до войны. Вот самолет-крыло. Зачем самолету крылья? Для устойчивости, из полезной нагрузки там сейчас возят керосин, все остальное – в фюзеляже. Поэтому всегда делались попытки добиться большей эффективности, чтобы и фюзеляж создавал подъемную силу. Такие самолеты были созданы, в основном, военные, но есть и проект гражданского самолета у "Боинга".
Лет 40 или больше назад было установлено, что самая удобная форма – эллиптическая, своего рода чечевица.
- Летающая тарелка?
-Да, именно летающая тарелка. Лучше не придумаешь, но она кувыркается как чертик, она очень неустойчива. Если сделать такому аппарату крылья, а маленькие не получится, придется большие, все преимущества теряются.
- Вы и летающие тарелки продували на аэродинамических трубах?
- Продували, на дозвуке. Они очень неустойчивы. Но сейчас появилась техника, электроника, которая позволяет управлять этим процессом. Как только аппарат из-за чего-либо теряет устойчивость, сразу включается маленький двигатель. Двигатели можно поставить по окружности, и сейчас очень активно прорабатываются такие машины. Думаю, лет через 10-15 они уже будут. Скорость ее будет дозвуковая, но они будут очень удобны.
- Тематика гиперзвуковых машин сильно пересекается не только с авиацией, но и с космонавтикой. Каковы, на Ваш взгляд, перспективы российского "космического челнока"?
-"Челнок" – это уже не авиационная, а космическая тематика. Авиация – это сравнительно низкие скорости, максимум 3-3,5 М у военных машин - это уже рекорд, но им больше и не надо, высоты – максимум 20 км. То, о чем мы говорим – это большие скорости и большие высоты. Поэтому самолеты с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем часто называют воздушно-космическими – по своим характеристикам они больше похожи на ракеты, да и по форме, скорее всего, тоже будут больше напоминать их.
Космонавтика, которая раньше развивалась широким фронтом, сейчас тоже разделилась на несколько направлений. Во-первых, есть военная космонавтика. Туда будут вкладываться деньги – по тем же причинам, что и в военную авиацию. Может, и не в том объеме, как было раньше, потому что уже накопилось много знаний, технических решений. Все это будет совершенствоваться, чтобы пройти всякие ПРО и так далее.
Во-вторых, есть дальний космос, полеты к планетам Солнечной системы. Это тоже будет развиваться, но очень медленно, потому что нет денег. Ни у нас, ни у американцев, будем прямо говорить. Не будет такого, как в 60-е годы – мы запустили, через месяц они, и наоборот, когда все бежали друг за другом вприпрыжку. Человечество должно здесь объединиться, чтобы исследовать планеты Солнечной системы. Но вот сумеет ли оно это сделать, не знаю, думаю, что нет. Дело даже не в политике, наверное, но человеческий фактор сработает так, что будем говорить, кое-что делать, а объединения не будет. Все будет разделено – это мое, а это твое, даже на вроде бы общих космических станциях.
Третий сегмент – сугубо коммерческий. Это связь, безопасность, погода, урожаи, геофизика и т.д. Это тоже будет активно развиваться.
В целом можно сказать, что в космосе отрабатываются в первую очередь военные новинки. Это, конечно, не способствует международной кооперации. Договоры, конечно, заключаются и будут заключаться, но больше для приличия.
- В этой ситуации российский "челнок" востребован или нет?
- Неважно, "Челнок", "Клипер" или новый проект "Русь", он будет обязательно. Будет космическая станция, и он ее будет обслуживать. Сейчас туда летают на наших ракетах, американский "челнок" ушел, потому что тоже дорого. Мы-то сразу бросили программу "Буран", деньги кончились раньше.
Соответственно, и мы, и американцы активно ищем, на чем летать. Сейчас один килограмм полезного груза стоит от $20 тыс. до 30 тыс. – столько надо потратить, чтобы закинуть его на орбиту. Надо сделать, чтобы килограмм груза от силы обходился в $1 тыс., тогда еще будет какой-то разговор.
И "Буран", и "Шаттл" оказались слишком дорогим удовольствием. У них вывоз груза на орбиту стоил около $25 тыс. за килограмм. На наших ракетах выходит дешевле – около $20 тыс., вывод метеоспутников и так далее еще дешевле. Самый дешевый – $10 тыс., но за счет чего? Берется баллистическая ракета, которую надо уничтожить по договору о разоружении, откручивается головная часть, ставится то, что нужно запустить. Вроде бы, сэкономили, но если сделать все "с нуля", построить ракету, то будет дорого.
Вот здесь "Клипер" является востребованным – он имеет довольно простую форму, похожую на "Буран", но существенно меньше по размерам. Работают по этой тематике французы и немцы в кооперации с нами. Мы их разработки продуваем, они наши продувают у себя – подстраховываемся, потому что трубы не в полной мере дают те параметры, которые необходимы.
Выведение будет на ракете, а вот у посадки просматриваются разные варианты – на аэродром, как самолет, на парашютах, с тормозными системами.
- Еще была идея космического лифта, насколько она осуществима?
- Вопрос в том, когда будет сделан материал, способный выдержать эти нагрузки. Грубо говоря, нужно опустить из точки на геостационарной орбите канат на землю и поднимать – опускать на нем грузы. Теоретически это красиво, но это 250–300 км. Возможно, в будущем такие материалы и появятся – лет через 50 или 100. Во всяком случае, паутину, считающуюся одним из самых прочных материалов, продолжают исследовать.
В любом случае, прогресс не остановить, он будет всегда. Точно так же бесполезно бороться с автомобилями – человек находился пешком и наездился на велосипеде, и он будет ездить на автотранспорте, что бы кто ни говорил.
Самолет из Сочи не смог сесть в Красноярске и ушел на запасной аэродром в Абакане