Статья

7 ЯНВ, 10:00

Сайберлеты: почему крыло SSJ-100 получило изогнутую форму

Команда авиапроизводителя "Гражданские самолеты Сухого" впервые в истории российского авиапрома разработала, сертифицировала и установила на самолеты специальные законцовки крыла — сайберлеты. Они не только эффектно выглядят, но и позволяют снижать расход топлива и улучшают аэродинамические характеристики самолета. Корреспондент портала "Будущее России. Национальные проекты", оператором которого является ТАСС, разбирался в том, как устроены законцовки, почему на их испытания потребовалось около четырех лет и какие авиакомпании смогут воспользоваться новинкой.

Как работают законцовки

"Аэродинамическое качество — универсальный показатель, который позволяет сравнивать самолеты по уровню аэродинамической и топливной эффективности. Чем выше аэродинамическое качество, тем меньше потребная для полета тяга двигателей. Соответственно, меньше и расход топлива", — объяснил порталу заместитель главного конструктора по аэродинамике "Гражданских самолетов Сухого" (ГСС) Александр Долотовский.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

16.ОКТ., 18:00

ГСС завершила испытания самолетов SSJ-100 с законцовками крыла

Этот показатель рассчитывается как отношение подъемной силы к сопротивлению. Поскольку подъемную силу самолета изменить невозможно — она равна весу самолета, — инженеры с помощью законцовок уменьшают его сопротивление. Самолет летит за счет того, что давление под его крылом выше, чем над крылом. По концам крыла воздушный поток перетекает из-под нижней поверхности на верхнюю, что создает мощный концевой вихрь на обоих концах крыла — его хорошо видно, когда самолет пролетает через облачность. Увеличение удлинения крыла позволяет минимизировать интенсивность этих вихрей и тем самым снизить индуктивное сопротивление.

Делать самолет с удлинением крыла, чтобы получить преимущество по топливной эффективности, как рассказал Долотовский, разработчики решили изначально. А вот в 2010 году, когда SSJ100 вовсю проходил сертификационные испытания, инженеры стали задумываться о создании специальных законцовок для модели.

"Проектирование законцовок — это очень тонкое дело, которое требует очень серьезных вычислительных возможностей и определенной экспериментальной базы, — пояснил он. — На SSJ100 изначально никаких специальных законцовок не было. Было заложено крыло с высочайшим уровнем аэродинамической эффективности".

Долотовский уточнил, что инженеры решили "сделать крыло с удлинением, большим, чем у конкурентов, а поиск вариантов оптимизации законцовок отложить на потом". "У базовой модели SSJ100 удлинение крыла — почти десять единиц. Это абсолютный рекорд для самолетов такого класса, — добавил он. — Но ничто не стоит на месте, и мы уже тогда, в 2010 году, задумывались о том, как нам развивать машину".

"Вся разработка законцовки, ее оптимизация, оценка влияния на каркас крыла, испытания и принятие решения заняли около четырех лет начиная с 2011 года. А к 2015-му у нас появился вполне сформированный концепт", — рассказал Долотовский.

В ходе этой работы, которую выполняли совместно ГСС и Центральный аэрогидродинамический институт имени Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), долго выбирали между вертикальными и горизонтальными законцовками. В итоге были выбраны горизонтальные, так как они дают эффект не только при крейсерском — с постоянной скоростью — полете, но и на этапах взлета и посадки.

ГСС и ЦАГИ удалось подобрать такую конфигурацию законцовки, которая при сравнительно небольшом дополнительном увеличении размаха крыла "дает существенный эффект по увеличению аэродинамического качества в крейсерском режиме полета".

Законцовки SSJ100 спроектированы как ремонтный набор: установить их можно не только на заводе авиапроизводителя (для этого авиакомпании пришлось бы выводить самолет из расписания и отправлять в Комсомольск-на-Амуре), но и на любой аккредитованной ремонтной базе.

По словам Долотовского, расход топлива у SSJ100 благодаря наличию законцовок снизится как минимум на 4% (точный показатель зависит от дальности и времени полета при выполнении конкретного рейса). Это сопоставимо с эффективностью законцовок Boeing (компания заявляет о 1–4% в зависимости от конструкции самолета) и Airbus (4–5%).

Самолет Sukhoi Superjet 100 Пресс-служба "Гражданские самолеты Сухого"

Неожиданным для рядового любителя авиации может оказаться тот факт, что законцовки снижают уровень шума. За счет них уменьшается громкость не только издаваемых самим летательным аппаратом звуков, но и шум от концевых вихрей, сходящих с крыла самолета.

Этот параметр имеет особое значение для тех городов, где аэропорты находятся рядом с жилой зоной, а поэтому имеют критическое ограничение по уровню шума. Среди них Стокгольм (Бромма), Лондон (Хитроу), Лиссабон, Нью-Йорк (аэропорт имени Джона Кеннеди). Как пояснил Долотовский, с 1 января 2020 года в силу вступили новые, ужесточенные требования Международной организации гражданской авиации к уровню шума самолетов, но SSJ100 с сайберлетами соответствует и новым нормам.

Как проходили испытания сайберлетов

Крыло самолета может изначально создаваться и сертифицироваться с законцовками, например у самолетов Ту-204, Ил-96, Embraer 170/190, а может и без них. Тогда законцовки нужно разрабатывать, создавать и сертифицировать как отдельный элемент конструкции самолета. Чтобы снабдить воздушное судно законцовками, нужно провести отдельные сертификационные испытания с участием авиавластей.

Сертификация SSJ100 с законцовками началась в 2015 году, когда появился потенциальный стартовый заказчик — авиакомпания CityJet (сейчас уже не использует SSJ). Она планировала начать полеты из аэропорта Лондон-Сити в центре британской столицы, который отличается короткой взлетно-посадочной полосой. Российские и европейские авиавласти получили заявку на сертификацию в 2016 году.

Салон самолета Sukhoi Superjet 100 ирландской пассажирской авиакомпании CityJet Марина Лысцева/ТАСС
"Для нас CityJet по этому проекту фактически стала стартовым заказчиком. Но у нас нет никаких сомнений, что эта опция будет продаваться и дальше, потому что помимо коммерческих требований появляются еще и новые экологические требования, в частности по минимизации выбросов CO2, — отмечает Долотовский. — Сейчас также ведется сертификация в EASA (Европейское агентство авиабезопасности), получить которую мы можем в течение года после того, как будет сформирован заказ от иностранной авиакомпании".

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

23.НОЯБ., 15:03

Мантуров: Россия и Норвегия обсуждают поставки SSJ-100

Сам процесс такого изменения аэродинамической компоновки предполагает несколько этапов работы. После завершения расчетных исследований выполняются испытания в аэродинамических трубах ЦАГИ и Сибирского научно-исследовательского института авиации имени С.А. Чаплыгина на точных моделях самолетов, которые примерно в десять раз меньше настоящих воздушных судов. Изготовление такой модели занимает несколько месяцев.

"Модели изготавливаются на современных станках с числовым управлением с высочайшей точностью воспроизведения геометрии внешних обводов. Изготовление такой модели — это отдельная сложная производственная задача. Раньше это делали слесари-модельщики, они считались профессионалами высшего класса", — пояснил Долотовский.

На установках выполняются исследования аэродинамики на высоких и низких скоростях полета. Также инженеры оценивают влияние обледенения на аэродинамические характеристики.

Затем в дело вступают конструкторы и прочнисты, задача которых спроектировать машину, сохранив все показатели и для условий жестких весовых лимитов. Для этого, в частности, и было принято решение использовать в конструкции сайберлетов современные композитные материалы.

Фюзеляж российского ближнемагистрального пассажирского самолета Sukhoi Superjet 100 в зале статических испытаний Центрального аэрогидродинамического института имени Н.Е.Жуковского (ЦАГИ) Михаил Терещенко/ТАСС

После того как конструкция создана, опытные образцы подвергают испытаниям на статическую и ресурсную прочность, в том числе с учетом влагонасыщения. Образцы испытывают на устойчивость при попадании молнии, столкновении с птицами, на стойкость к обледенению, оцениваются все возможные угрозы безопасности полета.

"Сотовые конструкции накапливают воду, что приводит к снижению прочности, — объяснил Долотовский. — Композитные детали размещают в ящике, начинают заливать водой. После того как они напитываются определенным количеством воды, проводят их испытания на прочность. Композиты являются диэлектриками, носителями статического разряда. Соответственно, во все композитные детали включается специальная сетка металлизации. Один из слоев — медная сеточка, чтобы обеспечить проводимость тока через композитную деталь".

После того как статические и ресурсные испытания в полном объеме выполнены, начинается летная испытательная программа. Летные испытания SSJ100 с законцовками начались в конце 2017 года. Сначала они традиционно проводились самостоятельно специалистами ГСС, позже — с участием сертификационных властей, российских и европейских. Сертификационная летная программа началась в феврале 2018 года и продолжалась до сентября 2019-го.

Летные испытания законцовки крыла самолета Sukhoi Superjet 100 Пресс-служба "Гражданские самолеты Сухого"
"В ходе летных испытаний были проведены демонстрации скоростей и характеристик сваливания. Это когда самолет тормозится до минимальной скорости, на которой он может держаться в воздухе. Поскольку это режим потенциально опасный, это очень важный элемент испытания самолета. Мы увидели, что в итоге за счет установки законцовок результаты даже улучшились: самолет стал устойчивее, — рассказал Долотовский. — Отлетали программу взлетно-посадочных характеристик, расходных характеристик — самолет летает с разными скоростями на разных высотах с разной загрузкой. Чтобы проверить, как у него изменился расход топлива, — испытания на больших скоростях, также летные испытания на прочность и испытания систем автоматического управления".

Еще одним этапом летных сертификационных испытаний стала проверка возможности полета при обледенении крыла. Ее цель — доказать, что самолет может летать и без системы обогрева крыла. Испытания проходят со специальными имитаторами льда из пенопласта. Самолет должен взлететь, приземлиться, продемонстрировать маневрирование, суметь уйти на второй круг.

Кто использует законцовки

Самолет Airbus A350 XWB Антон Кузнецов/Будущее России. Национальные проекты

Собственные законцовки крыла есть почти у всех современных авиастроителей. У Airbus они называются шарклетами, что в буквальном переводе означает "акулий плавник": основанием для использования такого термина стало именно внешнее сходство. Сейчас они устанавливаются на самолеты семейства А320neo и А330neo. На А330 и A350 XWB тоже можно установить законцовки, у этих моделей они называются винглетами.

Не отстает от своего основного конкурента и Boeing, которая начала ставить законцовки на самолеты семейства 737 Next Generation около 20 лет назад. Причем эти законцовки зачастую сразу устанавливались на новые самолеты, но могли быть установлены и на уже эксплуатируемые машины.

Российский SSJ100 с сайберлетами первой из компаний-авиаперевозчиков приобрела в декабре прошлого года "Северсталь". Как ожидается, скоро машина будет введена в эксплуатацию. А всего "Северсталь" заключила контракт на поставку шести SSJ100 до 2022 года, и два из них будут как раз таки с особыми законцовками крыла, уточнили в пресс-службе компании.

Как отметили в ГСС, авиапроизводитель ведет переговоры еще с несколькими потенциальными заказчиками.

Мария Амирджанян