Быстрее, выше, умнее: как в МАИ работают над новым сверхзвуковым самолётом

В России ведется разработка сверхзвукового пассажирского самолёта нового поколения (СПС). Над инновационными решениями для перспективной машины работают ведущие российские учёные и инженеры, объединённые в консорциум Научного центра мирового уровня «Сверхзвук». Проект реализуется при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации под эгидой Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ).

Одним из ключевых участников НЦМУ «Сверхзвук» является Московский авиационный институт. Здесь ведутся работы по оптимизации аэродинамического облика воздушного судна, моделированию воздействия звукового удара, поведения конструкции планера, вредных выбросов, акустических нагрузок и многие другие.

На базе консорциума создано пять лабораторий, каждая из которых решает собственный пласт задач, касающихся нового самолёта. Специалисты МАИ выполняют работы в четырёх из них.

Аэродинамика и концептуальное проектирование

Работы в лаборатории «Аэродинамика и концептуальное проектирование СПС с низким звуковым ударом» ведут команды МАИ и ЦАГИ. Специалисты занимаются вопросами компоновки самолёта, моделированием его аэродинамических характеристик, изучением профилей ударной волны и имитацией звукового удара. Также проводятся работы по изучению рынка, анализу силовой установки и формированию облика СПС в соответствии с сертификационными нормами.

— Помимо того, что сверхзвуковой самолёт должен обладать высокими аэродинамическими характеристиками, он должен обеспечивать низкий уровень шума на режимах взлёта и посадки и низкий уровень звукового удара во время крейсерского полёта на сверхзвуковой скорости, — рассказывает участник работ, начальник лаборатории № 1 НИО-101 МАИ Андрей Катаев. — В наши задачи входит оптимизация компоновки, то есть внешнего вида СПС, с точки зрения этих критериев.

Специалисты МАИ создали собственную методику расчёта и программный комплекс, позволяющий решить эти задачи. Уже разработано несколько вариантов формы будущего самолёта в 3D.

Прочность и интеллектуальные конструкции

В коллектив лаборатории «Прочность и интеллектуальные конструкции» входят специалисты Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН, ЦАГИ и МАИ. Лаборатория занимается разработкой пробионических конструкций самолёта, систем мониторинга состояния конструкции, построенных на принципах решетки Брэгга, изучением технологического процесса ударной лазерной проковки.

Использовать в новом самолёте пробионические конструкции — одно из инновационных решений команды разработчиков. Конструктивно-силовые схемы агрегатов самолёта предлагается строить, например, по принципу скелета животного, где разные части адаптированы под разные нагрузки. Данная работа выполняется в лаборатории № 2 НИО-101 МАИ.

— В рамках этой работы мы предпринимаем попытки позаимствовать архитектуру костных скелетов животных или капиллярной сети растений и, адаптировав их должным образом, получить конструктивно-силовые схемы агрегатов, — объясняет начальник лаборатории № 2 НИО-101 МАИ Егор Назаров. — Уже разработано два варианта пробионических конструкций крыла СПС. Они исследованы с точки зрения массы и прочности. Кроме того, разработана универсальная методика микромеханического и послойного прочностного моделирования элементарных и конструктивно-подобных образцов из полимерных композитов.

Главная цель использования пробионических конструкций — снижение веса агрегатов воздушного судна и повышение степени их интегральности. Для сверхзвукового самолёта это имеет важнейшее значение.

Газовая динамика и силовая установка

Лаборатория «Газовая динамика и силовая установка» объединяет специалистов МАИ и Центрального института авиационного моторостроения имени П. И. Баранова. Одна из задач этой лаборатории — создание программного комплекса для расчёта процесса распространения загрязнений от летательных аппаратов, в том числе СПС, в зоне аэропорта.

К настоящему времени в МАИ разработана методика выполнения расчётов и сделан макет программного комплекса с частичной реализацией функционала. Пользователь в трёхмерном пространстве может обозначить зону аэропорта с рельефом местности, допустимый радиус распространения загрязнений, розу ветров. Также задаются источники загрязнения: самолёты, взлетающие и садящиеся в этом аэропорту в определённое время, типы их двигателей и топлива.

— С помощью программы можно выполнить расчёт распространения загрязнений от заданных источников, — говорит Андрей Катаев. — Конечная цель — обратная задача, когда известны источники загрязнения, но неизвестна траектория их полёта. В дальнейшем программный комплекс поможет рассчитывать оптимальную траекторию, чтобы концентрация загрязнений в заданной области была минимальной.

Искусственный интеллект и безопасность полёта

В составе лаборатории «Искусственный интеллект и безопасность полёта» работают специалисты МАИ, ЦАГИ, а также Государственного научно-исследовательского института авиационных систем и Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Здесь тоже есть несколько направлений, и одно из основных — разработка специальной системы управления СПС на основе синтеза традиционных и совершенно новых технологий.

— Этим направлением занимаются МАИ и ЦАГИ, — говорит руководитель лаборатории «Искусственный интеллект и безопасность полёта», председатель научного совета НЦМУ «Сверхзвук», заведующий кафедрой 106 «Динамика и управление полётом пилотируемых ЛА» МАИ профессор Александр Ефремов. — Сейчас нами предложено несколько вариантов структур системы управления, построенных на принципах нейросетевого подхода и адаптивного управления.

Ещё один пласт работ связан с кабиной СПС. Прямого видения пространства впереди самолёта не предусмотрено, и пилот будет получать всю информацию о полёте по совокупности дисплеев, объединённых в единое информационное поле. В рамках этого направления в МАИ разрабатывается специальный прогнозный дисплей, повышающий безопасность пилотирования. Технология позволяет прогнозировать траекторию движения воздушного судна и визуализировать её в виде трёхмерного коридора с набором меток, который поможет пилоту корректировать курс.

— Мы провели серию исследований, которые показали, что такой дисплей позволяет точнее выполнять задачу пилотирования с меньшей загрузкой пилота, — отмечает Александр Ефремов. — Разработка тестировалась на дозвуковых самолётах, а теперь будет адаптироваться для сверхзвукового — это работа на ближайшие два года.

Также специалистами МАИ была предложена идея активного рычага управления самолётом. Выходной сигнал такого рычага пропорционален усилию, прикладываемому к нему. Как показали предварительные исследования, при использовании такого устройства ошибка пилотирования уменьшается в 2,3 раза.

Кроме того, участники лаборатории «Искусственный интеллект и безопасность полёта» ведут исследования по оптимизации траектории движения СПС с точки зрения уменьшения шума и исключения столкновений с другими самолётами, разрабатывают интеллектуальную систему поддержки лётчика, комплекс мониторинга всех систем воздушного судна, системы реконфигурации, кибербезопасности и др. Все решения будут отработаны на специальном пилотажном стенде, который также создаётся коллективом лаборатории.