«Наука в Сибири» № 25 (2610) 28 июня 2007 г. САМОЛЕТЫ И ДВИГАТЕЛИ БУДУЩЕГО Круглый стол на вынесенную в заглавие тему состоялся 2 июня в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН в рамках «Дней открытых дверей», посвященных празднованию 50-летия СО РАН. В его работе приняли участие более 70 ведущих ученых и специалистов из ИГиЛ, ИТФ, ИФПМ, НГУ, НГТУ, СибНИА, гости из Германии. Заседание круглого стола вел академик В. Фомин. А. Маслов, д.ф.-м.н., профессор, ИТПМ СО РАН Более четырех часов шла оживленная дискуссия о будущем авиации и космонавтики, о перспективных направлениях развития фундаментальных и прикладных исследований в авиационной и космической отраслях. Большой интерес вызвали сообщения академиков В. Панина и А. Реброва, докторов наук Э. Краузе и В. Шредера, директора СибНИА доктора наук А. Серьезнова, ведущих ученых Сибирского отделения — докторов наук А. Оришича, М. Топчияна, В. Баева и других. В обсуждениях затрагивался широкий круг вопросов — от наземного моделирования гиперзвукового полета до его практического использования, от создания наноструктурных материалов до их применения, от лазерных технологий резки авиационных материалов до их сварки, от экономических характеристик летательных аппаратов до экологических проблем, которые они создают. Участники круглого стола «Самолеты и двигатели». Жаркий спор разгорелся по вопросу о необходимости применения и возможностях аэродинамических труб и наземных стендов для моделирования элементов перспективных летательных средств и авиационно-космических двигателей. При увеличении скорости полета до гиперзвуковой наземное моделирование становится малоинформативным. Летательный аппарат фактически обтекается слабо ионизованной плазмой. В наземных стендах невозможно моделировать все характеристики полета — в этом случае возможно только частичное моделирование. Высказывались мнения, что наземное моделирование гиперзвукового летательного аппарата проводить бессмысленно. На первое место выдвигается численное моделирование. Развитие численных методов и вычислительной техники в настоящее время позволяет предсказать основные характеристики самолета с точностью, достаточной для инженерных нужд. Упор при создании гиперзвукового самолета делается на летные испытания. Наземное моделирование позволит проверить используемые в расчетах физические модели и численные методы, позволит понять физические механизмы взаимодействия потока с самолетом, ответить на частные проблемы, встающие при конструировании и испытаниях самолета. Однако воспроизвести натурные параметры гиперзвукового полета очень непросто. Высокие температуры (несколько тысяч градусов), высокие давления (до тысяч атмосфер) невозможно поддерживать в наземных устройствах долгое время. На помощь приходят аэродинамические трубы кратковременного действия с рабочим временем в несколько миллисекунд (и даже микросекунд!). Развитие скоростных методов измерения и сбора информации вместе с быстродействующими вычислительными комплексами позволяет не только снять огромные объемы информации за считанные доли секунды, но и провести обработку данных в темпе эксперимента. Выступает Почетный доктор СО РАН Эгон Краузе (Германия). При создании таких устройств возникает много научных проблем. Очень сложно ввести в поток необходимое количество энергии. Рассматриваются различные способы нагрева потока: использование тяжелых поршней для быстрого сжатия и тем самым повышения температуры, подвод энергии лазерным излучением, использование магнитогидродинамических (МГД)-устройств, электрических разрядов большой мощности и другие. Альтернативный способ моделирования заключается в использовании баллистических трасс, в которых модель выстреливается с необходимой скоростью в длинную (несколько сот метров) трубу. За время ее полета в этой трубе измеряются аэродинамические характеристики модели. При небольших скоростях, важных для современных коммерческих самолетов, аэродинамические трубы могут дать много полезной информации. Однако необходимо увеличивать размеры их рабочих частей. Рассматриваются проекты аэродинамических труб с рабочими частями в несколько десятков метров, в которых можно проводить испытания крупноразмерных моделей исследуемых летательных аппаратов. Другой подход состоит в уменьшении температуры потока до криогенных температур. Проведение испытаний при температуре минус 200 градусов Цельсия и больших размерах установки ставит много новых научно-инженерных задач. Реализация таких проектов уже не под силу отдельно взятым государствам. Для координации работ в этом направлении создаются межгосударственные рабочие группы и комитеты. Созданные стенды становятся национальным достоянием. Но только на их поддержание в рабочем состоянии требуются значительные средства и затраты. Особое внимание было уделено проблеме моделирования процессов в элементах перспективного двигателя будущего — важнейшему звену при создании гиперзвуковых летательных аппаратов, скорость которых составляет от 5 до 15 скоростей звука и выше. Чтобы создать подобные аппараты необходим совершенно новый двигатель — гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), который в качестве окислителя может использовать воздух из атмосферы. При его создании возникает множество проблем из разных областей науки. При таких больших скоростях очень сложно снизить скорость воздуха до его поступления в камеру сгорания, но еще сложнее перемешать топливо и окислитель и организовать процесс сгорания горючей смеси при сверхзвуковых скоростях. Образно говоря, надо не только зажечь спичку на очень сильном ветру, но и умудриться ее полностью сжечь. Решение задачи сверхзвукового горения — ключ к решению проблемы создания гиперзвукового самолета. Рассматриваются различные способы повышения эффективности работы ГПВРД. Использование нестационарных процессов в камере сгорания может существенно расширить возможности двигателя. Другое привлекательное предложение — использовать двигатель, работающий на непрерывной спиновой детонации. Обилие проблем и задач вызывает новые решения и открывает новые возможности для научных исследований. Использование ГПВРД ограничено по скорости полета и по высоте. Для выхода в космическое пространство целесообразно использовать двухступенчатые конструкции. На первой ступени использовать самолет с ГПВРД, на второй — возвращаемый аппарат с ракетным двигателем. Научные проблемы, связанные с таким подходом, активно исследуются в Европе, в США и других странах. Но есть ли шансы у многоразовых аппаратов с ГПВРД? Последним достижением в этой области можно считать запуск демонстратора Х-43 (небольшой модели длиной около 4 м с ГПВРД) в США. Около 12 секунд длился этот полет. Примерно столько же летел 100 лет назад первый самолет братьев Райт. Но затраты на эти полеты несопоставимы! Затраты на программу Х-43, которая в настоящее время приостановлена, составили несколько сотен миллионов долларов. Если серьезно подходить к решению задачи использования самолетов с ГПВРД, необходимо сотрудничество разных стран. Наиболее перспективным может быть объединение усилий европейских стран и России. Полет аппарата с гиперзвуковой скоростью сопровождается очень сильным нагревом. Для предотвращения разрушения гиперзвукового самолета и сохранения полезного груза необходима либо эффективная защита, либо значительное снижение тепловых потоков к его поверхности. Разработка новых жаропрочных материалов жизненно важна для космических систем. Они могут защитить аппарат. Но можно пойти и другим путем. Например, использовать горючее как хладоагент для снижения температуры поверхности аппарата, с тем, чтобы тепловые потоки к поверхности преобразовывали исходное горючее в новое состояние с более эффективными возможностями. Другой подход — снизить нагрев за счет правильной организации потока около летательного аппарата. За счет ввода энергии в поток можно изменить течение около самолета, снизить не только нагрев, но и сопротивление. При уменьшении скорости полета количество проблем, которые надо решить при создании самолета, не уменьшается. Применение сверхзвуковых пассажирских самолетов тормозит проблема звукового удара. Ударные волны, сопровождающие полет сверхзвукового самолета, оказывают негативное воздействие не только на здания и сооружения около аэропорта, выбивая стекла в окнах, но и на все живое вдоль трассы его полета. Применение высокоскоростных пассажирских самолетов ставит и другие экологические проблемы. Полет самолета сопровождается выхлопом опасных продуктов сгорания в атмосферу. На больших высотах это приводит к разрушению озонового слоя Земли. Вредные окислы при полете в верхних слоях атмосферы могут образовываться и у поверхности аппарата, в пограничном слое. Не менее важная сторона — затраты на полет. Снижение звукового удара, уменьшение сопротивления, повышение аэродинамического качества, экономическая целесообразность, решение экологических проблем — вот неполный перечень возникающих вопросов, на решение которых требуются значительные затраты. Готовы ли мы платить слишком высокую цену за сокращение полета из Москвы в Нью-Йорк на 4-5 часов, если на дорогу в аэропорт мы тратим времени примерно столько же? Во время обсуждения были и категорические высказывания против сверхзвуковой, а тем более гиперзвуковой авиации. Для пассажирских перевозок более насущно совершенствовать имеющийся самолетный парк. Основное внимание с точки зрения оппонентов высокоскоростной авиации необходимо сосредоточить на трансзвуковых скоростях, на которых в настоящее время летают коммерческие самолеты. Нам надо оценить, сколько груза нам надо перемещать с одного места на другое, и на какое расстояние. Тогда будет более понятна необходимость использования высокоскоростного транспорта. Может быть, для перемещения больших объемных грузов достаточно использовать дирижабли, а для посещения магазина — небольшие вертолеты, которыми при современном уровне автоматизации сможет управлять и домохозяйка. Во всем мире, и в России особенно, необходимо увеличить количество самолетов и заменить существующие самолеты на более совершенные. Одна из важнейших проблем при создании новых самолетов — уменьшение уровня звука, излучаемого двигателем и элементами конструкции самолета. Струя двигателя создает акустическое излучение, значительно превосходящее сотню децибел. При обтекании любого выступа на поверхности планера, при обтекании шасси, стоек, антенн и т.д. возникают вихри, которые в сумме создают существенный акустический шум. В настоящее время требования к уровню шума самолетов все более ужесточаются, и для транспортной авиации проблема уменьшения шума становится задачей номер один. Еще одна проблема — повышение ресурса самолета. Во многом это проблема технологии изготовления узлов самолета. Прошли те времена, когда корабли клепали на верфях. Сейчас они цельносварные. Парадоксально, что авиация, где всегда внедрялись самые передовые технологии, все еще «клепаная». Однако, применение мощных лазерных комплексов позволяет не только раскраивать листовой материал, но и надежно его сваривать. Лазерная сварка позволяет повысить прочность шва, который не уступает основному материалу. Проблем здесь много. Около шва нарушается структура материала, недостаточно данных об усталостной прочности. Комбинация различных способов подвода энергии ко шву (ультразвук, холодная плазма, поток электронов) и применение нанотехнологий позволят получить надежные сварные соединения, которые смогут пройти придирчивый авиационный контроль. Повысить предел усталостной прочности поможет наноструктуирование поверхности. Нанесение наноструктурных покрытий позволяют в разы повысить срок годности узлов самолета. Современные методы диагностики и методы создания поверхностей с заданными свойствами уже сейчас позволяет творить чудеса, и авиация ждет их применения. Не только большими скоростями и огромным тоннажем самолетов жив человек. В настоящее время становится реальным широкое использование малой авиации, включая самодельную. Вопросы безопасности в этом случае выходят на первое место. И совсем уж экзотическими выглядят крошечные самолеты, созданные на основе нанотехнологий. Область применения их очень широка. Это и мониторинг окружающей среды, наблюдение за сохранностью зданий, контроль за составом воздуха и состоянием лесных массивов и т.д. Очень важна комплексность подхода к созданию любого самолета. При его создании необходимо совместное рассмотрение разных аспектов его существования. Проблемы аэродинамики нельзя решать в отрыве от прочности, расход топлива — в отрыве от весовых характеристик и т.д. Нужно рассматривать самолет как живой организм, который ответит нам за заботу о нем улучшением нашей жизни, сделает ее более комфортабельной, расширит наши представления о природе и наши знания о космосе. Таков неполный перечень вопросов, которые обсуждались «за круглым столом». Все участники отмечали важность и своевременность тем и задач, предложенных организаторами дискуссии из ИТПМ СО РАН, и высокий уровень обсуждения. стр. 5