Полет в недоступность Авиаконструкторы открывают новую эру в освоении Арктики.
Инновации
№ 38(2016)

16.09.2016

Путь, который прошла авиация от первых аэропланов до современных летательных аппаратов, иначе как фантастическим не назовешь. Современные воздушные машины способны почти на невероятное. Но это невероятное очевидным образом продолжает совершенствоваться, в том числе благодаря российским ученым. Профессор, доктор технических наук Олег ДОЛГОВ из Московского авиационного института (национальный исследовательский университет) с возглавляемым им научным коллективом работает над методологией формирования моментно-инерционного облика самолета. Перспективный проект получил государственную поддержку - грант Президента РФ. Наш корреспондент расспросил молодого доктора наук о деталях сложных и важных для страны исследований.

- Олег Сергеевич, для начала хотелось бы узнать, что такое моментно-инерционный облик самолета.
- За этим термином скрывается комплексное понятие, показывающее взаимосвязь между конструкцией, компоновкой, системой управления и энергетическими системами самолета. Надо заметить, что традиционно для самолетов используют так называемое уравнение существования в массах, которое в общем виде отражает возможность существования самолета. Масса, как известно, - это мера инертности в поступательном движении. Самолет, как и любое материальное тело, имеет шесть степеней свободы: три поступательные и три вращательные. Меры инертности во вращательном движении - это моменты инерции.
- Насколько важен моментно-инерционный облик? Как он влияет на общие и какие-то специальные характеристики самолета?
- При увеличении размеров самолета взлетная масса растет пропорционально квадрату-кубу линейного размера, моменты же инерции растут пропорционально четвертой-пятой степени. Это важно для решения системы уравнений массово-инерционного баланса для самолетов большой размерности и авиации специального назначения, к которой, в частности, принадлежат полярная авиация и пожарные гидросамолеты.
Теперь о методологии формирования этого облика. Для сложных технических систем, к которым, безусловно, относится самолет, невозможно выработать алгоритм однозначного поиска проектных решений. В большинстве случаев можно говорить о методологии как философии поиска проектных решений.
В качестве примера расскажу о задаче поиска рационального расположения топливных и водных баков в пожарных гидросамолетах. При выборе зон компоновки (мест расположения-позиционирования в пространстве ограничений) топливных и водных баков необходимо учитывать, что при возможном вращении самолета жидкость не участвует в этом полностью, так как не увлекается стенками баков, она лишь скользит по ним. Это обстоятельство особенно актуально для баков с гладкими стенками или баков пропорциональной формы, которые используются в фюзеляже. При вращении такого бака собственный момент инерции жидкости маленький, можно сказать, близок к нулю. Крыльевые баки, как правило, имеют оребрение стенок в виде стрингеров и нервюр и сильно непропорциональную форму, что уменьшает скольжение жидкости относительно стенок. Поэтому собственный момент жидкости в таком баке может сильно варьироваться, а в предельных случаях стремиться к моменту инерции твердого тела или даже к нулю.
- Какими проблемами вы занимаетесь?
- Я руковожу научным направлением, которое объединяет самые разные исследования - от работ по повышению многофункциональности агрегатов самолета до выявления облика перспективных пожарных самолетов и систем доставки грузов в высокогорные районы при проведении спасательных операций. 
Важный сегмент исследований связан с решением задач транспортной мобильности в условиях Арктики. Более 40% территорий нашей страны - труднодоступные области и удаленные регионы Заполярья. Для них характерны условия жестких инфраструктурно-климатических ограничений, при которых невозможно обойтись без авиационной техники специального назначения. Только такая техника может обеспечить бесперебойное авиационное сообщение и сделать регионы транспортно доступными. 
Мы разработали научно-методическое обеспечение анализа влияния моментно-инерционного фактора на облик самолета. Определили и формализовали ограничения, влияющие на такой облик самолетов арктического базирования, дальнемагистральных воздушных судов большой пассажировместимости и пожарных гидросамолетов. Разработанное нами научно-методическое обеспечение актуально для развития Крайнего Севера и отдельных регионов, подверженных пожарам крупных лесных массивов. Кроме того, наша разработка сыграет свою роль в повышении конкурентоспособности авиационной промышленности России.
Задача согласования моментно-инерционной компоновки с возможностями системы управления выделена в отдельное направление исследований. Определены задачи, решение которых повлияет на облик системы управления и эффективность самолета в целом. 
Для проектных работ по формированию моментно-инерционного облика самолета характерна более глубокая связь между этапами компоновки и высокая итерационность процесса, позволяющая, в частности, выявлять и немедленно исправлять все ошибки. Это как бы “размывает” границы между проектными этапами.
- Какие конкретные результаты вы хотите получить и какую практическую пользу они могут принести? 
- Для увеличения транспортного потока по перевозке груза от 15 до 25 тонн в Арктическом регионе следует провести комплексные работы. Это поможет найти рациональные варианты моментно-инерционной компоновки целевой нагрузки в фюзеляже. В итоге появится возможность снизить массу пустого самолета арктического базирования для посадки на дрейфующие ледовые поля на 37-59 тонн. Результаты таких исследований позволят сократить время, снизить стоимость и повысить качество освоения Арктического региона нашей страны. 
- Какие свои работы вы считаете наиболее перспективными?
- Сегодня можно выделить два основных направления при исследовании проблем моментно-инерционного облика будущих самолетов. Одно связано с повышением эффективности и надежности системы управления, другое - со снижением и стабилизацией моментно-инерционного облика самолета. Рост эффективности системы управления возможен по трем направлениям: первое - увеличение площади поверхностей управления и применение альтернативных типов поверхностей управления; второе - увеличение плеча от точки приложения силы до оси вращения, и третье - применение энергетических методов повышения эффективности системы управления за счет изъятия избыточной мощности от силовой установки.
Что касается увеличения площадей управления, то его сдерживают геометрические параметры, конструктивно-силовая схема и параметры взлетно-посадочной механизации для канала крена. Максимальное значение плеч ограничивается размахом крыла и длиной фюзеляжа, которые выбирают из условий, не связанных с системой управления. 
Теперь о возможностях увеличения эффективности системы управления с использованием энергетических методов. Применение двигателей с управляемым вектором тяги позволяет не только поднять эффективность системы управления самолетом, но и повысить его надежность за счет создания дополнительного альтернативного контура управления, основанного на другом физическом принципе. В канале крена для управления самолетом можно использовать разнонаправленное отклонение вектора тяги двигателей, расположенных на крыле, или струйную газодинамическую систему. Особенно явно достоинства энергетических методов проявляются при исследовании эффективности альтернативных контуров системы управления по скорости полета.
Наиболее радикальными считаются работы в рамках направления по исследованию нетрадиционных структурно-компоновочных схем, которые позволят снизить общий уровень моментов инерции и обеспечат стабильность моментно-инерционных показателей в течение полета.
Мы провели сравнительный анализ полученных в результате численного эксперимента характеристик моментно-инерционных компоновок магистрального самолета нормальной аэродинамической схемы и “летающего крыла” (самолета без фюзеляжа, выполненного в форме крыла). Анализ показал определенное преимущество в моментно-инерционном облике последнего.
- Расскажите о вашем коллективе.
- В рамках научной школы сформировался молодой коллектив, в котором есть все условия для старта и развития научно-исследовательской деятельности. Основной потенциал - это аспиранты, очень активные и уже определившиеся с дальнейшей жизненной позицией, принявшие непростое решение остаться в науке. Научное руководство осуществляет очень компактный коллектив педагогов, в числе которых один доктор наук и два кандидата технических наук, защитившие диссертации по результатам работ в нашем коллективе.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА

Вернуться к статье