Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Жуковского (ЦАГИ, входит в НИЦ "Институт имени Жуковского") ведет фундаментальные и прикладные разработки, занимается экспериментами и исследованиями в области аэродинамики, аэроакустики, динамики и прочности летательных аппаратов. Сегодня ЦАГИ работает над концепцией интегральной схемы дальнемагистрального самолета. Институт также создает демонстратор винтокрылого летательного аппарата (ВКЛА) с электрической силовой установкой, занимается тематикой композитных и металлокомпозитных конструкций в рамках проекта "Порыв". Обо всем этом, а также о том, как в ЦАГИ изучают возможности машинного обучения (искусственного интеллекта) для разработки законов управления самолетов, в интервью корреспонденту РИА Новости Александру Пинчуку рассказал генеральный директор ЦАГИ, член-корреспондент РАН Кирилл Сыпало.
– Кирилл Иванович, какими исследованиями в настоящее время занимается Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Жуковского в области авиационной, ракетной и космической техники?
– ЦАГИ за свою более чем 100-летнюю историю последовательно развивал фундаментальные, поисковые, прикладные, а также экспериментальные исследования в области аэродинамики, аэроакустики, динамики и прочности летательных аппаратов.
В первую очередь институт ориентирован на решение прикладных задач по конкретным объектам. Хороший пример – масштабный цикл исследований, выполненный по программам SSJ и МС-21 – новейшим отечественным пассажирским лайнерам, которые десятки лет будут служить рабочими лошадками гражданской авиации. В настоящее время по ним решается много задач в связи с проводимой политикой импортозамещения и обеспечения технологической независимости России.
Вместе с тем пристальное внимание в ЦАГИ уделяется разработке концепций перспективных летательных аппаратов с улучшенными свойствами. Это могут быть, например, различные вариации компоновки в рамках так называемой классической схемы. Новое качество проектов может быть получено за счет применения междисциплинарной оптимизации, включающей с самого начала влияние различных дисциплин, в первую очередь аэродинамики и прочности.
По направлению статической прочности конструкций летательных аппаратов сегодня основные направления исследований сосредоточены в области внедрения в практику перспективных материалов и новых конструктивно-силовых схем. Данные работы ведутся в интересах создания изделий гражданской, в том числе высокоскоростной авиации. Значительный объем исследований сосредоточен на анализе эффективности применения композиционных материалов в ответственных агрегатах летательных аппаратов и создании надежных металлокомпозитных соединений.
Основная направленность испытаний (более 90%) – проведение экспериментальных исследований образцов всех уровней сложности от элементарных до конструктивно-подобных и натурных по заявкам предприятий отрасли.
– Расскажите о направлении деятельности института, связанном с разработкой концепции перспективных летательных аппаратов, новыми аэродинамическими компоновками самолетов и вертолетов, а также конструктивно-силовыми особенностями летательных аппаратов.
– К классической схеме самолета привыкли все: и пассажиры, и пилоты. Выработаны методики ее проектирования и производства, подогнаны логистика перевозок и инфраструктура аэропортов. К тому же у нее продолжают оставаться значительные резервы. Прогресс не стоит на месте, и, например, новейший российский лайнер МС-21-300 по расходу топлива примерно вдвое экономичнее своего предшественника – самолета Ту-154М. Внедрение каких-либо кардинальных новшеств и принципиально отличающихся компоновок потребует гигантских расходов. Тем не менее крупнейшие фирмы и ведущие авиационные центры не только в России, но и во всем мире, в том числе при поддержке государства, проводят непрерывный мониторинг новых технологий, которые можно применить в авиастроении, и осуществляют научный поиск перспективных компоновок, в наиболее полной мере реализующих их преимущества. К этому подталкивает не только экономическая конкуренция, но и все более ужесточающиеся требования по экологии (выбросы СО2 и других парниковых газов в атмосферу, эмиссия вредных веществ и шум в районе аэропортов), зачастую вводимые законодательным путем.
Так, в ЦАГИ рассматривается концепция дальнемагистрального самолета в интегральной компоновке "несущий фюзеляж" или "летающее крыло". Согласно нашим исследованиям, а также зарубежным публикациям, схема "летающее крыло" может быть на 15-20% лучше классической схемы по топливной эффективности, к тому же у нее имеется значительный потенциал по снижению шума на местности в окрестности аэропортов.
Фундаментальные исследования возродили конструкторские проработки сверхзвуковых пассажирских самолетов с приемлемым уровнем звукового удара – проблема, которую не удавалось решить многие годы со времен Ту-144 и Concord.
Кроме улучшения традиционных показателей эффективности летательных аппаратов, прорывные достижения как в базовых дисциплинах, так и в смежных областях могут стать основой для создания новых классов летательных аппаратов, невозможных ранее. Так, например, прогресс в области аккумуляторов и электродвигателей позволил начать разработку электросамолетов и самолетов с гибридной силовой установкой, а также воздушного такси вертолетного типа с множественным электрическим приводом. Хотя дальность полета таких аппаратов пока невелика, но именно сейчас необходима тщательная проработка достоинств и недостатков таких аппаратов для местных и региональных перевозок. Аналогично, коэффициент полезного действия фотоэлементов увеличился практически вдвое за последние 40 лет, что дало возможность приступить к реализации концепции "атмосферных спутников" – беспилотных летательных аппаратов с продолжительностью непрерывного полета в несколько месяцев.
Вызовом настоящего времени для создателей авиационной техники является проектирование компоновок, которые ранее не удавалось реализовать, или компоновок с недостижимыми ранее свойствами. Соединение творческого начала, стремления современного поколения инженеров к радикально новым и смелым, порой экзотическим проектам с фантастической мощью расчетных методов может вдохнуть новую жизнь в старые идеи и привести к появлению в будущем "невозможных" летательных аппаратов.
Вернемся к традиционным конструктивно-силовым схемам. Они отлично зарекомендовали себя в многолетней эксплуатации многих типов летательных аппаратов. Поэтому будут применяться на значительном отрезке времени и в будущем. Однако новые материалы, технологии, задачи безопасной и экономичной эксплуатации требуют поиска и отработки новых конструкторских решений по направлению прочности, жесткости, надежности. По указанным направлениям в институте ведутся интенсивные работы по расчетному и экспериментальному исследованию новых конструктивно-силовых схем широкого класса летательных аппаратов. Здесь рассматривается внедрение в конструкторские решения принципов биомеханики, мониторинга и адаптроники с применением многодисциплинарного проектирования и синтеза металлокомпозитных авиаконструкций, натурного прочностного эксперимента и виртуального моделирования.
– Что нового происходит в области устойчивости и управляемости летательных аппаратов, их прочности?
– Следует сказать, что внедрение цифровых систем управления, начиная с Ту-204 и Ил-96-300, позволило реализовать весьма обширный набор функций управления, включая обеспечение заданных характеристик устойчивости и управляемости, пассивную и активную защиту диапазона допустимых параметров полета, повышение комфортности управления. Тем не менее прогресс не стоит на месте. Эти базовые законы управления постоянно совершенствуются, функционал расширяется. Так, если на Ту-204 ограничивались четыре параметра движения (перегрузка, угол атаки, число Маха и скорость), то на самолете МС-21 ограничения касаются более десяти параметров, что значительно повысило безопасность полета. Внедрение боковых ручек управления (пассивных и активных) также оказало большое влияние на управляемость самолета и эргономику кабины. В настоящее время исследования ведутся в направлении, позволяющем улучшить управляемость самолета на ряде режимов полета, к примеру, при посадке с боковым ветром.
Важными направлением являются многодисциплинарные исследования с привлечением специалистов по аэродинамике самолета и прочности конструкции в обеспечение рационального обтекания, снижения нагрузок на конструкцию и темпа расходования ресурса. Здесь представляется перспективным оптимальное распределение управления по разным органам управления, использование распределенных датчиков обтекания и нагрузок и приводов разных типов (электрогидравлических, электромеханических, пьезоэлектрических).
Также в настоящее время идет интенсивная автоматизация управления вертолетами. В силу особенностей динамики вертолетов и сложности обеспечения отказобезопасности электродистанционных систем управления вертолетов их уровень автоматизации заметно ниже, чем на самолетах. Сейчас происходит устранение этого отставания, сформирован функционал управления, включающий как общие с самолетом функции, так и функции, специфические для динамики и управляемости вертолетов.
– Вы упомянули, что ЦАГИ работает над демонстраторами семейства винтокрылых летательных аппаратов, которые в будущем можно будет использовать в качестве аэротакси. На ваш взгляд, насколько скоро эти задумки будут претворены в жизнь?
– В настоящее время ЦАГИ ведет работу по созданию демонстратора винтокрылого летательного аппарата с электрической силовой установкой (НИР "Аэрогород"). Эта комплексная научно-исследовательская работа проводится под руководством НИЦ "Институт имени Жуковского". В ней, помимо ЦАГИ, участвуют ЦИАМ имени Баранова, ГосНИИАС, СибНИА имени Чаплыгина. Зона ответственности ЦАГИ в этом проекте – летный демонстратор технологий в части планера, несущей системы, газоструйной системы управления, комплексной системы управления и общей интеграции систем. ЦИАМ ответственен за силовую установку, в том числе электродвигатели, аккумуляторные батареи, системы электроснабжения и систему управления электрическим питанием и силовой установкой. ГосНИИАС создает и комплексирует БРЭО демонстратора технологий и наземный комплекс управления (в том числе – обеспечение передачи команд управления и приема, и отображения телеметрии). СибНИА ответственен за документальное обеспечение первого вылета, за подготовку и проведение наземных и летных испытаний, бортовую регистрацию информации.
В результате выполнения этой научно-исследовательской работы будут созданы и реализованы новые технологии: соосный несущий винт без автоматов перекоса с непосредственным электроприводом; струйная система управления ВКЛА, интегрированная с системой охлаждения силовой установки; соосный электропривод для несущего винта ВКЛА; электрическая силовая установка с прямым приводом несущих винтов для ВКЛА.
Разработанный винтокрылый летательный аппарат нового поколения – демонстратор технологий – будет обладать повышенной безопасностью эксплуатации, простотой обслуживания, сниженными эксплуатационными расходами. Сформированный научно-технический задел будет использован в промышленности для трансфера этих технологий в беспилотный транспорт безаэродромного базирования, в том числе аэротакси.
Кроме того, в ЦАГИ совместно с ОКБ ведутся исследования по замене лопастей несущих и рулевых винтов для вертолетов типа Ми-8, Ми-17, Ансат на лопасти с профилями пятого поколения, по перспективным скоростным винтокрылым, а также преобразуемым летательным аппаратам.
– Как полученный задел в реализованных проектах помогает при разработке композитных и металлокомпозитных конструкций планера перспективных самолетов будущего?
– Для создания научно-технического задела по разработке композитных и металлокомпозитных конструкций выполнялся проект "Порыв". Цель расчетно-экспериментальной научно-исследовательской работы заключалась в интеграции новых технических решений, реализующих принципы биомеханики, адаптроники и мониторинга, для создания нового поколения авиационных конструкций. На изготовленных демонстраторах проведены исследования прочности и эффективности интеграции указанных принципов в перспективные авиаконструкции. В частности, исследовались сетчатые конструктивно-силовые схемы на композитных элементах конструкции летательного аппарата, спроектированные и изготовленные с применением принципов биомеханики, адаптивные системы управления формой крыла и гашения вибраций несущих поверхностей, системы мониторинга нагруженности и наличия удара по конструкции из полимерных композиционных материалов (ПКМ), применение расчетных методов топологической оптимизации конструкций и виртуального прочностного эксперимента. По указанным направлениям, в целом, получены положительные результаты.
– Какие новые материалы предлагаются ЦАГИ для решения проблемы весового совершенства летательного аппарата?
– ЦАГИ не является разработчиком материалов и поэтому не может их предлагать, а может только рекомендовать. В настоящее время в Российской Федерации появились принципиально новые материалы: как ПКМ, так и металлические сплавы, которые в будущем могли бы претендовать на внедрение в авиационную конструкцию, но следует учитывать, что согласно мировой практике внедрение нового материала в авиацию требует не менее 18 лет (отладка технологии изготовления, общая и специальная квалификация, проверка применимости в эксплуатации и тому подобное), и поэтому их внедрение возможно только в ближайшем будущем при условии осуществления соответствующих целенаправленных действий. При этом вопрос о весовом совершенстве летательного аппарата на современном уровне науки и техники может быть решен только путем комплексного решения многодисциплинарной задачи, в которой вопрос о свойствах материала имеет важное, но не решающее значение.
– Насколько широко и успешно технологии искусственного интеллекта (машинного обучения) применяются в исследованиях, над которыми работает ЦАГИ?
– Сегодня наблюдается бурное развитие как самих технологий искусственного интеллекта, а так и их применения в самых разных областях науки, техники и повседневной жизни. Авиация не является исключением. Если не говорить о военных аспектах, то первым применением технологий искусственного интеллекта было использование нечеткой логики (Fuzzy Logic) в законах управления самолета Ту-204, которому исполнилось уже 35 лет. На этих принципах были реализованы ограничители нормальной перегрузки и угла атаки, внедрение которых значительно подняло уровень безопасности полетов. Эти алгоритмы, подвергаясь постоянной модификации, внедрялись и на самолетах SJ-100 и МС-21. Также очень удобными для реализации логически сложных законов управления оказались конечные автоматы, которые применяются для контроля и обеспечения согласованного функционирования многоканальной системы управления.
Очень важным вопросом является использование нейронных сетей и технологий машинного обучения. В настоящее время нормативные документы, используемые во всем мире и в России, не допускают использования нейронных сетей в системах управления самолетов, хотя теоретические исследования ведутся очень активно. Уже составлена дорожная карта по внедрению принципов машинного обучения для разработки законов управления самолетов. Не углубляясь в детали, можно сказать, что очень перспективными являются алгоритмы распознавания образов и наведения на базе нейронных сетей для беспилотных летательных аппаратов военного назначения.
Другим применением искусственных нейронных сетей является анализ результатов испытаний моделей в аэродинамических трубах и идентификация аэродинамических характеристик по результатам летных испытаний. Здесь нейронные сети, обладая свойством универсального аппроксиматора, показали свою высокую эффективность.
Еще одним важным и очень перспективным применением технологий искусственного интеллекта является человеко-машинный интерфейс, то есть дисплеи и органы управления в кабине экипажа. Главной задачей здесь является анализ летной ситуации и обеспечение экипажа актуальной именно для этой ситуации информацией без перегрузки второстепенными данными. Это касается как текущей информации, так и прогноза развития летной ситуации и обеспечения экипажа необходимыми предупреждениями и рекомендациями. В качестве примера уже разработанной системы можно привести систему предупреждения об опасности выкатывания самолета за пределы взлетно-посадочной полосы.
Для перспективного сверхзвукового самолета, у которого нет остекления кабины (темная кабина), разрабатывается интеллектуальная система технического зрения, которая позволит реализовать безопасный полет в таких нестандартных условиях.
