Как создают «кукурузники» из композита и испытывают Superjet

Через 69 лет после выпуска под руководством конструктора Антонова самолёта Ан-2 Сибирский НИИ авиации (СибНИА) разработал новый цельнокомпозитный самолёт ТВС-2ДТ. Корреспонденты Sibnet.ru побывали в легендарном институте и узнали, как испытываются и создаются воздушные суда нового типа. 

Справка

Институт был организован в августе 1941 года в качестве филиала Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) имени профессора Н. Е. Жуковского. Первым научным руководителем филиала стал один из основоположников аэродинамики, Герой Социалистического труда академик Сергей Алексеевич Чаплыгин.

В начале 1942 года под его руководством проводилось строительство аэродинамической лаборатории. Но академику Чаплыгину не довелось увидеть плоды своих трудов в Сибири: он умер в Новосибирске 8 октября 1942 года на 73-м году жизни и был похоронен на территории основанного им института.

В ноябре 1946 года начальником СибНИА по совместительству стал Олег Константинович Антонов, на тот момент возглавлявший организованное 31 мая 1946 года конструкторское бюро, располагавшееся на территории Новосибирского авиационного завода имени В. П. Чкалова. Под его руководством и с использованием потенциала ОКБ, института и завода были разработаны знаменитые самолёты Ан-2 и Ан-14 «Пчёлка».

За годы работы СибНИА провёл исследования всех типов экранопланов, созданных в СССР, самолёта Су-27 и его модификаций, модельного ряда спортивных акробатических самолётов семейства Су-26, Су-29, Су-31, самолётов различных типов и других летательных аппаратов, созданных в СССР и России, в том числе воздушно-космического самолёта «Буран».

Композитный биплан

«Первый самолёт, созданный в нашем институте — Ан-2. Он создавался под руководством Олега Константиновича Антонова, который возглавлял СибНИА с 1946 по 1948 год. Спустя почти 70 лет мы создали самолёт, превосходящий по эксплуатационным свойствам Ан-2. Были проведены многочисленные экспериментальные исследования, изготовлено несколько моделей, которые позволили определить окончательный облик самолёта», — рассказал заместитель директора по научной работе Владимир Чемезов.

По его словам, параллельно с этим велись расчёты прочности конструкции самолёта,так как при его создании применяются новые технологии и материалы. А нигде в России ещё нет ни нормативных документов, ни методов по определению прочностных характеристик подобных летательных аппаратов.

«Сейчас идет разработка рабочей конструкторской документации нового самолёта. После её выпуска можно будет внедрить наши разработки в промышленность. Мы создали самолёт-демонстратор технологии, на его основе завод или ОКБ может производить самолёт. Но дело в том, что действующие предприятия занимаются более крупной техникой. И если новый самолёт никто не возьмет в производство, то наш директор может принять решение — организовать производство в институте», — отметил Чемезов.

Начиналась разработка цельнокомпозитного самолёта ТВС-2ДТ в опытно-конструкторском бюро (ОКБ) института, где сейчас работает 63 человека, из них конструированием занимаются 48 сотрудников.

По словам начальника ОКБ Вячеслава Писарева, первым шагом стала ремоторизация легендарного Ан-2, которому по-прежнему нет замены для полётов на труднодоступные территории.

Биплан за счёт наличия двух крыльев имеет увеличенную по сравнению с монопланом подъёмную силу, что позволяет взлетать с очень коротких полос длиной около 50 метров и садиться на площадку размером 100 метров. Он предназначен для эксплуатации на необорудованных аэродромах, может взлететь даже с лесной просеки. Это делает его идеальным транспортом для Севера.

Увеличенная подъёмная сила обеспечивает чрезвычайно низкую минимальную скорость полёта и при скорости 40 километров в час самолёт остается полностью управляемым.

Во всём мире Ан-2 считают наиболее безопасным. При технических проблемах пилот всегда может быстро выбрать площадку для посадки. Универсальность Ан-2 сделала его удобным для сельскохозяйственных работ, тушения лесных пожаров, парашютного спорта и аэрофотосъёмки, для использования в Вооружённых Силах.

Ан-2 перестали выпускать в Советском союзе в 1971 году, после этого самолёт производили в Польше по 2002 год. В Китае их мелкосерийное производство продолжается. В настоящее время в мире эксплуатируется около 6 тысяч самолётов, в России в различных ведомствах летают около 380 Ан-2.

Модернизировать Ан-2 в вариант ТВС-2МС решили из-за того, что АШ-62ИР — советский поршневой двигатель самолёта — работал на авиационном бензине, который уже не производят в России. Мотор был разработан ещё в 1938 году и в современных условиях оказался неэкономичен и сложен в эксплуатации. Кроме того, его производство давно завершено и имевшиеся складские запасы двигателей израсходованы.

Конструкторы СибНИА подобрали наиболее подходящий для машины американский турбовинтовой двигатель фирмы «Honeywell». Как отметил Писарев, это позволило облегчить самолёт, так как поршневой двигатель весил около 700 килограммов, а турбовинтовой — 300.

Кроме того, у поршневого двигателя с набором высоты падает тяга, поэтому на высоту 3 тысячи метров самолёт Ан-2 с двенадцатью парашютистами поднимается примерно 35–40 минут, а с новым двигателем — за 15–18 минут.

Работает двигатель на керосине, который в пять раз дешевле авиационного бензина. При этом на 10% снизился расход топлива. Благодаря системе отопления в салоне самолёта стало тепло.

Готовый комплект новых деталей и оборудования устанавливается на самолёт в течение 15 дней. По этой технологии предприятие «Русавиапром» на территории института ремоторизировало уже более 20 самолётов.

Вслед за ремоторизацией Ан-2 СибНИА занялся разработкой нового самолёта для малой авиации. ОКБ, опираясь на исходную конструкцию Ан-2, создавало чертежи модели из композитных материалов. Конструкторы в системе автоматизированного проектирования «Unigraphics» отрисовали все узлы будущего самолёта.

«Цель была получить самолёт, который мог бы летать дальше при тех же затратах топлива, возить больше и сохранить все взлётно-посадочные характеристики предшественника. Этого удалось добиться. Так, если Ан-2 запаса топлива хватало на 1,5 тысячи километров, то новый самолёт с дополнительным топливным баком долетел до Москвы, а это примерно 3 тысячи километров. Скорость увеличилась с 250 до 300 километров в час», — рассказал собеседник.

В ТВС-2ДТ поставили импортную авионику, навигационную систему «Garmin», изменили рукоятку управления двигателем и систему запуска. Двигатель на новом самолёте также американский «Honeywell».

«Мы пытаемся поставить задачу по разработке отечественного двигателя подобного класса. Предприятие «Климов» предлагает разработать двигатель для ТВС-2ДТ, но цена вопроса около 3,5–5 миллиардов рублей и надо ждать пять лет. Для нас это неприемлемо», — аргументировал выбор начальник ОКБ.

Название нового самолёта (ТВС-2ДТ) расшифровывается как «Турбовинтовой самолет с двумя членами экипажа — демонстратор технологий».

Конструкторы не только создавали самолёт, но и помогали собирать узлы, участвовали в сборке крыла. «Конструкторы не доверили рабочим сборку и сами устанавливали систему выпуска закрылков на самолёт. Это произошло из-за того, что получились сложные механизмы, и они, как авторы, могли быстрее собрать систему», — отметил Писарев.

Главной особенностью разработки стало использование лёгких и прочных композиционных материалов, которые проще использовать в производстве, чем металл.

На территории института находится опытное производство с участком, где из композитов изготавливаются элементы конструкции самолёта. «Берется углеткань, пропитанная связующим. Такая заготовка называется препрегом. Она хранится при температуре минус 18 градусов по Цельсию. В плоттер заряжается рулон препрега и по специальной программе он режет слои. При этом помимо очертаний задается и направление нитей», — рассказал Писарев.

После этого деталь помещается в вакуум, а затем отправляется в печь, где все слои спекаются при температуре 160 градусов.

Полёт в трубе

Почти одновременно с разработкой и производством самолёта проводятся его испытания. СибНИА является вторым учреждением в стране вместе с ЦАГИ, которое может проводить подобные работы.

Для аэродинамических испытаний в институте имеются две трубы — малых дозвуковых скоростей со скоростью воздушного потока до 90 метров в секунду и труба транс- и сверхзвуковых скоростей до 660 метров в секунду. Сейчас СибНИА проводит их модернизацию.

Как рассказал начальник научно-исследовательского отделения аэродинамики и динамики полёта летательных аппаратов Валерий Зайцев, для испытаний в аэродинамической трубе изготавливается модель самолёта.

Она должна полностью повторять геометрическую форму самолёта. Требования к точности по крылу составляют 50 микрон, по фюзеляжу — 100 микрон.

Стоимость изготовления такой модели около 1,5–2 миллиона, что сопоставимо с ценой Ан-2 на вторичном рынке.

Для обеспечения визуализации потока, обдувающего модель, её обычно красят в черный цвет и наклеивают на поверхность короткие белые нити, колеблющиеся при движении воздуха. Модель закрепляется на аэродинамических весах, которые измеряют силы и моменты, действующие на модель. Это позволяет выяснить какая у самолёта подъёмная сила, оценить характеристики его управляемости и устойчивости. Полученные результаты испытаний помогают определить пути улучшения характеристик самолёта.

«Нами проводятся исследования обледенения конструкции самолёта и траекторий движения фрагментов льда при отрыве их от поверхности. Для имитации льда применяем полистирол или пенопласт. Процесс снимаем на скоростную камеру — 500 кадров в секунду. Результаты эксперимента анализируем, определяя, например, какова вероятность попадания льда в двигатель», — рассказал Зайцев.

В аэродинамической трубе Т-203 можно проводить 18 видов экспериментов. При необходимости СибНИА разрабатывает новые их виды, например, когда ОКБ имени Георгия Бериева дает нестандартные задания.

«Иногда нам удаётся помочь ОКБ в крайне тяжёлых ситуациях, когда на их разработках уже почти «поставлен крест». Несколько самолётов мы, можно сказать, реабилитировали. Например, Су-80. Мы смогли доказать, что он может летать и летать хорошо. Дорабатывали у себя Ту-136 с криогенным топливом. Нам удалось на 40% улучшить его аэродинамические характеристики», — рассказал Зайцев.

Он добавил, что новый композитный самолёт ТВС-2ДТ испытывали в отделении аэродинамики около трёх лет в разных вариантах, чтобы выбрать наиболее оптимальное конструктивное решение.

За 8 минут

Перед тем как запускать самолёт в серию, определяется его первоначальный ресурс с помощью прочностных испытаний.

«В настоящее время в одном из корпусов СибНИА находится испытательный стенд с планером самолёта Sukhoi Superjet. На этом стенде имитируются нагрузки на самолёт в течение всего полёта: от руления перед взлётом до посадки, «в т. ч. выполняется наддув фюзеляжа, который имитирует перепад давления при изменении высоты полёта. Воздух подаётся внутрь фюзеляжа и удаляется из него по специально заданному графику через переходники, установленные в фальш-иллюминаторы», — поясняет начальник научно-исследовательского отделения усталостной и статической прочности авиационных конструкций Андрей Каргапольцев.

На создание испытательного стенда, включающего в себя около 80 каналов нагружения, ушло полтора года. Под каждый самолет такой стенд собирается индивидуально.

Сейчас весь процесс управляется автоматически, и все данные регистрируются компьютером, а раньше многое выполнялось «вручную», с привлечением большого количества специалистов.

«Мы работаем по программам, которые задает ОКБ. Какая нагрузка нужна, ту и достигаем. Иногда стоит задача довести конструкцию до разрушения. Решаем и её. Весь полёт средней продолжительностью около 2,5 часа у нас сжат до восьми минут. Если ОКБ устанавливает ресурс самолёта 50 тысяч лётных часов, мы должны «отлетать» на стенде как минимум в два раза больше», — рассказал Каргапольцев.

Главная задача таких испытаний — выявить слабые места конструкции. При обнаружении разрушений направляется сообщение в ОКБ, которое принимает решение о порядке продолжения испытаний (допускается рост трещин или выполняется ремонт). На основе результатов испытаний ОКБ принимает решение о необходимости доработки конструкции. Реинкарнация легендарного «кукурузника». ФОТО

Чтобы понять какие нагрузки испытывает самолёт, на нем размещено порядка 5 тысяч тензодатчиков. Они представляют собой проволочную решётку, у которой от деформации изменяется сопротивление, что фиксируют приборы.

Тензодатчики, кстати, установлены и на ТВС-2ДТ. Они определяют нагрузку на самолёт при лётных испытаниях.

«У нас проводятся испытания планера первоначальной версии «Superjet» и мы будем испытывать его, пока будут летать самолёты с этой версией планера», — сказал начальник отделения.

В корпусе, где проходят описываемые нами испытания, во времена СССР испытывали головные части баллистических ракет, крылатые ракеты с гиперзвуковыми скоростями полёта, элементы конструкций воздушно-космических аппаратов и космические аппараты в чистом виде.

Так, внешнюю поверхность киля воздушно-космического корабля «Буран» при проведении теплопрочностных испытаний разогревали до 900 градусов, нагружая при этом его конструкцию эксплуатационными механическими нагрузками по специальной программе, имитирующей факторы реального полёта.

В 1967 году из ОКБ «Южное» генконструктора Михаила Янгеля по железной дороге в контейнере с микроклиматом в Новосибирск с Украины прибыл посадочный модуль пилотируемого космического корабля «Земля-Луна», который создавался в противовес американской программе «Аполлон».

Этот посадочный модуль прошел успешные испытания на участке инфракрасного нагрева в СибНИА, завершившиеся в 1969 году, но полёт на Луну так и не состоялся из-за проблем с ракетой-носителем Н-1.

Сегодня же СибНИА выполняет заказ по государственному контракту с департаментом авиационной промышленности — разрабатывает концепцию и облик самолёта для местных воздушных линий на 19 кресел с турбореактивными двигателями и большой скоростью полёта на большой высоте.

Обеспечить запуск самолёта в серийное производство планируется к 2019 году.