В России ведется разработка сверхзвукового пассажирского самолета нового поколения (СПС). Над инновационными решениями для перспективной машины работают ведущие российские ученые и инженеры, объединенные 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 самолета. Специалисты МАИ выполняют работы в четырех 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 самолета, 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 самолет должен обладать высокими аэродинамическими характеристиками, он должен обеспечивать низкий уровень шума на режимах взлета и посадки и низкий уровень звукового удара во время крейсерского полета 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 расчета и программный комплекс, позволяющий решить эти задачи. Уже разработано несколько вариантов формы будущего самолета 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 самолета, систем мониторинга состояния конструкции, построенных на принципах решетки Брэгга, изучением технологического процесса ударной лазерной проковки.

Использовать в новом самолете пробионические конструкции - одно из инновационных решений команды разработчиков. Конструктивно-силовые схемы агрегатов самолета 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 самолета 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 расчета процесса распространения загрязнений от летательных аппаратов, в том числе СПС, в зоне аэропорта.

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

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

Искусственный интеллект и безопасность полета

В составе лаборатории "Искусственный интеллект и безопасность полета" 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.

- В рамках этого направления работают МАИ и ЦАГИ, - говорит руководитель лаборатории "Искусственный интеллект и безопасность полета", председатель научного совета НЦМУ "Сверхзвук", заведующий кафедрой 106 "Динамика и управление полетом пилотируемых ЛА" МАИ профессор Александр Ефремов. - Сейчас нами предложено несколько вариантов структур системы управления, построенных на принципах нейросетевого подхода и адаптивного управления.

Еще один пласт работ связан с кабиной СПС. Прямого видения пространства впереди самолета не предусмотрено, и пилот будет получать всю информацию о полете по совокупности дисплеев, объединенных 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 ее в виде трехмерного 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 самолетах, а теперь будет адаптироваться для сверхзвукового - это работа на ближайшие два года.

Также специалистами МАИ была предложена идея активного рычага управления самолетом. 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 полета" ведут исследования по оптимизации траектории движения СПС с точки зрения уменьшения шума и исключения столкновений с другими самолетами, разрабатывают интеллектуальную систему поддержки летчика, комплекс мониторинга всех систем воздушного судна, системы реконфигурации, кибербезопасности и др. Все решения будут отработаны на специальном пилотажном стенде, который также создается коллективом лаборатории....