Современные условия создания и эксплуатации авиационной техники гражданского (двойного) назначения характеризуются влиянием глобальных вызовов, связанных с изменением климата, загрязнением атмосферы, сокращением объемов невозобновляемых энергоресурсов и других проблем экологического и экономического характера. Также, несмотря на известные ограничения и проблемы в авиатранспортной отрасли из-за COVID-19, сохраняются тенденции к увеличению объема авиаперевозок и повышению требований к обеспечению безопасности и экологичности полетов.
Рассматривая особенности современного этапа развития авиационной техники, следует также отметить существенное повышение требований к ее эксплуатационным параметрам, быструю сменяемость изделий в условиях жесткой конкуренции. От поколения к поколению усложняются конструкции воздушных судов, отдельных сборочных единиц и деталей, расширяется применение новых конструкционных материалов, возрастает трудоемкость их изготовления.
В этих условиях, по оценкам специалистов, общий потенциал повышения эффективности от использования традиционных технологий в авиастроении к 2030 г. не превысит 35-40% от сегодняшнего уровня. А по авиадвигателям и аэродинамике планера практически достигнут потолок эффективности применения традиционных технологий.
Все это задает ряд прогрессивных трендов в развитии авиастроения и делает необходимым поиск новых подходов к конструированию летательных аппаратов и внедрению оптимальных технических решений. Мировую авиаиндустрию ожидают глобальные перемены. В ближайшие годы прогнозируется усиленная разработка и реализация новых, прорывных решений, которые могут кардинально изменить технологический уклад отрасли.
В области авиаконструирования уже происходят революционные изменения, связанные с созданием и внедрением новых технологий, способных коренным образом изменить облик перспективных воздушных судов, их возможности и технические характеристики. К основным из них следует отнести такие направления, как: создание более/полностью электрического самолета (БЭС/ПЭС), использование в конструкции планера, двигателя и основных систем новых, в первую очередь, композитных материалов, широкое внедрение цифрового проектирования, элементов искусственного интеллекта в программное обеспечение бортовых систем и комплексов, использование альтернативных видов топлива и т. д.
Нашей стране нужны новые перспективные воздушные суда (ВС) – с меньшим расходом топлива, менее шумные, более комфортабельные, экологичные, высокоскоростные. Конечно же они должны быть высоконадежные и безопасные. Убежден, что авиационной промышленности России необходимы действенные управленческие и технологические инструменты для скачка в развитии, сопоставимого с переходом от поршневой к реактивной авиации. И создание БЭС/ПЭС – одно из наиболее очевидных направлений такого прорыва.
В настоящее время элементы БЭС уже реализованы в той или иной мере в конструкции ряда зарубежных ВС военного и гражданского назначения, в том числе в новейших Airbus А350 и Boeing 787.
Передовая электрическая архитектура этих ВС предусматривает отказ отбора сжатого воздуха от двигателя, запуск двигателя от генератора ВСУ, работу электроприводов насосов гидравлической системы, внедрение ряда высокоэффективных электрических систем. Впервые на коммерческих ВС использованы: напряжение 235V, электромеханическая архитектура в системе управления самолетом, электронные устройства на твердотельных элементах.
Новые технологии существенно повысили критерии эффективности самолета Boeing 787: на 20% снижен расход топлива и уровень СО2, на 60% меньше зона распространения шума в районе аэродрома по сравнению с Boeing 767, на 28% меньше выброс NOx по сравнению с уровнем ограничений от 2008 г. Эти результаты сразу же повысили коммерческую привлекательность нового самолета и перспективы его многолетней эксплуатации.
Пока в мире нет ВС, которые бы в полной мере удовлетворяли требованиям БЭС и, тем более, ПЭС. Однако, на примере Boeing 787 и Airbus А350 хорошо просматривается тенденция расширения использования электрических устройств как в основных системах ВС, так и в системах управления авиадвигателем. Зарубежные разработчики активно работают над созданием адаптивной «умной» системы обеспечения электрической энергией ВС и всех его систем. Речь идет об оптимальной интеграции самолета, двигателя и бортового оборудования, создании и внедрении новых высокопроизводительных систем обеспечения электропитанием, терморегулирования топлива, новых эффективных электроприводов, перспективного электрического шасси и т. д.
Создание и развитие «электрических» технологий связано с разработкой новых компонентов авиационного оборудования, значительным увеличением электрического потребления системами самолета и, как следствие, существенным увеличением мощности основных и вспомогательных источников тока, изменения видов и величин питающих напряжений.
Вместе с тем внедрение БЭС/ПЭС предполагает необходимость решения значительного количества сопутствующих технологических проблем: хранение энергии на борту, передача и доведение ее до двигателя, доработка бортовых систем с учетом того, что основным источником энергии будет не газотурбинный двигатель, а источник питания и т. д. Все они взаимозависимы. Поэтому важно на основе системного подхода найти действенные пути решения этих проблем в отечественном авиастроении.
Например, в современных условиях создать и хранить необходимый запас энергии на борту ВС возможно пока, в первую очередь, за счет увеличения количества аккумуляторных батарей максимальной мощности, что влечет за собой существенное повышение весовых характеристик воздушного судна. Компенсировать это возможно за счет более широкого использования конструкционных композиционных материалов (композитов) нового поколения. При этом будут улучшены функциональные свойства летательного аппарата, снижен его вес на 20-40% с сохранением оптимального баланса между прочностью и весом. В отношении использования композиционных материалов и наш новый магистральный самолет МС-21 также следует рассматривать в одном ряду с лучшими авиалайнерами зарубежного производства.
Если углубляться в тему, то металлические композиционные материалы, обладающие высокой жаропрочностью, могут использоваться для создания деталей двигателей нового поколения: сопловых лопаток и створок регулируемого сопла. Керамические композиционные материалы применяются для изготовления теплонагруженных поверхностей носовой части фюзеляжа и передней части крыла высокоскоростных летательных аппаратов.
Информкомпозиты с сенсорными элементами позволяют отслеживать критические деформации конструкций, снижая затраты на диагностику, технический осмотр и ремонтные работы.
Большие революционные изменения в последние годы происходят и в области производства авиационной техники. Они связаны с созданием и расширяющимся применением новых технологий, способных коренным образом изменить качественные показателей выпускаемых изделий, всю структуру и условия производства в направлении повышения его эффективности. Мне представляется, что комплекс этих вопросов является предметом отдельного разговора, в том числе в журнале «АвиаСоюз».
Хотел бы отметить важность цифровой трансформации процесса создания авиационной техники, которая является не просто модным трендом, а кардинальным изменением базовых подходов в авиастроении. Речь идет о комплексном изменении всех взаимосвязанных решений по всем этапам жизненного цикла ВС – от замысла конструктора до разработки документации, испытаний, запуска в серийное производство, поддержки эксплуатации воздушного судна.
Здесь надо различать понятия цифровизации (компьютеризации, автоматизации) и цифровой трансформации. Если первое понятие – это решение существовавших ранее задач с применением средств автоматизации, то второе – перестройка самих задач, внедрение в процесс создания самолета новых, ранее не существовавших технологий.
Примером цифровой трансформации является создание «цифрового двойника» ВС – виртуального объекта, на котором можно промоделировать поведение реального самолета (вертолета) «в железе» или его отдельной системы, выявить первопричину отказа, проверить сценарий поведения в нештатной ситуации или сократить время обслуживания самолета в аэропорту. Это – не применение компьютеров для оптимизации существующей технологии, а создание новой технологии. О важности этого направления свидетельствует то, что вопрос «цифровых двойников» был рассмотрен на заседании коллегии Военно-промышленной комиссии Российской Федерации в мае 2021 г.
Или, например, внедрение «промышленного интернета вещей», виртуальной и дополненной реальности в процессы эксплуатации – это новый, ранее не существовавший процесс, позволяющий не экипажу ВС выявлять отказы и элементы конструкции, требующие его вмешательства, а самой конструкции информировать экипаж о необходимости выполнить те или иные работы, указать ему зоны доступа и выдавать на удобные устройства отображения необходимые технологические сведения. Это новый процесс, которого раньше не было. Он строится на стыке нескольких дисциплин.
Значительное внимание в мире в последние годы уделяется технологиям искусственного интеллекта (ИИ), применяемого как в комплексе авионики ВС, так и в обеспечивающих задачах создания авиационной техники. Главная задача ИИ – обеспечение повышения безопасности полетов.
По прогнозам специалистов, уже в течение ближайших 10-15 лет ИИ сможет в значительной степени выполнять функции, свойственные экипажу. И это чрезвычайно важно с учетом того, что по результатам расследования авиационных происшествий (АП), произошедших в мировой авиации за последние годы, в подавляющем большинстве основной причиной авиапроисшествий является пресловутый «человеческий фактор», в том числе ошибки, допускаемые экипажами ВС при попадании в сложные условия обстановки.
Оснащение ИИ заранее заложенными правилами позволит обеспечить более высокий уровень безопасности. В частности, компьютерная программа беспрепятственно сможет произвести посадку самолета в аэропорту в сложных метеорологических условиях, обеспечить безопасность полета в случае возникновения какого-либо технического отказа, обойти штормовой фронт в случае непогоды. Эти частные примеры не более чем демонстрация самых простых возможностей ИИ при внедрении его в сферу авиации. Однако, существуют и другие, более сложные задачи, например, управление боевыми самолетами в беспилотном режиме, тестовые испытания новой воздушной техники и т. д.
В настоящий момент работа в этом направлении в мировой авиации ведется весьма активно. Участвует в этом и наша страна. Так, на упомянутом выше заседании коллегии Военно-промышленной комиссии Российской Федерации создано новое приоритетное технологическое направления «Искусственный интеллект» и утвержден его руководитель.
Перспективные прорывные направления и технологии открывают массу новых возможностей и перспектив. Учитывая повышенные требования к обеспечению безопасности полетов, подобные изменения в авиастроении внедряются постепенно и очень осторожно. Слишком велика ответственность и цена ошибки.
С учетом этого научно-исследовательским и конструкторским организациям авиационной промышленности и воздушного транспорта необходимо последовательно и всесторонне изучать прорывные решения и новые технологические подходы, практику их применения в других отраслях, где возможные побочные эффекты применения технологии не столь критичны, стараться отрабатывать их в пилотных задачах. И только после уверенности и в эффективности, и в безопасности технологии она должна выводиться на уровень промышленного внедрения.
Важное значение имеет и дальнейшее развитие существующих технологий. Наверное, неправильно говорить, что «мы полностью овладели той или иной технологией и владеем ею в совершенстве». Такое состояние бывает крайне редко. Например, на наших предприятиях технология создания трехмерного электронного макета внедрена в середине 1990-х гг., в этой технологии разработано не одно воздушное судно. При этом объем новых требований к программному обеспечению, методическим решениям, нормативной базе с каждым годом только растет. И так по всем технологиям – требуется их непрерывное совершенствование.
В мире сейчас активно обсуждаются вопросы, связанные с «информационным взрывом» – лавинообразным увеличением объемов информации. Результаты исследований показывают, что человеком используется не более 3% потенциально полезной информации. Интеллектуальный капитал является основой коммерческой и профессиональной успешности организации. Пока знания отдельных сотрудников не становятся доступными другим, они являются только их личным интеллектуальным капиталом. Он должен быть выведен на общекорпоративный уровень и стать достоянием всей компании. И это возможно в условиях внедрения технологий цифровизации. Эффективное управление знаниями в этих условиях является неоспоримым конкурентным преимуществом.
Для того, чтобы управлять знаниями, разрабатывать и реализовывать в проектах и «железе» новые прорывные организационные и технологические решения, несомненно, отрасли нужны достаточное количество высокоподготовленных специалистов. В целях подготовки «цифровых» и прочих технологически продвинутых авиационных специалистов чрезвычайно важно уже сейчас закладывать в учебные программы вузов и программы повышения квалификации учебных авиационных центров материалы и методики, раскрывающие суть, перспективы и возможности использования в жизненном цикле авиационной техники прорывных технологий.
На управленческом уровне отрасли требуется новая научно обоснованная организация управления, основанная на цифровой трансформации отжившей старой модели управления и изменении логики сознания, понимании объективной необходимости назревших реформ у всех участников процесса создания перспективной авиационной техники.
На первом этапе для организации этих работ следует подготовить программный документ, который бы учитывал на концептуальном уровне цели, задачи, приоритетные направления инновационной деятельности, все факторы и взаимосвязи элементов – от подготовки кадров, изменений нормативной правовой базы до создания конечного продукта, а также просчитывал возможные риски. В этой связи было бы правильным, чтобы ФГБУ «НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского» поработал в этом направлении и представил в коллегию Военно-промышленной комиссии Российской Федерации свои согласованные предложения. Это стало бы основой для разработки целевой комплексной программы трансформации отрасли, содержащей уже конкретные научно-технические мероприятия и конкретные результаты работы.
Вопросы трансформации авиационной отрасли находятся в сфере пристального внимания и ответственности коллегии Военно-промышленной комиссии РФ, в том числе ее Совета по авиастроению. 23 июня 2021 г. в формате видеоконференции было проведено заседание Совета, в ходе которого рассмотрены вопросы создания перспективного авиационного комплекса ВТА и ход разработки двигателя ПД-35, в том числе на основе использования «электрических» и «цифровых» технологий. По результатам заседания даны соответствующие поручения.
В планах работы Совета, наряду с иными актуальными вопросами, предусмотрено рассмотрение тем по разработке и внедрению в создание перспективной авиационной техники других новых прогрессивных технологий.
Эту статью рассматриваю как постановочную. Надеюсь, что по традиции коллеги поддержат меня как материалами в журнале «АвиаСоюз», так и в практической деятельности при решении актуальной задачи создания перспективной и конкурентоспособной отечественной авиационной техники.
Желаю участникам XV Международного авиационно-космического салона МАКС 2021 плодотворной работы, а гостям – интересных и зрелищных впечатлений от знакомства с новейшими достижениями авиационно-космической техники!