Загрузить - Авиационная мобильность и авиационные технологии
advertisement
Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 1 ФОРСАЙТ РАЗВИТИЯ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ ДО 2030 ГОДА и дальнейшую перспективу 2012 Страница 1 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 2 СОДЕРЖАНИЕ ОБЩАЯ ЧАСТЬ 1. 2. ОБОСНОВАНИЕ ДОКУМЕНТА ВВЕДЕНИЕ a. РОЛЬ АВИАЦИИ И АВИАСТРОЕНИЯ b. МИССИЯ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ c. РОЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ d. ФОРСАЙТ e. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ФОРСАЙТА f. ГОРИЗОНТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ g. МЕТОДОЛОГИЯ 3. ПРОГНОЗ АВИАЦИОННЫХ ПЕРЕВОЗОК a. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА АВИАПЕРЕВОЗКИ i. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКТОР ii. ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКТОР iii. ФАКТОР ГЛОБАЛИЗАЦИИ iv. ФАКТОР ЛИБЕРАЛИЗАЦИИ АВИАПЕРЕВОЗОК b. ДЖОКЕРЫ 4. ИНФРАСТРУКТУРА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ a. ОрВД b. АЭРОПОРТЫ c. БЕЗАЭРОДРОМНОЕ БАЗИРОВАНИЕ d. КОНЦЕПЦИЯ ДОЗАПРАВКИ В ВОЗДУХЕ 5. ПРОГНОЗ РЫНКА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАТЕХНИКИ a. РЫНОК САМОЛЕТОВ i. РЫНОК МАГИСТРАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ ii. РЫНОК ДЕЛОВЫХ РЕАКТИВНЫХ САМОЛЕТОВ (БИЗНЕС-ДЖЕТОВ) iii. НОВЫЕ ТИПЫ ГРАЖДАНСКИХ САМОЛЕТОВ b. РЫНОК ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА i. НОВЫЕ ТИПЫ ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА 6. АВИАЦИЯ и ЭКОЛОГИЯ 7. АВИАЦИЯ и ЭНЕРГЕТИКА 8. РАЗВИТИЕ ТРЕБОВАНИЙ ИКАО a. БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ b. АВИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ c. ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ i. ЭМИССИЯ ii. ШУМ 9. ПЛАНЫ ЛИДЕРОВ МИРОВОГО АВИАСТРОЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ АВИАТЕХНИКИ a. САМОЛЕТЫ b. ВИНТОКРЫЛЫЕ ЛА 10. ЦЕЛИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ 11. ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА Страница 2 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 3 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1. РАЗВИТИЕ ОБЛИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 2. РАЗВИТИЕ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК a. ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ b. ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ САМОЛЕТОВ c. ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА (ВКЛА) d. АВИАЦИОННЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ e. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГТД f. ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛА g. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ H. НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ДИАГНОСТИКА АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 3. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 4. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 5. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННОГО БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 6. АВИАЦИОННЫЕ АГРЕГАТЫ 7. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛА 8. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ИСПЫТАНИЙ, СЕРТИФИКАЦИИ И ПОДДЕРЖКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЛА 73 a. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ b. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АЭРОАКУСТИКИ c. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОЧНОСТИ d. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ НАЗЕМНО-ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛА e. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ СЕРТИФИКАЦИИ ЛА f. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННОЙ ИТ-ИНФРАСТРУКТУРЫ g. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ h. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АЭРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ (ПЕТРОНЕВИЧ) i. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ (ПРЕДЛОЖЕНИЕ МАИ) j. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ (ЛИИ) k. РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ (НИАТ ) 9. КОНЦЕПЦИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГРАЖДАНСКИХ ЛА 10. «ДОРОЖНАЯ КАРТА» РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ 11. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ Страница 3 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ВСТУПЛЕНИЕ Со времени первых полетов братьев Райт прошло почти 110 лет и, оглядываясь назад на развитие мировой авиации за этот период, невозможно не поражаться стремительности прогресса в этой сравнительно молодой отрасли. За это время сменилось пять поколений гражданских реактивных самолетов. Освоены скорости полета гражданских самолетов, достигающие 2500 км/ч, авиапромышленность производит воздушные суда, способные перевозить более 850 пассажиров на расстояние 15 тысяч километров, существенно возросли не только количественные, но и качественные показатели авиационной техники, за последние 40 лет самолеты стали на 70% более эффективными и на 75% менее шумными. Существенно повысился уровень безопасности полетов гражданских воздушных судов. Авиация является сегодня, пожалуй, самым безопасным массовым видом транспорта. Бурное развитие гражданской авиации после Второй Мировой Войны без преувеличения произвело революцию в жизни людей, одновременно радикально расширив границы мобильности граждан и сделав мир «более тесным». В 2010 году мировые авиакомпании перевезли около 2.5 миллиардов человек, т.е. более трети жителей планеты. Гражданская авиация превратилась в мощную отрасль экономики, обеспечивающую 2,2 трл. долларов мирового ВВП и дающую занятость 56 млн человек по всему миру. Для России поддержание достойного уровня развития авиатранспорта является не только вопросом государственного престижа, но и объективной необходимостью. Географические особенности нашей страны не оставляют России другого выбора, кроме как обладать мощной гражданской авиацией, способной выполнять задачи интеграции обширной территории государства. Необходимо существенно повысить уровень мобильности российских граждан, который пока уступает показателям развитых стран. Существенная роль при этом нужно отводить местным и региональным перевозкам. При этом возможность развивать собственную авиацию становится привилегий лишь немногих, наиболее развитых государств и регионов. Наша страна занимала лидирующие позиции в этой сфере, в советский период уровень выпуска гражданской авиатехники обеспечивал не только внутренние потребности, 4 но и позволял осуществлять экспортные поставки. 26% процентов мирового парка гражданской авиации составляли воздушные суда, произведенные в нашей стране. Сейчас государством поставлена стратегическая задача вернуть российской авиационной промышленности, утраченные за последние годы рубежи, заняв в 2020-2025 годах 10-15 процентов мирового рынка продаж гражданских воздушных судов и вновь вывести Россию в лидеры мирового авиастроения. Авиация является чрезвычайно наукоемкой отраслью, успех развития которой во многом определяется уровнем знаний в самых различных научных областях. Истоки авиационной науки уходят своими корнями в конец XIX века, ее основоположником в нашей стране был великий русский ученый Н.Е. Жуковский. Качественный прогресс авиатехники – в значительной мере заслуга ученых-авиаторов, которые постоянно ведут поиск новых решений, создавая научно-технический задел, составляющий основу новой техники. Именно высокий уровень авиационной науки позволил нашей стране стать ведущий авиационной державой. Сегодня в условиях растущей глобальной конкуренции, необходимости совершенствования российской авиатранспортной системы, кардинального повышения уровня безопасности полетов, экологичности, экономичности воздушных судов и доступности авиатранспорта, на авиационную науку ложится важнейшая задача обеспечения конкурентоспособности российского авиапрома в свете задач модернизации страны. Данный документ подготовлен в рамках нового подхода к формированию научнотехнического задела в области авиации, предусмотренного Национальным планом развития авиационной науки и технологий до 2025. Он составлен ведущими российскими авиационными научно-исследовательскими институтами и призван дать ответ на вопрос о том, каков будущий вклад отечественной авиационной науки в достижение поставленных целей, развитие авиационных технологий и в обеспечение лидирующих позиций России в авиастроении. Страница 4 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ОБОСНОВАНИЕ ДОКУМЕНТА Данный форсайт подготовлен в рамках мероприятий по разработке «Национального плана развития науки и технологий в авиастроении на период до 2025 года и дальнейшую перспективу» (далее Национальный план) во исполнение Протокола № 1 совещания Министерства промышленности и торговли Российской Федерации от 28 июня 2011 года. Документ подготовлен научными организациями авиационной отрасли (ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИАС, ГкНИПАС, СибНИА, ЛИИ, ВИАМ, ГосНИИ ГА, НИИСУ, НИИАО, НИАТ) с использованием методологии, разработанной в сотрудничестве с международным научно-образовательным центром форсайт-исследований ИСИЭЗ НИУ «Высшая школа экономики» и адаптированной для проведения форсайт-исследования в области авиационной науки и технологий. При составлении «Форсайта развития авиационной науки и технологий до 2030 года и дальнейшую перспективу» учитывались следующие документы государственного планирования: Концепция долгосрочного социальноэкономического развития РФ на период до 2020 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.11.2008 г. № 1662-р) Стратегия национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года (утверждена Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 г. № 537) - Стратегия инновационного развития Российской Федерации до 2020 года (Утверждена распоряжением Правительства РФ от 8 декабря 2011 г. № 2227-р) - Транспортная стратегия российской федерации на период до 2030 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р) - Энергетическая стратегия России до 2030 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р) 5 Федерации (утверждены указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899) - Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (утверждены Президентом РФ в апреле 2012 г.) - Экологическая доктрина РФ (одобрена распоряжением Правительства РФ от 31 августа 2002 г. № 1225-р) - Климатическая доктрина Российской Федерации (одобрена распоряжением Президента РФ от 17 декабря 2009 г. N 861-рп) - Основы государственной политики Российской Федерации в области авиационной деятельности на период до 2020 года (утверждены Президентом Российской Федерации 1 апреля 2012 года) Стратегия развития авиационной промышленности РФ на период до 2015 года (утверждена приказом Минпромэнерго России от 20 апреля 2006 года № 85) Концепция развития аэродромной (аэропортовой) сети РФ на период до 2020 года (утверждена Приказом Министерства транспорта Российской Федерации и Министра обороны Российской Федерации от 29 мая 2008 г. №003/0021) Концепция создания и развития Аэронавигационной системы России (одобрена Правительством Российской Федерации 4 октября 2006 г.) - Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу (утверждены Президентом РФ в январе 2012 г) - Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечень критических технологий Российской Страница 5 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 6 ОБЩАЯ ЧАСТЬ Страница 6 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года РОЛЬ АВИАЦИИ И АВИАСТРОЕНИЯ За последние сто с лишним лет мировая гражданская авиация прошла огромный путь развития, превратившись в крупную отрасль, которая позволяет достичь высокого уровня мобильности граждан и оказывает существенное влияние на экономику. В 2010 г. мировые авиакомпании перевезли около 2.5 млрд. человек, а пассажирооборот приблизился к 5 трл. пкм. По данным АТАG, на сегодняшний день мировой парк гражданских воздушных судов составляет порядка 24 тыс. единиц, эксплуатирующихся более чем 1500 авиакомпаний. Авиакомпании создают $539 млрд долларов мирового валового внутреннего продукта в год. Если сравнивать мировую гражданскую авиацию со страной, то она бы находилась на 19 месте в мире по объему ВВП. При этом общий экономический эффект от гражданской авиации в мире оценивается в 2,2 трлн долларов, что составляет около 3,5% мирового ВВП. На мировом воздушном транспорте непосредственно занято 8,4 млн. человек, а, по оценками, всего в мире от авиации зависят 56,6 млн рабочих мест. В 2010 году по воздуху было перевезено 48 млн тонн грузов стоимостью 5,3 трлн. долларов. В мировой торговле воздушный транспорт занимает лишь 0,5% по объему перевезенных грузов, однако их стоимость составляет почти 35% от стоимости всех перевезенных грузов. В 2011 году услугами отечественного авиатранспортного комплекса воспользовались более 112 миллионов российских и зарубежных граждан. Только российскими авиапредприятиями было перевезено более 64 млн. пассажиров, по данным на 2009 год на воздушном транспорте было занято почти 114 тыс. человек. 7 По данным Росавиации, по итогам 2011 года пассажирооборот превысил значения 166 млрд. пассажирокилометров и превысил этот показатель, достигнутый в СССР в 1990 году. В 2011 году было перевезено почти 981 тыс. тонн грузов и почты, грузооборот составил более 4,9 млрд. т-км. В 2010 году воздушный транспорт более чем на 30% превысил пассажирооборот железнодорожного транспорта в дальнем сообщении, хотя в 2000 году уступал ему более чем в 2 раза. По итогам 2011 года пассажирооборот воздушного транспорта в дальнем сообщении был больше, чем железнодорожного уже в 1,5 раза. Для нашей страны роль воздушного транспорта невозможно переоценить. Авиация выполняет важную функцию интегратора государства. В таких регионах, как Крайний Север, Сибирь, северо-восточная и островная часть Дальнего Востока, она является приоритетным магистральным видом транспорта, обеспечивающим связь с остальной территорией страны. Учитывая протяженность территории России более 4 тыс. км с севера на юг и почти 10 тыс. км с запада на восток, а также недостаточную разветвленность авто- и железнодорожной инфраструктуры, магистральная и региональная авиация позволяют обеспечить быстрое и безопасное сообщение даже с самыми удаленными уголками страны. Учитывая, что более 60% территории Российской Федерации относится к регионам Крайнего Севера и приравненным к ним местностям, авиация, зачастую, является единственным средством обеспечения транспортной доступности. Авиации, адаптированной к неблагоприятным климатическим условиям, отводится ведущая роль в освоении этих регионов, а также в обеспечении экономических интересов России в Арктике. районы Крайнего Севера местности, приравненные к районам Крайнего Севера В Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 указывается, что стратегической целью развития авиационного транспорта является удовлетворение потребностей инновационного Страница 7 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 8 социально ориентированного развития экономики и общества в конкурентоспособных качественных транспортных услугах. В этой связи авиации отводится важная социальная роль по повышению мобильности населения, которая отражает общий уровень благосостояния граждан. Государством ставится задача до 2030 года повысить мобильности населения до 13,2 тыс. км на 1 человека в год (в развитых странах этот показатель уже превышает 10 тыс. км). объективной необходимостью, одним важнейших условий обеспечения безопасности, социально-экономического инновационного развития. Уровень мобильности также может быть выражен в среднем количестве авиаперелетов, совершаемых одним жителем страны за год. Согласно статистическим данным, в 2008 году в РФ этот показатель составил 0,31. Между тем, в Европе он достигает 1,2, в США – 2,5. Государство ставит задачу довести коэффициент авиационной мобильность населения РФ к 2020 г. до 0,9–1,0, а к 2030 г. — 1,7. Авиационная промышленность оказывает мультипликативный эффект на экономику страны и положительно влияет на другие отрасли, позволяет интеллектуализировать структуру ВВП. В развитых странах значительная часть промышленности ориентируется на авиационные стандарты. Стабильная работа авиапромышленности создает предпосылки для сохранения и развития целого ряда других высокотехнологичных отраслей промышленности. В Основах государственной политики РФ в области авиационной деятельности до 2020 года авиационной промышленности отводится ведущая роль, как одной из наиболее наукоемких и технологически сложных отраслей, в решении задач модернизации экономики и перевода ее на инновационный путь развития. Государственные интересы Российской Федерации в области авиационной деятельности предусматривают сохранение за РФ статуса мировой авиационной державы; поддержание научно-исследовательского, технического, производственно-технологического и кадрового потенциалов на уровне, обеспечивающем эффективную авиационную деятельность в Российской Федерации; поддержание качества отечественной авиационной техники на уровне, обеспечивающем ее конкурентоспособность на мировом рынке. Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года ставит амбициозные, но достижимые цели долгосрочного развития, заключающиеся в обеспечении высокого уровня благосостояния населения и закреплении геополитической роли страны как одного из лидеров, определяющих мировую политическую повестку дня. В этой связи наличие мощного авиационного потенциала и рациональное его использование являются для Российской Федерации из ее и По данным Минпромторга, российское авиастроение (гражданское и военное) объединяет 214 предприятий, на которых занято около 411 тыс. человек, в 2010 году общая выручка в отрасли от продаж авиационной продукции составила около 505 млрд.руб. Важнейшая социальная функция авиапромышленности и ее смежных отраслей заключается также в создании и сохранении высококвалифицированных рабочих мест в научно-исследовательских институтах, конструкторских бюро, на производстве, в ВУЗах и техникумах. Развитие авиации и авиастроения отражает общий уровень развития экономики и науки государства. В Концепции социальноэкономического развития Российской Федерации до 2020 года (Концепция-2020), а также других стратегических государственных документах, особо подчеркивается необходимость перехода российской экономики на новый, инновационный путь развития и повышения ее конкурентоспособности. Основы государственной политики РФ в области авиационной деятельности до 2020 года предусматривают создание в авиастроении эффективной системы, обеспечивающей передовые разработку и производство воздушных судов, конкурентоспособных и превосходящих по своим летно- техническим и эксплуатационным характеристикам, показателям экономичности, безопасности, комфорта и воздействия на окружающую среду зарубежные аналоги; увеличение объемов производства авиационной техники до уровня, Страница 8 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года обеспечивающего российской авиационной промышленности достижение в 2020-2025 годах 10-15 процентов мирового рынка продаж гражданских воздушных судов (в натуральном выражении). В то время как Россия занимает неплохие позиции в сфере вертолетостроения, заняв в 2011 году 17% мирового рынка по объему продаж вертолетной техники, в гражданском самолетостроении ситуация оставляет желать много лучшего. Доля России в этом сегменте составляет порядка 1%. МИССИЯ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ Стратегия национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года определяет технологическую безопасность страны в качестве одного из приоритетных направлений на среднесрочную перспективу. Приоритетными направлениями государственной политики Российской Федерации в области авиационной деятельности является осуществление мер по исключению критической зависимости Российской Федерации от зарубежных стран в области авиационной деятельности. Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года провозглашает стратегической задачей в части развития науки возвращение России в число ведущих мировых научных держав, создание сектора исследований и разработок, способного проводить фундаментальные и прикладные исследования по актуальным для мировой экономики и науки и приоритетным для России направлениям, востребованные российскими и международными компаниями. Формирование национальной инновационной системы провозглашено государством в качестве важнейшей задачи, являющейся неотъемлемой частью экономической политики государства. Указом президента РФ № 899 от 7 июля 2011 направление «Транспортные и космические системы», включающее в себя авиацию, определено в качестве приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, а «Технологии создания высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем управления новыми видами транспорта», «Технологии создания ракетно-космической и транспортной 9 техники нового поколения» и «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники», названы в качестве критических технологий Российской Федерации. Основы политики РФ в области науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу ставят в качестве стратегической цели выход Российской Федерации к 2020 году на мировой уровень исследований и разработок на направлениях, определенных национальными научнотехнологическими приоритетами, и освоение в Российской Федерации шестого технологического уклада. Государством поставлена задача принципиально изменить стратегическую конкурентную позицию авиапромышленности России на мировом авиарынке, фактически возвратить отрасль на этот глобальный рынок в качестве одного из мировых центров авиастроения. Достижение такого результата на остро конкурентном, олигополистическом, политизированном и – в части гражданской авиатехники - жестко регулируемом нормами, принимаемыми международными и национальными организациями авиарынке требует перманентного «предъявления» на рынок модернизированных и совершенно новых конкурентоспособных продуктов. В этой связи основная цель развития науки и технологий в авиационной промышленности заключается в достижении мирового уровня создаваемой научно-технической продукции и создание постоянно обновляемого научнотехнического задела, который должен стать основой обеспечения конкурентоспособности продуктов отрасли, в том числе вновь создаваемых образцов авиационной техники. Авиационная наука и технологии призваны создать потенциал российского авиастроения по разработке инновационной продукции, закладывая основу для обеспечения конкурентоспособности российской авиационной промышленности в дальнейшей перспективе. Разработка авиационного комплекса, самолета, вертолета или другого ЛА, а также его систем требует до начала рабочего проектирования и серийного производства проведения большого объема научно-исследовательских, опытноконструкторских работ, испытаний и доводки Страница 9 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года изделий. На стадии технических предложений проводится выбор технических решений из имеющегося научно-технического задела (НТЗ). Формирование НТЗ осуществляется научноисследовательскими организациями авиационной отрасли. Эффективность и конкурентоспособность летательной техники зависят в значительной степени от результатов деятельности организаций, создающих научнотехнический задел, формирующих требования к техническому уровню и обеспечивающих научное сопровождение разработки и доводку летательного аппарата. Начиная новую разработку, КБ обращается к институтам за рекомендациями, позволяющими в наиболее полной мере использовать имеющийся научно-технический задел и обеспечить проекту конкурентоспособность к моменту начала эксплуатации. На всех стадиях разработки нового летательного аппарата от формирования технических требований до первого вылета и сертификации научные организации отрасли проводят государственную экспертизу проекта, обеспечивая достоверность получаемых данных и требуемый уровень технического совершенства. Такая форма организации способствует обеспечению требуемого уровня безопасности летательной техники при минимальных затратах. Значительная часть фундаментальных и поисковых исследований научных организаций направлена на дальнюю перспективу, опережающую текущие разработки. Создание научно-технического задела начинается задолго до начала проектирования конкретного объекта и даже задолго до появления технического задания на разработку. Исходным пунктом этого процесса служат поисковые исследования, которые могут привести к новым техническим решениям, технологиям или методам. РОЛЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ Для обеспечения перехода авиационной промышленности к инновационному развитию и достижения поставленных целей необходимо проведение большого комплекса мероприятий, одно из которых – организация эффективного процесса научно-технологического прогнозирования и планирования. 10 На федеральном уровне система прогнозирования и планирования закреплена в качестве одного из основных инструментов разработки долгосрочных стратегических планов и программ. В соответствие с решением Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям от 3 августа 2010 г., протокол № 4 авиапромышленные корпорации с государственным участием, такие как «Объединенная авиастроительная корпорация (ОАК)», «Вертолеты России», «Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК)», ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение (ТРВ)», Концерн «Авиационное оборудование», Концерн «Авиаприборостроение» разработали собственные программы и стратегии инновационного развития. Авиационной науке, которая создает научнотехнологический базис для разработки авиационной техники, также необходимо опираться на прочный фундамент прогнозирования и планирования с тем, чтобы процесс научных поисков носил целенаправленный и обоснованный характер. Достижение конкурентоспособности научного комплекса в мировом масштабе требует решения целого ряда задач, включая развитие механизмов и инструментов координации и взаимодействия всех участников инновационного процесса. В Основах политики РФ в области науки и технологий на период до 2020 года и дальнейшую перспективу система стратегического планирования в Российской Федерации провозглашается фактором, способствующими достижению стратегической цели государственной политики в области развития науки и технологий. Предполается регулярное обновление (корректировка) долгосрочных стратегических прогнозов и сценариев развития науки, технологий и техники, концептуальных и программных документов стратегического планирования в области развития науки и технологий. В этом контексте 28 июня 2011 года в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации был принят Протокол N1 «О разработке Национального плана развития науки и технологий в авиастроении на период до 2025 года и дальнейшую перспективу», частью которого должен стать данный «Форсайт развития авиационной науки и технологий». Страница 10 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ФОРСАЙТ Форсайт, используемый во многих странах мира, представляет адекватную методологию реализации задач прогнозирования, являясь упорядоченным процессом формирования видения возможного будущего. Методология форсайта не просто направлена на констатацию направлений развития отдельного сегмента науки, промышленности или бизнеса, а подразумевает увязку направлений развития с более глобальными тенденциями. Методология форсайтов используется в научнотехнологическом прогнозировании за рубежом. В качестве наиболее значимых примеров можно назвать Технологический форсайт Японии, Национальный технологический форсайт Китая, Форсайт «Корея-2030», Форсайт в Германии, проводившийся Центром исследования политики (BMBF), ряд форсайт-проектов Великобритании, форсайт «Глобальная технологическая революция: 2020», организованный американской корпорацией RAND. Форсайтисследования поддерживаются в европейских Рамочных программах (FP), в частности одним из проектов FP7 является создание Европейской форсайт-платформы (European Foresight Platform). Недавним примером использования форсайта в авиации является документ Flying in 2050, подготовленный форсайт-группой французской Воздушно-космической академией, который рассматривает будущее мировой и европейской авиационной системы до 2050 года. Одним из методов форсайта, широко применяемым на практике является так называемая «дорожная карта». Она позволяет наглядно с привязкой к временной шкале представить решения, которые необходимо разработать для достижения к определенному времени поставленных целей. 11 - Sustainable Aviation CO2 Roadmap, 2008 - Australian Sustainable Aviation Fuel Road, 2011 - Technology Roadmap for Composites in the Aerospace Industry, 2006, Great Britain - Roadmap Report Concerning the Use of Nanomaterials in the Aeronautics Sector, 2006, EU и другие Есть примеры применения метода дорожных карт и в России. Дорожные карты разрабатывались НИУ ВШЭ в рамках подготовки «Долгосрочного прогноза научнотехнологического развития Российской Федерации до 2030 г.» С 2008 г. на базе форсайт-центра Высшей школы экономики по заказу ОАО «Роснано» реализуется проект по созданию системы дорожных карт развития нанотехнологий. В рамках разработки программ инновационного развития для крупнейших российских корпораций (ОАО «РАО ЭС Востока» и ряда других) сформированы дорожные карты инновационного развития на период до 2020 г. ПРЕДМЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ФОРСАЙТА Предметная область данного форсайта ограничена авиационной техникой гражданского назначения. Гражданский рынок, в отличие от военного, находится в гораздо меньшей зависимости от политических факторов, а в условиях глобализации становится все более конкурентно напряженным вследствие появления новых игроков. В условиях нарастающей конкуренции лидерство завоевывают те страны-производители авиационной техники, которые сумели обеспечить у себя наиболее высокий уровень развития авиационной науки и технологий. Стратегия инновационного развития РФ на период до 2020 года предусматривает формирование планов развития (дорожных карт) важнейших технологий с определением мер поддержки и необходимой степени международной кооперации при их создании. Процесс создания гражданской авиационной техники представляет собой сложную систему, охватывающую множество видов деятельности, включая научный поиск и разработку новых технологий, проектирование, стендовые и летные испытания, производство, сертификацию и сопровождение эксплуатации изделий авиационной техники. За рубежом дорожные карты используются в том числе и применительно к авиационной промышленности: - Global Aviation safety roadmap, 1999, ICAO - The IATA Technology Roadmap Report, May 2009. Данный документ не ставит своей целью охватить всю эту систему и сфокусирован на аспектах, входящих в область компетенций авиационных научных организаций, являющихся авторами данного форсайта. Страница 11 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ГОРИЗОНТ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ В соответствие с методологией форсайта, который должен отвечать задачам долгосрочного прогнозирования, горизонт данного форсайта охватывает период до 2030 года. По данным Airbus, процесс создания нового самолета занимает порядка 10 лет, включая время, необходимое для отработки используемых инновационных технологий. Срок службы гражданского самолета составляет около 20 лет, а вся продолжительность программы занимает примерно 40 лет. С этой связи не следует ожидать, что в прогнозируемый период произойдет заметное качественное изменение воздушных судов, составляющих мировой парк гражданской авиации. Важным является, то, что в этот период должны накопиться новые знания, сформироваться технологии для ЛА новых поколений, отвечающих перспективным требованиям. МЕТОДОЛОГИЯ Форсайт представляет собой систематический, партисипативный, ориентированный на разработку политики процесс, который направлен на активное вовлечение широкого круга заинтересованных сторон в совместное исследование возможных путей достижения желаемого будущего в технологической, экономической, экологической, политической, социальной и этической сферах. Данный форсайт состоит из двух частей – общей и технической. ОБЩАЯ ЧАСТЬ Методология форсайта подразумевает рассмотрение предметной области не изолированно, а в контексте внешних факторов, которые могут существенно влиять на ее развитие. Выделение таких факторов, а также анализ их наиболее вероятного развития в прогнозный период с формированием сценария будущего, в рамках которого с большой долей вероятности будет происходить развитие предметной области, является важнейшей частью форсайт-исследования. При этом развитие факторов приводится как на национальном, так и на международном уровне. 12 Развитие гражданской авиатехники с точки зрения совершенствования летательных аппаратов и создание новых их типов, происходит под влиянием целого ряда факторов, среди которых можно выделить следующие: рыночные требования потребителей авиатехники, которыми в большинстве случаев являются авиакомпании; факторы, связанные с конкурентной борьбой, а также нормативно-законодательные требования международных и национальных органов, осуществляющих надзор за авиационной деятельностью. В свою очередь требования потребителей авиатехники напрямую зависят от конъюнктуры рынка авиаперевозок. Именно постоянно растущий спрос на авиаперевозки в значительной мере предопределил бурное развитие гражданской авиатехники в период после Второй мировой войны с появлением новых, более совершенных типов летательных аппаратов. Спрос на авиаперевозки также находится в зависимости от ряда внешних факторов, развитие которых за период горизонта форсайта рассмотрено в разделе «Прогноз авиационных перевозок». Прогнозу рынка основных типов гражданской авиатехники, определяемого прогнозируемым объемом перевозок, посвящен раздел «Прогноз рынка гражданской авиатехники». В этом разделе также приведены новые типы техники, появление которых можно ожидать в прогнозный период в связи с наличием спроса на них. Можно выделить и другие глобальные факторы, которые оказывают влияние на развитие гражданской авиатехники. Например, в свете роста цен на нефть, а также истощения ее запасов вопросы обеспечения гражданской авиации топливом в 20-летней перспективе приобретают важное значение. Кроме того, все более актуальной в последнее время становится тематика защиты окружающей среды. Экологическая политика на международном и национальном уровне накладывает требования и ограничения на развитие авиации. Тенденции, существующие в этих сферах применительно к авиации, рассмотрены в соответствующих разделах документа. Важной частью форсайта является прогноз конкурентных требований, которые будут предъявляться к будущим продуктам. Для завоевания значительной доли рынка Страница 12 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года отечественным авиапроизводителям придется вести напряженную конкурентную борьбу с нынешними лидерами мирового авиастроения. В разделе «Стратегические планы лидеров мирового авиастроения» проведен анализ тех целей и задач по совершенствованию гражданских воздушных судов, которые мировые лидеры ставят перед собой в ближней (2015), средней (2020) и долгосрочной перспективе (2030). В разделе «Цели отечественной авиационной науки» на основе рассмотренных на предыдущих этапах тенденций развития внешних факторов делается вывод о целях, стоящих на современном этапе перед отечественной авиационной наукой, достижение которых должно обеспечить конкурентоспособность перспективных отечественных образцов гражданской авиатехники. 13 развития науки и технологий по направлениям своей компетенции (аэродинамика, динамика полета и системы управления, прочность, аэротермодинамика, гидродинамика, авиационные материалы и конструкции, силовые установки, авиационные агрегаты, авионика, наземно-полигонные испытания ЛА и др). В методологии форсайта широко используется метод «дорожной карты», которая в графическом наглядном виде отображает результаты форсайта. Она также представляет собой наглядный план действий, увязанный с временными этапами, которые необходимо реализовать для решения поставленных задач. «Дорожная карта» развития авиационной науки и технологий завершает данный документ. Следует отметить, что некоторые из выделяемых в соответствие с методологией форсайта внешних факторов, оказывающих влияние на предметную область, носят комплексный и глобальный характер и их анализ выходит за рамки данной работы. В качестве источника информации о развитии данных факторов в прогнозный период необходимо пользователь внешними исследованиями. Одной из таких работ является отечественный прогноз, опубликованный в 2011 году Институтом мировой экономики и международных отношений РАН «Стратегический глобальный прогноз 2030» под редакцией академика А.А.Дынкина (далее Прогноз-2030). Его новизна, комплексность, а также совпадение горизонта прогнозирования предопределили целесообразность применение в данном форсайте. ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Представляет собой основной раздел документа, в котором дается описание научных направлений и новых технологий, которые необходимо развивать в обеспечение решения стоящих перед авиационной наукой задач. Авторами данного раздела являются ведущие специалисты авиационных НИИ, которые дали свои прогнозы Страница 13 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 14 ПРОГНОЗ АВИАЦИОННЫХ ПЕРЕВОЗОК Под редакцией ……………… (ГосНИИГА), …….. (ЦАГИ) С 1970 года мировые авиаперевозки, выраженные в пассажирокилометрах, увеличились более чем в 10 раз. В 2010 году мировой пассажиропоток составил более 4,8 трл. пкм. Авиакомпании мира перевезли порядка 2,5 млрд пассажиров. Анализ статистических данных показывает, что различного рода чрезвычайные события, как антропогенного, так и неантропогенного характера способны оказывать негативное влияние на перевозки, однако гражданская авиация имеет тенденцию к быстрому восстановлению, после чего происходит возвращение к тренду роста. За последние 20 лет мировой тренд роста перевозок составил в среднем 5% ежегодно. ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ НА АВИАПЕРЕВОЗКИ Оставляя за рамками рассмотрения неантропогенные события, к которым относятся различного рода природные явления (напр. землетрясения, наводнения, цунами, извержения вулканов), эпидемии (напр. эпидемия атипичной пневнонии), а также возможные техногенные катастрофы (напр. авария на АЭС) и внутривнешнеполитические факторы (военные действия, акты терроризма, санкции и др.), которые способны на определенный более или менее длительный период времени негативно повлиять на гражданские перевозки в каком-либо регионе мира, авторы данного форсайта выделяют следующие основные глобальные внешние факторы, которые оказывают влияние на рынок авиаперевозок: - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКТОР (уровень ВВП и доходов населения) - ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКТОР (в частности уровень урбанизации) - ФАКТОР ГЛОБАЛИЗАЦИИ ФАКТОР ЛИБЕРАЛИЗАЦИИ РЫНКА АВИАПЕРЕВОЗОК ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКТОР Экономическая ситуация оказывает непосредственное влияние на гражданские авиаперевозки. В общемировом масштабе между динамикой ВВП и развитием авиаперевозок отмечается довольно устойчивая корреляция. По статистике, рост авиаперевозок обычно превышает рост ВВП на 1-2 пункта. Страница 14 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 15 В прогнозный период среднегодовые темпы прироста мировой экономики составят 4,3%4,4%. В Прогнозе-2030 отмечается, что в прогнозный период мировая экономика не будет испытывать ограничений роста в связи с нехваткой сырья, рабочей силы, капитала и технологий и в 20112030 гг. среднегодовые темпы ее прироста составят 4,3%-4,4% по сравнению с 3,5% в 20012010 гг. 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1970 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 Пассажирооборот Грузооборот 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 1975 1980 1985 1990 1995 Год 2000 2005 Грузооборот, млрд. ткм Пассажирооборот, млрд. пкм Спад экономики страны незамедлительно сказывается на ее авиационном транспорте. Например, после распада СССР обвал народного хозяйства привел к резкому сокращению пассажиро- и грузооборота и как следствие падению спроса на авиационную технику. 2010 Источник: ГосНИИ ГА, ТКП 100 1.5 Перевезено грузов, тыс. т Перевезено пассажиров, млн. чел. Перевезено пассажиров С величиной ВВП на душу населения неразрывно 80 1.2 Перевезено грузов связан еще один показатель, объективно 60 0.9 характеризующий степень развития 40 0.6 авиаперевозок и мобильность населения количество полетов в год, приходящееся на 20 0.3 одного0 человека. Приведенная зависимость 0.0 1985 1990 2000 2010 показывает, что, 1995 в целом, в 2005 развитых странах с Год высокими значениями душевого ВПП велика так же подвижность населения, а в экономически слабо развитых странах с низкими доходами граждан, невысока также интенсивность авиационных перевозок. В России этот показатель составляет приблизительно 0,3. Ускорению темпов роста в ближайшие 20 лет будут способствовать такие факторы как выход из кризиса 2008-2009 годов и посткризисное восстановление, ускорение научно-технического прогресса, рост доли развивающихся стран в мировом ВВП. Страны с переходной экономикой продемонстрируют чуть более высокие темпы роста, чем мировая экономика в целом. Крупнейшая из переходных экономик – российская – к 2020 г может выйти на 5-е место в мире. Темпы ежегодного прироста ВВП% 2011-2020 Весь мир 4,4 Развитые страны 2,8 Развивающиеся 7,6 страны Страны с переходной 4,6 экономикой Россия 4,0 2021-2030 4,3 2,6 7,5 4,8 4,5 Доля стран в мировом ВВП % 2010 2020 2030 Развитые страны 51,7 44,3 37,7 Развивающиеся 39,0 46,2 52,4 страны Страны с 9,3 9,5 9,9 переходной экономикой Россия 3,7 3,6 3,7 Относительно высокие темпы роста мировой экономики в сочетании с замедлением увеличения численности населения приведут к ускорению роста ВВП на душу населения. В результате мировой ВВП на душу населения в 2030 году по сравнению с 2010 годом возрастет вдвое, а в развивающихся странах и странах с переходной экономикой – в 2,6 раза. В 2030 году 70% населения Земли будет жить в странах со среднедушевым ВВП, превышающим 10 тыс. долларов в год. Для сравнения, в 2010 году в Страница 15 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 16 таких странах проживало менее 30% мирового населения. ВВП на душу населения (по среднегодовому курсу национальных валют к доллару 2009 г), тыс. долларов США 2010 2020 2030 Весь мир 8,8 11,7 16,0 Развитые страны 40,5 50,9 63,8 Развивающиеся 3,0 4,8 7,7 страны Страны с 7,7 11,8 18,3 переходной экономикой Россия 9,0 13,6 21,0 Страница 16 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКТОР Демографическая ситуация оказывает влияние на гражданскую авиацию не только с точки зрения роста (или убыли) населения, но и с точки зрения урбанизации, поскольку по статистике, жители городов имеют больший доход и соответственно чаще пользуются услугами воздушного транспорта. Кроме того, рост городов ведет к образованию в них авиационных «хабов», что стимулирует развитие как пассажирских, так и грузовых перевозок. 26 крупнейших хабов мира с населением более 10 млн. человека обеспечивают более 20% мировых перевозок. 62 аггломерации с население 5 млн человек и более обеспечивают 40% перевозок. За последние 40 лет наибольший рост перевозок происходил на маршрутах, где был хотя бы один хаб. В прогнозный период численность населения приблизится к 8 млрд человек, однако темпы прироста будут падать. По данным Прогноза-2030, в последние десятилетия наблюдается ряд устойчивых тенденций, определяющих глобальные демографические процессы. Современный этап характеризуется существенным снижением темпов прироста мировой численности населения – максимум этих темпов уже пройден. Главной причиной такого тренда стало устойчивое снижение рождаемости как в развитых, так и в развивающихся регионах. Большинство стран мира, в том числе развивающихся, вступили во вторую фазу демографического перехода. Для нее характерно снижение как смертности, так и рождаемости в результате социальных, экономических и культурных изменений. Развитые страны постепенно переходят из второй фазы демографического перехода в третью, которой присущи снижение рождаемости и рост смертности в результате старения. 17 В 2011 г. численность населения Земли превысила 7 млрд. человек. К 2030 г она достигнет около 7,8 млрд человек, увеличение населения будет происходить за счет развивающихся регионов. В 2030 году 35-40% мирового населения будут проживать в Китае и Индии. С 2010 г по 2030 население развитых стран возрастет на 65 млн человек, а стран с развивающейся и переходной экономикой – на 980 млн. человек. В результате доля первых в численности мирового населения снизится с 14,6% до 13,5%, а вторых возрастет с 85,4% до 86,5%. В прогнозный период продолжится процесс интенсивной урбанизации, особенно в развивающихся регионах. В течение XX века мировая численность городских жителей выросла с 220 млн. чел. в 1900 г. до 2,84 млрд. в 2000 г., а уже к 2008 г., впервые в истории человечества, более половины всего населения планеты – 3,3 млрд. человек – стало проживать в городах. Число и доля городских жителей будут продолжать расти быстрыми темпами. Ожидается, что в 2030 г. в городах будут проживать около 4,9 млрд. человек. Доля городского населения в мире к 2030 году достигнет 60%. Число крупных городов, насчитывающих 5-10 млн жителей, увеличится с 30 в 2007 году до более чем 50 в 2030 году, а мегаполисов с населением свыше 10 млн человек – с 19 до 30. Согласно предварительным итогам переписи 2010 года численность населения РФ составила 142,9 млн человек. Из них 74% являются городскими жителями, 26% - сельскими. Согласно переписи, численность городов с население 1 млн человек и выше составила 12. Согласно Прогнозу-2030, население России в прогнозный период несколько сократится из-за низкого уровня рождаемости. Резкий спад будет компенсироваться за счет иммиграции, прежде всего из республик бывшего СССР. Население мира, млн.человек 2010 Весь мир 6787 Развитые страны 1000 Развивающиеся 5309 страны Страны с 478 переходной 2020 7415 1035 5890 2030 7830 1065 6265 490 500 Страница 17 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года экономикой Россия 142,9 139 140 ФАКТОР ГЛОБАЛИЗАЦИИ Глобализационные и интеграционные процессы, которые тесно связаны с политическими факторами, создают предпосылки для роста международных авиаперевозок. 39% всех пассажиров в мире – это пассажиры международных рейсов. 18 По данным Росавиации, в 2011 году в России общий пассажирооборот воздушного транспорта составил 166,8 млрд. пассажирокилометров, из которых 100,4 млрд. пкм (или 60%) пришлись на международное сообщение. В Прогнозе-2030 отмечается, что в 1990-е в связи с обретением США годы статуса единственной сверхдержавы в качестве господствующей мировой идеологии утвердились западные идеи либерализма и в особенности американского его варианта либерального глобализма, распространяемого в мире. Нарастающие дисбалансы данной системы, приведшие в том числе к кризису 2008-2009 годов, тем не менее не поставили под сомнения ее существование. Согласно выводам авторов Прогноза-2030, в прогнозный период идеология глобализации на рыночной основе будет продолжать оставаться ведущим течением в мире. Россия проводит политику встраивания в эту глобальную систему, о чем свидетельствует присоединение нашей страны к ВТО в 2011 году. Развитие отношений между странами, создание ими различных союзов и объединений, открытие границ, отмена таможенных ограничений и виз, вступление в ВТО, заключения различных торговых соглашений, а также соглашений о воздушном транспорте - все это ведет к росту экономической активности, мобильности, в том числе авиационной, граждан с целью трудовой деятельности или туризма, движения грузов по воздуху. Доля международных перевозок, % Примером того, как «открытие границ» влияет на международное сообщение, является ситуация в России в начале 90-х годов, когда на фоне общего сокращения перевозок стало происходить существенное изменение соотношения перевозок пассажиров и грузов на внутренних и международных линиях. 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 1990 Пассажирооборот Грузооборот 1995 2000 Год 2005 2010 Источник: ГосНИИ ГА, ТКП Грузооборот 0% -5% -10% -8.3% -3.6% 5% 10.4% 7.8% 10% 30.8% 32.5% 20% 20.4% 14.2% Пассажирооборот 25% 13.4% 5.0% 30% 18.2% 17.0% Темпы роста 35% 15% ФАКТОР ЛИБЕРАЛИЗАЦИИ АВИАПЕРЕВОЗОК В основе либерализации рынка авиаперевозок лежит принцип о том, что свободное предпринимательство и конкуренция способствуют развитию любого отраслевого рынка и отвечают интересам потребителей. Либерализация рынка по статистике ведет к увеличению объема авиаперевозок и их доступности. С 1970, в том числе за счет дерегулирования реальная стоимость услуг воздушного транспорта уменьшилась на 60%. В первые три десятилетия после Второй Мировой Войны гражданская авиация была сильно регулируемой государством отраслью. Но в конце 70-х годов начали происходить процессы либерализации как внутренних, так и международных перевозок. В 1978 году был Страница 18 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года либерализирован внутренний рынок США. В 1992 году в Европе был создан Единый европейский авиационный рынок. В настоящее время регулярные воздушные сообщения между большинством государств, включая Российскую Федерацию, устанавливаются и регламентируются главным образом на основе двусторонних соглашений о воздушном транспорте. Чикагская конвенция устанавливает основные принципы этих соглашений, в которых оговаривается, какие авиакомпании могут обслуживать какие города и каким числом рейсов. В 90-х года США ввели практику заключения со странами так называемых Соглашений об открытом небе (Open Skies) (не путать с военным Договором по открытому небу), которые снимают большинство ограничений на число перевозчиков и маршрутов. В 2008 вступило в силу крупное соглашение такого типа между США и ЕС, которое позволяет любой американской и европейской компании совершать рейсы в любую точку США или ЕС. Рост авиаперевозок вследствие либерализации соглашений о воздушном транспорте по статистике составляет 12-35%, что значительно больше, чем в годы до либерализации, а в отдельных случаях достигал 50% и более. Так, создание Единого европейского авиационного рынка, которое упразднило двусторонние соглашения о воздушном транспорте между странами-членами ЕС, привело к темпам роста авиаперевозок в 1995-2004 гг., которые почти в два раза превышали рост в 1990-1994 гг. Либерализация привела к появлению 44 млн дополнительных пассажиров, что соответствует росту свыше 33% по сравнению с историческим ростом внутриевропейского рынка на 4-6% в год. Число внутриевропейских маршрутов, обслуживаемых более чем 2-мя перевозчиками увеличилось на 310% с 1992-2009 года, а число международных маршрутов внутри ЕС возросло на 220%. В прогнозный период в условиях глобализации можно ожидать продолжения процесса дерегулирования внутренних и международных авиаперевозок. 19 либерализовать авиационные перевозки с европейскими странами. Сейчас межправительственные соглашения включают в себя понятие «назначенного перевозчика», которым с российской стороны в большинстве случаев является компания «Аэрофлот». Между тем, в начале 2012 года стало известно, что с целью прекращения монополии другие назначенные перевозчики появятся на таких направлениях как Италия и Франция. В Транспортной стратегии 2030 отмечается, что до 2020 года за российскими авиаперевозчиками будет сохраняться исключительное право на выполнение внутренних авиационных перевозок. При этом в документе не исключается, что в 20212030 годах может быть рассмотрен вопрос о предоставлении иностранным авиакомпаниям на территории России более широких коммерческих прав (степеней свободы воздуха). Также в Транспортной стратегии 2030 говорится о необходимости заключений соглашений об открытом небе, на первом этапе между Россией и государствами - участниками СНГ (в первую очередь теми из них, которые являются членами ЕврАзЭС). ВЫВОД Таким образом, приведенный выше анализ позволяет сформировать сценарий будущего, в рамках которого в прогнозный период указанные факторы будут способствовать развитию авиаперевозок, как в мировом, так и в национальном масштабе. Прогнозы мировых авиаперевозок регулярно публикуют ведущие авиапроизводители – компании Boeing и Airbus. Так, по данным последнего прогноза компании Боинг (2011-2030), пассажирские перевозки, будут расти на 5,1% ежегодно, а грузовые перевозки, выраженные в тонно-километрах – на 5,6% ежегодно. Согласно прогнозу Airbus, в ближайшие 20 лет мировой пассажиропоток увеличится по сравнению с 2010 годом на 157%. В среднем в год трафик будет расти на 4.8% и в 2030 году достигнет 12 трл. пкм. В России данный процесс уже начался. Так, на Авиационном саммите Россия—ЕС в ноябре 2011 правительство РФ пообещало частично Страница 19 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 2010 г. 20 2030 г. По данным Росавиации по итогам 2011 года пассажирооборот воздушного транспорта России достиг значения 166,8 млрд. пассажирокилометров, грузооборот составил 4,95 млрд. тоннокилометров. По данным ИКАО на 2010 год, РФ совершила 2,2% всех авиаперевозок и 1,83% международных авиаперевозок в числе 190 стран-членов этой организации. По данным ГосНИИГА, темпы роста перевозок российских авиакомпаний за 2001-2010 годы составили в среднем 6,5% в год по грузообороту и 10,7% в год по пассажирообороту. Это выше темпов роста мирового рынка примерно в 2,5 раза. Пассажирооборот российских авиакомпаний вырос за 2001-2010 годы в 2,8 раза, в то время как мировой рынок – в 1,5 раза.В 2011 году сохранилось двукратное превышение темпов роста российского авиатранспортного рынка по сравнению с мировым. Согласно прогнозам ГосНИИГА, средние темпы роста авиатранспортного рынка России в период до 2030 года оцениваются в 7,5% в год. Это обеспечит удвоением объемов авиаперевозок за 10 лет и позволит пассажирским перевозкам выйти на уровень 300 млрд. пкм в 2020 году, а через 20 лет вырасти в 3,7-4,8 раза, в т.ч. за счет выхода авиакомпаний на рынок транзитных через территорию России перевозок. Страница 20 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 21 В 2020 году пассажирооборот российских авиакомпаний может составить 290-360 млрд. пкм, а к 2030 году достигнуть 540-700 млрд. пкм. Ожидается рост грузооборота российских авиакомпаний к 2020 году до 7,5-10,5 млрд. ткм, а к 2030 году до 12-18 млрд. ткм. Пассажирооборот, млрд. пкм 800 Факт 700 Прогноз 600 500 400 300 200 100 0 1990 1995 2000 2005 2010 Год 2015 2020 2025 2030 Источник: ГосНИИ ГА Грузооборот, млрд. ткм 20 Факт 15 Прогноз 10 5 0 1990 2000 2010 2020 2030 Год Источник: ГосНИИ ГА Опережающие темпы роста объемов авиаперевозок воздушного транспорта России обусловят увеличение его доли в общем пассажирообороте мировой гражданской авиации с сегодняшних 3,2% до 4,0-5,3% в 2030 году. Страница 21 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ДЖОКЕРЫ В связи с тем, что форсайт основывается на концепции многовариантности будущего, его методология предполагает выявление событий, наступление которых может существенным образом (прежде всего негативно) повлиять на сформированный сценарий. Эти события именуются джокеры (wild cards). 22 К числу джокеров, которые могут негативно повлиять на авиационные перевозки в национальном, региональном и мировом масштабе, снизив их доступность либо вызвав их сокращение или даже полное прекращение, можно отнести. - Природные явления (землетрясения, наводнения, цунами, извержения вулканов, эпидемии и др.) - Крупные техногенные катастрофы - Вооруженные конфликты - Образование враждующих блоков стран, санкции, изоляция - Терроризм - Обострение внутриполитической обстановки - Радикальная смена модели развития, ограничение потребления и т.д. - Экономический, финансовый, долговой кризис, падение уровня жизни населения - Рост цен на авиатопливо - Рост затрат авиакомпаний - Сокращение численности населения - Различного рода запреты на полеты (на малые расстояния, сверхзвуковые на больших высотах, над сушей и тд.) - Ограничение либерализации - Ограничение поддержки со стороны государства (сокращения субсидирования социальнозначимых перевозок и др.) - Конкуренция со стороны других видов транспорта (скоростные железные дороги) - Ограничения со стороны инфраструктуры гражданской авиации Страница 22 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 23 ИНФРАСТРУКТУРА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Под редакцией …………… (ГосНИИГА) ……………… (ЦАГИ) Сбалансированное развитие аэродромной и аэронавигационной инфраструктур является необходимым условием для эффективного функционирования всего гражданского авиатранспорта. повышение безопасности воздушного движения и эффективности функционирования АНС в условиях прогнозируемого роста объема авиаперевозок; принятие мер по интеграции АНС в евразийскую аэронавигационную систему. ОрВД В развитых странах в данный момент осуществляются крупномасштабные программы по модернизации существующих систем управления воздушным движением, основанные на новых концепциях CNS\ATM, которые позволят справиться с растущими авиатрафиком. В Европе в 2004 году стартовал проект SESAR, предусматривающий развертывание новой инфраструктуры в 2014-2020 годах. В США к 2025 году должна быть запущена новая система УВД NEXTGEN. Данные программы позволят увеличить пропускную способность системы, сократить затраты, уменьшить расход топлива, улучшить ситуацию с задержками и отменами рейсов. В долгосрочной перспективе (до 2025 г.г.) планируется полный переход к перспективным техническим средствам и технологиям, обеспечение автоматизированного взаимодействия всех основных функциональных компонентов аэронавигационной системы; создание интегрированной системы обеспечения безопасности воздушного движения на базе наземных и бортовых средств обнаружения и разрешения конфликтных ситуаций; широкое внедрение метода «свободных полетов», интеграция в мировую аэронавигационную систему. В 2006 году правительством России была утверждена Концепция создания и развития Аэронавигационной системы (АНС) России, которая предполагает реформирование Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации и основывается на положениях Глобальной эксплуатационной концепции организации воздушного движения Международной организации гражданской авиации (ИКАО) и решениях государств – членов ИКАО по переходу к организации воздушного движения (ОрВД) с использованием перспективной техники и технологий, включая спутниковые системы связи, навигации и наблюдения/организации воздушного движения (CNS/ATM). В среднесрочной перспективе (до 2015 года) Концепция предполагает переход от традиционных к перспективным наземным, бортовым и спутниковым средствам и системам связи, навигации, наблюдения; поиска и спасания; аэронавигационной информации; метеорологического обслуживания аэронавигации, используемым в целях обеспечения аэронавигационного обслуживания пользователей воздушного пространства; внедрение новых технологий ОрВД в отдельных районах Российской Федерации; дальнейшее АЭРОПОРТЫ В мире насчитывается около 2500 аэропортов, но 50% глобального трафика проходит через 100 крупнейших из них, а первые 1000 аэропортов охватывают 95% перевозок. Уже сегодня некоторые аэропорты мира работают на пределе загруженности, такие как Лондон-Хитроу, Франкфурт, Ронадьл Рейган Вашингтон, Нью-Йорк (la Guardia) и ряд других. В будущем ряд аэропортов может столкнуться с необходимостью расширения (строительство новых ВПП), что порой представляется невозможным из-за территориальных ограничений и других факторов. Однако можно утверждать, что ограничения аэропортовой инфраструктуры не станут ограничением для развития авиатрафика. Проблема будут решены за счет совершенствования системы УВД, Страница 23 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года оптимизации операций, расширения, переноса трафика в другие аэропорты, а также строительства новой инфраструктуры. Численность аэродромов сегодня в 1,5 раза меньше, чем была в 2000 году. К концу прошлого десятилетия негативная тенденция сжатия аэродромной сети приостановилась, за 2010 год численность аэродромов даже немного выросла. Но в 2011 году численность аэродромов вновь сократилась на 5%. На 2012 год в реестр аэродромов гражданской авиации России занесено 315 аэродромов. 117 аэродромов образуют национальную опорную аэродромную сеть. С начала 90-х годов количество действующих российских аэропортов и аэродромов гражданской авиации сократилось примерно в 4 раза. Выбытие аэродромов из реестра в основном происходило за счет региональных и местных аэродромов с грунтовым покрытием. Многие субъекты Российской Федерации практически полностью лишились как сети местных авиалиний, так и аэродромов местных воздушных линий. Пассажирооборот самолетов пассажировместимостью 15-19 мест сократился в 40 раз по сравнению с 1990 годом, а самолетов пассажировместимостью 12 мест – почти в 60 раз. Сложилась конфигурация сети пассажирских авиалиний, в рамках которой наибольший объем пассажирских перевозок приходится на авиасвязи г. Москвы. В настоящее время 63 % аэродромов имеют взлетно-посадочную полосу с искусственным покрытием, остальные аэродромы имеют грунтовые ВПП. Срочного проведения реконструкции требует 12% взлетно-посадочных полос с искусственным покрытием, 18% взлетнопосадочных полос с грунтовым покрытием 24 требуют проведения капитального ремонта. Имеется резкое отставание инфраструктуры и оборудования аэропортов от уровня развития международной гражданской авиации. В связи с развитием авиационной техники, появлением новых современных типов воздушных судов (узкои широкофюзеляжных с низко расположенными двигателями) основная часть аэродромов с искусственными покрытиями требует проведения реконструкции. В 2008 правительство приняло «Концепцию развития аэродромной (аэропортовой) сети Российской Федерации на период до 2020 года», которая предусматривает создание национальной опорной аэродромной (аэропортовой) сети Российской Федерации, состоящей из аэродромов международных и внутрироссийских узловых аэропортов и неузловых аэропортов, обеспечивающих связность сети. Организация воздушных перевозок на базе узловых аэропортов, обеспечивающих концентрацию и распределение пассажиро- и грузопотоков, позволит оптимизировать маршрутную сеть, повысить эффективность перевозок, осуществить специализацию аэропортов. Неотъемлемой частью узловой схемы обслуживания авиаперевозок являются региональные и местные аэропорты. Предусматривается развитие социально значимых аэродромов (аэропортов), значительная часть которых находится в северных регионах и на Дальнем Востоке. Предусматривается увеличение к 2020 году количества действующих аэропортов до 357, а к 2030 году, согласно Транспортной стратегии, аэродромная сеть должна включать в себя более 500 аэропортов, в основном за счет развития региональной авиатранспортной инфраструктуры. Кроме того, планы государства предусматривают создание на территории Российской Федерации Страница 24 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года инфраструктуры международных аэропортов (хабов). узловых БЕЗАЭРОДРОМНОЕ БАЗИРОВАНИЕ В СССР и России накоплен уникальный опыт созданий изделий гидроавиастрония (самолетыамфибии, экранопланы, суда на воздушной подушке), которые можно использовать в гражданской сфере и которые могут оказаться незаменимыми для применения в отдаленных регионах, где невозможно строительство наземной инфраструктуры, однако имеются широкие акватории. 25 В условиях России может представлять интерес использование в гражданской авиации такой достаточно отработанной операции как дозаправка топливом в полете, которая может дать значительную экономию топлива и себестоимости перевозок. Например, при использовании данной концепции на 25-30% снижается стоимость самолетного парка для дальних линий и примерно на 15% уменьшается расход топлива. Кроме того, применение дозаправки в полете является более дешевой альтернативой производству самолетов большой дальности. КОНЦЕПЦИЯ ДОЗАПРАВКИ В ВОЗДУХЕ Страница 25 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 26 ПРОГНОЗ РЫНКА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАТЕХНИКИ Под редакцией ………………(ГосНИИГА) За годы осуществления гражданских перевозок сложился типоразмерный ряд воздушных судов, позволяющий авиакомпаниям выполнять полеты на соответствующих маршрутах с наибольшей эффективностью. Воздушные суда различаются по пассажировместимости, дальности, скорости полета. Производители авиатехники реагируют на потребности рынка перевозок, периодически выводя на рынок новые типы воздушных судов. Так, в середине 50-х годов в СССР был выпущен первый в мире реактивный пассажирский самолет Ту-104. В 1966 году начал эксплуатировать первый в мире реактивный региональный самолет Як-40. В 1970-е годы компания Boeing выпустила первый в мире пассажирский широкофюзеляжный самолет Боинг-747, в середине 70-х годов появились сверхзвуковые пассажирские Ту-144 и «Конкорд», а в 2007 в эксплуатацию поступил самый большой на сегодняшний день пассажирский самолет – А380, способный брать на борт более 850 человек. Для административных перевозок были созданы различные типы деловых самолетов. Наиболее распространенные современные гражданские воздушные суда можно условно разделить на следующие типы: Самолеты - магистральные - широкофюзеляжные - узкофюзеляжные - региональные - самолеты АОН ВКЛА - тяжелые - средние - легкие В денежном выражении магистральные и региональные самолеты, выполняющие регулярные авиаперевозки, самолеты АОН (по принятой на Западе классификации к ним относятся суда, не использующиеся на регулярных линиях) и вертолеты составляют подавляющую долю рынка гражданской авиатехники. Так, в объеме мирового рынка финальной продукции авиастроения в 2010 году продажи данных видов техники составили $97 млрд. Магистральные самолеты Региональные самолеты Самолеты АОН Вертолеты Всего $66,5 млрд $6,7 млрд $19,7 млрд $4,1 млрд $97 млрд При этом из самолетов АОН подавляющее большинство продаж приходится на реактивные деловые самолеты (так называемые бизнесджеты) Поставки самолетов АОН в 2010 г (по данным GAMA) Бизнес-джеты $18 млрд Турбовинтовые $1,3 млрд Поршневые $0,415 млрд Всего ~$19,7 млрд Можно утверждать, что в прогнозный период все вышеуказанные типы воздушных судов будут присутствовать на рынке, однако в то время как доля некоторых из них будет расти, доля других может сократиться из-за изменения требований рынка. РЫНОК МАГИСТРАЛЬНЫХ и РЕГИОНАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ Крупнейшим мировым производителем гражданских магистральных и региональных самолетов является американская компания Boeing. Всего в мире в эксплуатации находятся около 12,100 самолетов компании (учитывая самолеты McDonnell Douglas, поглощенной Boeing в 1997 году), что составляет приблизительно 75 процентов мирового парка. Согласно прогнозу фирмы Боинг, развитие мирового парка самолетов до 2030 года будет происходить следующим образом: Большие Широкоф юзеляжн ые двухпрохо дные Узкофюзе ляжные однопрох одные Региональ ные (с (более 400 мест1) (230-450 мест2) (90-175 мест более2) 50-892 Парк 2010 770 Парк 2030 1,140 Поставки 2011-2030 820 3,640 8,570 7,330 12,100 27,750 23,370 2,900 2,070 1,960 и Страница 26 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ТРДД) Всего 19,410 (из них 1,760 грузов ые) 1 – трехклассная компоновка 2 - друхклассная компоновка 39,530 (из них 3,500 грузов ые) 33,500 (из них 2,960 грузовые) Таким образом, по прогнозам компании, в период с 2011 по 2030 годы для удовлетворения растущих перевозок на рынок будет поставлено 33,500 новых самолетов (с ТРДД) общей стоимостью порядка 4 трлн. долларов (по каталожным ценам 2010 года). При этом более 90% продаж придется на широкофюзеляжные двухпроходные и узкофюзеляжные однопроходные самолеты. Турбовинтовые региональные 30-60 60+ 1,390 690 885 2,410 20112030 440 2,000 Турбореактивные региональные 30-60 61-90 91120 1,730 1,100 1,395 710 2,845 4,505 430 2,670 4,125 Узкофюзеляжные 121210 Более 210 9,665 19,025 16,185 3,150 6,530 5,585 19,120 36,910 31,435 Широкофюзеляжны е Узкофюзеляжн ые (с ТВД и ТРДД) Широкофюзеля жные Всего 50местные 70/85местные 100местные 125/210местные Малые Средние Сверхболь шие Парк 2010 Парк 2030 4,917 2,414 Поставки 20112030 1,485 1,557 3,978 3,462 1,455 2,012 1,735 10,232 20,963 17,430 2,348 916 51 5,030 2,075 1,344 4,518 1,907 1,331 21,476 37,816 31,868 Бразильская компания Embraer оценивает потребности мирового рынка до 2030 года в 31,435 самолетов. Парк Парк Поставки 2030 По данным ГосНИИГА, по состоянию на начало 2012 года в составе действующего парка российских авиакомпаний было 605 магистральных и 340 региональных пассажирских самолетов, а также 127 грузовых самолетов. Отечественные Иностранные Всего По данным другого крупнейшего производителя, европейской компании Airbus, в ближайшие 20 лет для удовлетворения потребностей мировому рынку потребуется 31,868 пассажирских самолетов. 2010 27 Магистральн. 155 450 605 Региональн. 244 96 340 Грузов. 112 15 127 Прошедшее десятилетие характеризовалось кардинальным обновлением и расширением типажа парка самолетов российских авиакомпаний в соответствии с растущими объемами перевозок и изменившимися условиями рынка. С 2006 по 2010 год в парк в среднем поставлялось по 105 пассажирских самолетов в год, в том числе по 84 иностранных самолета, в основном на условиях лизинга. В 2011 году в парк поступило 149 пассажирских самолетов, в том числе 135 западных. Развитие российского парка происходит преимущественно на основе подержанной авиатехники, что предполагает необходимость его дальнейшего обновления в перспективе. Ситуация с региональным парком наиболее сложная. В нем около 70% численности все еще составляют устаревшие отечественные самолеты предыдущих поколений, которые выполняют 70% перевозок регионального парка. Их средний возраст – более 30 лет. До 2015 года ожидается прекращение эксплуатации большинства отечественных и зарубежных самолетов предыдущих поколений. Это определяет значительные потребности авиакомпаний в дальнейшем обновлении и расширении парка, хотя темпы роста численности парка самолетов будут ниже темпов роста объемов авиаперевозок вследствие изменения структуры парка и повышения его Страница 27 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 28 производительности. В пассажирском парке заметно вырастет доля широкофюзеляжных самолетов, но лидерами по численности попрежнему останутся узкофюзеляжные магистральные самолеты. По прогнозу Боинг, в России и других странах СНГ в ближайшие 20 лет будет поставлено 1080 новых самолетов на сумму 110 млрд. долларов. В том числе будет поставлено также 190 грузовых самолетов, из которых 60 новых и 130 – модицифированных пассажирских. По прогнозу Airbus в СНГ с 2011-2030 будет поставлен 1231 самолет, по прогнозу Embraer – 1235 самолетов. Между тем, по прогнозу ГосНИИ ГА для удовлетворения перспективного спроса на авиаперевозки общая потребность только российских авиакомпаний в поставках пассажирских магистральных и региональных самолетов в период до 2030 года может составить 1950-2300 ед. Турбовинтовые региональные Турбореактивные региональные Узкофюзеляжные магистральные Широкофюзеляжные магистральные Всего Поставки 2011-2030 241 – 281 200 – 213 1163 – 1307 342 – 513 1946 – 2314 Потребность в поставках грузовых самолетов существенно меньше и оценивается в 175-250 самолетов в период до 2030 года. Эти потребности будут удовлетворяться за счет поставок новых и подержанных самолетов. По данным ГосНИИГА, в перспективе за счет поставок новых самолетов будет обеспечено 5060% общей потребности российских авиакомпаний в поставках пассажирских магистральных и региональных самолетов. Ведущие прогнозы предсказывают уменьшение в мире доли самолетов малой вместимости как с турбореактивными, так и турбовинтовыми двигателями. Это связано с общей продолжающейся тенденцией увеличения пассажировместимости во всех сегментах в связи с ростом объема авиаперевозок. По оценкам специалистов компании Airbus, около четверти прогнозируемого ежегодного прироста мирового пассажирооборота будет обеспечено за счет увеличения пассажировместимости эксплуатируемых самолетов. РЫНОК ДЕЛОВЫХ РЕАКТИВНЫХ САМОЛЕТОВ (БИЗНЕС-ДЖЕТОВ) Ведущим производителем деловых самолетов является канадская компания Bombardier. Согласно прогнозу этой компании, в мире с 2011 по 2030 будет поставлено примерно 24,000 бизнес-джетов на сумму $626 млрд. Большие Средние Легкие Парк 2010 Парк 2030 14,170 30,900 Итого Поставки 20112030 5,250 7,750 11,000 24,000 На сумму ($ млрд.) 260 236 130 626 По данным ГосНИИГА, по состоянию на начало 2012 года в составе действующего парка российских авиакомпаний было 32 самолета класса бизнес-джет, все иностранного производства. По прогнозам Bombardier, на рынок России и других стран СНГ до 2030 года будет поставлено 1535 больших, средних и легких бизнес-джетов. Российские предложения на рынке ВС Планы российской авиапромышленности связаны с наиболее востребованными сегментами российского и мирового рынка самолетов для занятия ее продукцией существенной доли продаж. Страница 28 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Класс Серийно производимые До 2015 После 2015 Широкофюзеляжные самолеты - большой вместимости - малой вместимости магистральные Узкофюзеляжные самолеты - большой вместимости - малой вместимости магистральные Нет Ил-96-300 Реактивные региональные самолеты - большой вместимости - малой вместимости Турбовинтовые региональные самолеты - большой вместимости - малой вместимости Многоцелевые самолеты для местных воздушных линий - на 10-19 пасс. - на 7-9 пасс. Бизнес-джеты Большие Средние Легкие Большие корпоративные авиалайнеры Примечание Ил-96-300 не пользуется спросом на рынке Ту-204(СМ) SSJ МС-21 SSJ NG Ан-148 нет Ан-148 Ил-114 Ан-140 29 Вопрос продолжения производства Ил-114 и Ан140 в России окончательно не решен нет Нет "Рысачок" Нет Нет Нет Sukhoi Business Jet НОВЫЕ ТИПЫ ГРАЖДАНСКИХ САМОЛЕТОВ Анализ показывает, что в прогнозный период и в дальнейшей перспективе возможно появление на рынке принципиально новых типов гражданских самолетов. Речь идет, прежде всего, о сверхзвуковых пассажирских самолетах нового поколения. Несмотря на прекращение эксплуатации Ту-144 и «Конкорда», перевозки такими воздушными судами, обладающими в два раза большей скоростью по сравнению с существующими самолетами с ТРДД, имеют перспективу спроса в своей нише. При этом внимание уделяется, прежде всего, сверхзвуковому деловому самолету. Особое место в прогнозный период могут занять самолеты, оснащенные новым типом двигателя – «открытым ротором». Они будут обладать значительной большей топливной эффективность (и, следовательно, экологичностью по выбросам) по сравнению с самолетами, оснащенными ТРДД, (порядка 20%), однако будут уступать им по скорости полета. При этом их крейсерская скорость будет выше, чем скорость традиционных самолетов с ТВД. За пределами прогнозного периода возможно появление гиперзвуковых пассажирских летательных аппаратов, способных летать со скорость, в шесть раз превышающую скорость звука. В январе 2012 года в Брюсселе прошла встреча представителей России, Европы, Японии и Австралии, на которой обсуждалась возможность совместных работ по созданию такого гиперзвукового пассажирского самолета. РЫНОК ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА Особые летно-технические возможности вертолетов обеспечивают им существенные преимущества по сравнению с самолетами, а также с наземными технологиями при Страница 29 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года выполнении целого ряда работ. Особенно эти преимущества проявляются в труднодоступной местности, при отсутствии аэродромов и оборудования. При этом технологии с применением вертолетов мобильны в организации и проведении, зачастую требуют меньших ресурсов. Мировой парк гражданских вертолетов, по данным 2008 г., составил 24,086 тыс. машин. Его можно условно разделить на летательные аппараты следующих типажей: По прогнозу компании Rolls-Royce, в период с 2011 по 2020 годы в мире будет поставлено 10,900 гражданских вертолетов с газотурбинными двигателями на сумму около $34 млрд. По количеству поставок 60% будут составлять легкие вертолеты с 1 ГТД, еще 20% - легкие вертолеты с 2 ГТД. По стоимости поставок будут лидировать промежуточные вертолеты (30%) и легкие с 2 ГТД (24%). 30 - легкие с 1 поршневым двигателем (макс. взлетный вес до 3,5 т) - легкие с 1 ГТД - легкие с 2 ГТД - промежуточные (3,5-8 т) - средние (8-15 т) - тяжелые (15-20 т) - сверхтяжелые (более 20 т) Подавляющее большинство мирового парка составляют легкие вертолеты. В количественном отношении парк распределяется следующим образом. По данным Росавиации на январь 2012 года российский коммерческий парк вертолетов, имеющих сертификат летной годности, составил 1047 машин, из которых 956 – отечественного, 91 – иностранного производства. Структура российского парка «деформирована» по отношению к мировому. В российском гражданском парке преобладают средние вертолеты. Страница 30 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Структура российского парка вертолетов попрежнему будет отличаться от среднемировой в части повышенной доли средних и тяжелых вертолетов. Это обусловлено значительным объемом применения вертолетов для обслуживания добывающих промышленностей и геологоразведки. Тем не менее, при наличии конкурентоспособных предложений легких вертолетов они потенциально могут составить почти половину перспективного коммерческого парка и около 90% парка АОН. Структура перспективного парка вертолетов коммерческого Количество вертолетов, ед. 1800 1600 1400 Тяжелые Средние Легкие 1200 1000 800 600 400 200 0 2008 г. 2020 г. 2025 г. Структура перспективного парка АОН 700 Количество вертолетов, ед. Согласно оценкам ГосНИИ ГА суммарный налет вертолетного парка России на 2020 год может составить 770 тысяч часов, что примерно в 1.5 раза больше налета 2008 года. К 2025 году налет вертолетов может увеличиться до 980 тыс. часов, но при этом он будет все равно примерно в 2 раза меньше уровня 1990 года. Для рационального удовлетворения прогнозируемого спроса на вертолетные услуги в различных сферах применения в 2020 году потребуется почти 1800 вертолетов различных классов, а в 2025 году численность парка может превысить 2300 вертолетов. 31 600 500 Тяжелые Средние Легкие 400 300 200 100 0 2008 г. 2020 г. 2025 г. Класс 2008 г. 2020 г. 2025 г. вертолетов Физический Парк, ед. Физический Потребный Физический Потребный налет, тыс. ч налет, тыс. ч парк, ед. налет, тыс. ч парк, ед. 1-2 мест 0.5 3 25 142 34 187 3-4 мест 22.4 138 114 347 150 461 5-6 мест 4.0 27 87 263 112 344 7-9 мест 59.8 210 98 235 140 336 10-14 мест 73 141 105 210 15-19 мест 0.0 0 71 136 102 199 20-40 мест 417.1 789 271 450 300 477 Тяжелые 9.7 35 32 73 42 97 Всего 513 1202 771 1787 985 2311 * - для 2008 года приведен действующий коммерческий парк вертолетов и парк АОН. Страница 31 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Потребные объемы поставок вертолетов в российский парк Класс вертолетов Тяжелые 3-6 т (20-40 пасс.) 2-3 т (15-19 пасс.) 1,3-2,0 т (10-14 пасс.) 0,8-1,3 т (7-9 пасс.) 0,6-0,8 т (5-6 пасс.) 0,3-0,6 т (3-4 пасс.) менее 0,3 т (менее 3 пасс.) Всего 2009 2010- 2016- 2021- 20102015 2020 2025 2025 1 16 17 28 61 33 100 30 49 179 15 31 153 199 9 39 161 209 11 55 95 156 306 8 94 95 60 249 31 180 158 68 406 20 31 35 86 84 489 496 710 1695 Структура поставок вертолетов 2010-2015 гг. 2016-2020 гг. 4% 3% 6% 20% 3% 6% 6% 8% 33% 38% 3% 19% 2% 19% 19% 11% 2021-2025 гг. 10% 5% 4% Тяжелые 3-6 т (20-40 пасс.) 2-3 т (15-19 пасс.) 1,3-2,0 т (10-14 пасс.) 0,8-1,3 т (7-9 пасс.) 0,6-0,8 т (5-6 пасс.) 0,3-0,6 т (3-4 пасс.) менее 0,3 т (менее 3 пасс.) 7% 8% 22% 22% 22% Структура поставок вертолетов в 2010-2025 гг. 2010-2025 гг. в численном выражении 2010-2025 гг. в денежном выражении 5% 4% 23% 15% 8% 11% 12% 12% 18% 2% 0% 10% 16% 18% 20% 26% В настоящее время российское вертолетостроения выпускает либо в ближайшее время готовит к выпуску гражданские вертолеты, охватывающие большинство типажей. Ми-34С1 Ка-226/Ка-226Т Ансат Ка-62 Ка-32А11ВС Ми-8/17 Ми-38 Ми-26Т Макс.взлетный вес кг. 1.450 3.400-3.600 3.600 6.500 11.000 13.000 15.600 56.000 При этом российская вертолетостроительная отрасль позиционируется на рынках как поставщик относительно не дорогих вертолетов среднего и тяжелого класса. По-прежнему рынок Европы и Северной Америки остается закрытым (за исключением вертолета Ка-32А11ВС) для 32 продукции отечественного вертолетостроения в связи с отсутствием сертификатов по нормам летной годности FAR 29, FAA и EASA. Как видно из прогноза развития российского парка вертолетной техники тенденция сохранения приоритета за сегментами тяжелых и средних вертолетов сохранится, по крайней мере, до 2025 года. Поэтому укрепление российских позиций именно в этих сегментах рынка остается актуальной задачей для отечественного вертолетостроения и в будущем. Однако, общемировые тенденции развития рынка показывают значительное преобладание в общем объеме поставок легких вертолетов (83%). Следовательно, для повышения конкурентоспособности отечественного вертолетостроения необходимо расширение номенклатуры выпускаемой продукции с более активным выходом в сегменты рынка легких вертолетов. НОВЫЕ ТИПЫ ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА Тенденции развития винтокрылых летательных аппаратов предполагают их приближение по характеристикам скорости и дальности полета к региональным турбовинтовым самолетам. Крейсерская скорость современных вертолетов с ГТД в большинстве случаев не превышает 290 км/ч, а наиболее дальние из них способны преодолевать не более 900 км. Между тем в США, Европе, а также России ведутся работы по созданию новых скоростных винтокрылых ЛА с крейсерской скоростью полета вплоть до 500 км/ч и увеличенной дальность полета. Достижение таких показателей может привести к существенному изменению облика ВКЛА, например, за счет внедрения толкающих винтов либо применения принципа конвертоплана. Актуальной задачей для отечественного вертолетостроения является создание в период до 2020 года новых легких вертолетов с вместимостью 5-6 и 12 пассажиров, взлетным весом 2.5 т и 4.5 т, среднего вертолета класса Ми-171 с увеличенной скоростью полета (350400 км/час), а также перспективного тяжелого вертолета. Страница 32 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 33 АВИАЦИЯ и ЭКОЛОГИЯ Под редакцией В.Ф.Копьева (ЦАГИ), ……………….. (ГосНИИГА), …………………. (ЦИАМ) В ЦЕЛОМ ПРО ЭКОЛОГИЮ В МИРЕ Среди многих направлений негативного воздействия деятельности человека на окружающую среду наиболее значимой является проблема изменения климата. По данным Всемирной метеорологической организации, в настоящее время содержание парниковых газов (ПГ) в атмосфере достигло рекордного уровня – 389 частей на 1.000.000. За два столетия содержание закиси азота в воздухе возросло на 20%, углекислого газа – на 39%, метана – на 158%. Данные климатических наблюдений показывают, что за последние 100 лет планета в целом потеплела на 0,75 градуса, Россия - почти на 1,3, а некоторые регионы еще больше. Например, Западная Сибирь потеплела на 1,5 градуса. Все эти изменения связаны с антропогенной деятельностью человека. Ученые утверждают, что для предотвращения катастрофических последствий нельзя допустить роста среднемировой температуры более чем на 2 градуса Цельсия. Для этого необходимо удерживать концентрацию парниковых газов на уровне не более 450 частей на миллион. На 16-й Конференции сторон Рамочной конвенции ООН по изменению климата в 2010 году в Канкуне (Мексика) 191 страна договорились о необходимость не допустить повышения среднемировой температура более чем на 2 градуса Цельсия. Для этого необходимо значительно сократить выбросы парниковых газов: к 2050 году – на 50% по сравнению с уровнем 1990 года. При этом Рамочная конвенция по изменению климата и ее Киотский протокол являются лишь первыми попытками на пути мирового снижения выбросов. В них не участвуют не ратифицировавшие протокол США, а также Китай и Индия, на долю которых приходится 40% мировых выбросов ПГ. Переговоры по формированию будущего международного соглашения, которое придет на смену Киотскому протоколу, заканчивающемуся в 2012 году, пока не принесли результатов. Несмотря на отсутствие успехов в борьбе с изменением климата на глобальном уровне, это направление развивается на национальном уровне. Лидирующую роль в борьбе с изменением климата стремится играть Европейских Союз. В 2007 году Европой был принят план по противодействию изменению климата и новой энергетической политике, получивший название «20-20-20», предусматривающий достижение к 2020 году следующих целей: - уменьшить выбросы парниковых газов по меньшей мере на 20% по сравнению с уровнем 1990 года, - обеспечить 20% энергопотребления ЕС за счет возобновляемых источников, - на 20% уменьшить потребление первичных источников энергии по сравнению с прогнозируемым уровнем путем повышения энергоэффективности. Кроме того, объединенная Европа ставит цель к 2050 году уменьшить выбросы парниковых газов на 80% по сравнению с уровнем 1990 года. В Европе действует система торговли квотами на выброс парниковых газов, которая с 2012 года начала применяться и для международной гражданской авиации. В Соединенных штатах Америки в 2007 году был принят Акт об энергетической независимости и безопасности (Energy Independence and Security Act), который, среди прочего, предусматривает меры по снижению расхода топлива транспортных средств, повышению объема использования биотоплив с 4,7 млрд. галлонов в 2007 году до 36 млрд. галлонов в 2022 году, электрификацию транспорта, повышение энергосбережения. В 2008 году президент Барак Обама провозгласил план «Новая энергия для Америки» (New Energy for America), который предусматривает, что к 2012 году 10% электричества в стране будeт производится из возобновляемых источников, а к 2025 году эта цифра достигнет 25%. Кроме того планируется к 2020 сократить потребление электричества на 15% по сравнению с прогнозными значениями, а также реализовать универсальную для всей экономики систему торговли квотами с целью сократить выбросы парниковых газов на 80% к 2050 году. Страница 33 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 34 В других странах мира также принимаются меры, направленные на ограничение выбросов парниковых газов. Например, правительство Австралии планирует в 2012 ввести налог на выбросы двуокиси углерода, а к 2015 году реализовать систему торговли квотами на выброс. В 2011 году Китай объявил, что в нескольких провинциях будут реализованы пилотные проекты торговли квотами, которые затем могут быть распространены на всю страну. входит в число приоритетов политики Российской Федерации. В документе указывается, что Россия максимально концентрирует усилия на снижении антропогенных выбросов парниковых газов и увеличении их абсорбции поглотителями и накопителями, в том числе через повышение энергетической эффективности во всех секторах экономики и развитие использования возобновляемых и альтернативных источников энергии. В Прогнозе-2030 указывается, что в ближайшие 20 лет экологический фактор будет становиться все более мощной движущей силой мирового технологического развития. Власти будут стимулировать экологические чистые модели развития, особенно в развитых странах. Возрастет значение экологических параметров производства и потребления. Прогнозный период будет характеризоваться технологическими инновациями в сфере экологии. Одной из особенностей процессов глобализации в прогнозный период станет развитие «экологического протекционизма». Получат дальнейшее распространение системы торговли квотами на выбросы. Некоторые страны могут установить барьеры в отношении продукции, произведенной с нарушением определенных экологических правил, превращая свои экологические достижения в реальные конкурентные преимущества. При этом в Прогнозе-2030 подчеркивается, что решение экологических проблем не станет ограничителем роста мировой экономики и потребления, в том числе потому что в прогнозный период экологические проблемы еще не достигнут критического уровня. Киотский протокол был ратифицирован Российской Федерацией в 2004 году. Обязательством РФ по этому Протоколу является сохранение среднегодовых выбросов парниковых газов в 2008—2012 гг. на уровне 1990 г. Хотя в России выбросы парниковых газов сегодня не превышают уровень 1990 года вследствие их существенного сокращения в период экономического кризиса 90-х годов (в 2006 г. выбросы составили 2,9 млрд. т СО2-экв., что соответствует 65,9 % от уровня 1990 г. и 107,5 % от уровня 2000 г.), в расчете на величину ВВП уровень эмиссии парниковых газов в России один из наиболее высоких в мире. В РОССИИ Экологическая ситуация в Российской Федерации характеризуется высоким уровнем антропогенного воздействия на природную среду и значительными экологическими последствиями прошлой экономической деятельности. В Основах государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года указывается, что в 40 субъектах Российской Федерации более 54 процентов городского населения находится под воздействием высокого и очень высокого загрязнения атмосферного воздуха. В Климатической доктрине Российской Федерации отмечается, что проблема глобального изменения климата в её национальном и международном измерениях В Основах государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года признается, что глобальные экологические проблемы, связанные с изменением климата и другими негативными для окружающей среды процессами затрагивают интересы Российской Федерации и её граждан, а также подчеркивается необходимость обеспечения экологической безопасности при модернизации экономики и в процессе инновационного развития. В числе мер, направленных на повышение экологии, планируется, в частности, установление ответственности производителей за экологически безопасное удаление произведённой ими продукции, представленной готовыми изделиями, утратившими свои потребительские свойства, а также развитие рыночных инструментов охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности. Российская Федерация занимает активную позицию в вопросах сокращения антропогенных выбросов парниковых газов, что отмечено в Климатической доктрине. На 15-ой Конференции сторон РКИК ООН в 2009 году Российская Федерация сделала заявление о принятии новой добровольной цели снижения выбросов парниковых газов в рамках всей экономики к 2020 году на 15-25% по сравнению с уровнем 1990 года. Страница 34 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года В Энергетической стратегии 2030 ставится цель снижения (по сравнению с уровнем 2005 года) удельной энергоемкости валового внутреннего продукта - более чем в 2 раза. Предусматривается интенсивная реализация организационных и технологических мер по экономии топлива и энергии, то есть проведение целенаправленной энергосберегающей политики. В Энергетической стратегии 2030 также стоит задача ограничения выбросов парниковых газов. Учитывая, что 70% выбросов парниковых газов РФ исходят от топливно-энергетического комплекса, предполагается ограничение объема выбросов парниковых газов к 2030 году до уровня 100 - 105 процентов объема выбросов в 1990 году. КАК АВИАЦИЯ ВЛИЯЕТ НА ЭКОЛОГИЮ Основными экологическими факторами, связанными с деятельностью авиации, являются вредные выбросы авиадвигателей, шум ЛА, а также звуковые удары, возникшие при полетах сверхзвуковых самолетов. От шума и эмиссии страдают пассажиры и население, живущее в окрестностях аэропортов, выбросы вредных веществ авиадвигателей загрязняют воздух, воздействуют на верхние слои атмосферы, являясь одной из причин изменения климата планеты. Экологические факторы авиации и их неблагоприятные последствия - ухудшение здоровья; Летательные аппараты Шум - понижение слуха; - помехи речевому общению и прослушиванию ТВ. Эмиссия - респираторные заболевания; - токсические симптомы; - дискомфорт. Звуковой удар СПС Выбросы парниковых газов Экология территории аэропорта - ориентировочная реакция людей; - вздрагивание; - помехи сну. 35 Помимо этого, существуют и другие факторы, применительно к авиации, которые оказывают вредное влияние на окружающую среду. Например, Монреальский протокол 1989 года ограничивает применение в экономике и, в том числе, в авиации озоноразрушающих веществ (ХФУ-11, ХФУ-12, ХФУ-113, ХФУ-114, ХФУ-115, а также галлон-1211, галлон-1301, галлон-2402). Эти фреоны используются в системах пожаротушения пассажирских самолетов и попадают в атмосферу при их срабатывании. Кроме того, неизбежный вред окружающей среде наносит использование на авиатранспорте горюче-смазочных материалов, загрязнения водостока противообледенительными жидкостями, СВЧ-излучение от передающих радиотехнических объектов, а также другие факторы. Вступивший в действие в феврале 2006 г. Киотский протокол регулирует выбросы парниковых газов (CO2, N2O, CH4, HFCs, PFCs, SF6), не контролируемых Монреальским протоколом. Это международное соглашение предусматривает сокращение выбросов парниковых газов на основе действия рыночных механизмов (механизм чистого развития, проекты совместного осуществления, торговля квотами). В части гражданской авиации в соответствии с Киотским протоколом учитываются выбросы парниковых газов только на внутренних рейсах. Хотя эмиссия международной авиации (международные перевозки) не подпадает под целевые показатели Киотского протокола, этот документ предписывает странам приложения 1 (развитые страны) работать в направлении сокращения авиационных выбросов международной авиации в рамках ИКАО. - глобальное потепление; - изменение климата. - загрязнение окружающей среды. Около 70 % выбросов авиационных двигателей на авиакеросине составляет углекислый газ (CO2), еще порядка 30 % - водяной пар (H2O). Оба этих газа являются парниковыми газами. Также выбросы АД содержат загрязняющие вещества, такие как оксиды серы SOx, несгоревшие углеводороды HC, угарный газ CO, оксиды азота NOx, твердые частицы и другие компоненты, содержание которых вместе составляет порядка 1%. Проблемой воздействия гражданской авиации на экологию стали заниматься в начале 70-х годов 20 века. Критических зон воздействия существует три: приземный слой атмосферы, где важна аэродромная эмиссия, верхняя тропосфера на высоте около 10 км, где проходит крейсерский полет гражданских самолетов, а не так давно к этому прибавилась нижняя стратосфера (15-22 км), где, как предполагается, должен проходить крейсерский полет сверхзвукового транспорта будущего. В первой зоне воздействие заключается в непосредственном ущербе здоровью людей. Во второй авиация воздействует на изменение климата. В третьей зоне возможно истощение озонового слоя в результате воздействия авиации. Страница 35 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года В 1999 году был опубликован Специальный отчет по авиации и глобальной атмосфере, подготовленный по запросу ИКАО Межправительственной комиссией по изменению климата в сотрудничестве с Монреальским протоколлом о веществах, уменьшающих озоновый слой. По запросу ИКАО новые научные данные по влиянию авиации на экологию были опубликованы в 4-ом Оценочном докладе Межправительственной комиссии по изменению климата в 2007 году. В докладе в частности говорилось, что: - в 2005 конденсационные следы летательных аппаратов составили 3% от всего антропогенного радиационного воздействия, В РОССИИ В России суммарный расхода топлива авиакомпаниями в 2011 году составил 6.9 млн тонн. Исходя из массы 3,1 – 3,2 кг углекислого газа, образующегося при сжигании 1 кг авиационного топлива, суммарный выброс CО2 гражданской авиацией составил 21-22 млн. тонн, что составляет примерно 0,85 % от общего объема выброса парниковых газов российским государством. Исходя из данных по эмиссии авиационными двигателями загрязняющих веществ (НС, СО, NОх) в течение стандартного взлетно-посадочного цикла, их выброс воздушным транспортом России оценивается в 230 тысяч тонн, что составляет 1,1 % от валового объема выбросов в России загрязняющих воздух веществ от стационарных источников (20640 тыс. т в 2007 г.). 36 - общие выбросы двуокиси углерода от авиации составляют около 2% от всех глобальных выбросов, - объем выбросов СО2, как ожидается, будет расти на 3-4 процента в год. Пятый оценочный доклад будет опубликован в 2014 году и в нем будут содержаться еще более уточненные данных о влиянии гражданской авиации на экологию. В 2011 мировые авиакомпании произвели 676 млн тонн выбросов основного парникового газа СО2, что составило примерно 2% из 34 млрд тонн, произведенных в результате деятельности человека . Сверхнормативному воздействию шума от различных источников в России подвергаются свыше 10 млн. человек, и имеется тенденция к увеличению этого показателя. Вклад воздушного транспорта по этому показателю в ряде городов значителен, вследствие приближения населенных пунктов к границам аэропортов в результате зачастую нескоординированной градостроительной деятельности. По оценкам, в России от сверхнормативного авиационного шума страдают до 3,5 млн. человек (то есть, вклад воздушного транспорта РФ в общегосударственную проблему повышенной зашумленности может оцениваться на уровне 35 %). ЧТО ОЖИДАЕТСЯ Если в ХХ веке для гражданской авиации были важны показатели скорости, дальности и экономики, то в ХХI веке важнейшими показателями стали экологические характеристики. В гражданской авиации Страница 36 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года произошло смещение приоритетов, и требования по экологии стали вторыми по актуальности, уступая первое место только безопасности полетов. Международная организации гражданской авиации (ИКАО), отвечающая перед ООН за мировой гражданский воздушный транспорт, проводит твердую политику на повышение его экологической безопасности, что находит отражение в постоянном ужесточении нормативных требований к шуму и эмиссии вновь создаваемых и эксплуатируемых воздушных судов. На 37 Ассамблее ИКАО года была принята резолюция A37-19 «Сводное заявление о постоянной политике и практике ИКАО в области охраны окружающей среды. Изменение климата», в рамках которой: - принята цель глобального среднего ежегодного повышения топливной эффективности на 2 % до 2020 года и желательного повышения топливной эффективности на 2 % в год с 2021 по 2050 год; - государствам-членам ИКАО рекомендуется представить свои планы действий по сокращению выбросов с кратким изложением соответствующей политики и мер к концу июня 2012 года и ежегодно направлять в ИКАО данные об эмиссии CO2 международной авиации; - инициирована разработка рамок применения рыночных мер (РМ) в международной авиации; - разрабатывается глобальный стандарт на CO2 для воздушных судов. Качественно новым обстоятельством стало решение 37-ой Ассамблеи о подготовке тома 3 Приложения 16, который будет содержать требования по нормированию выбросов воздушными судами (ВС) парниковых газов, основанного на критерии расхода топлива на пассажирокилометр. Традиционно проблема увеличения топливной эффективности ВС являлась проблемой увеличения экономической эффективности эксплуатации ВС – важнейшая проблема авиационной техники в целом. Так как на топливную эффективность ВС оказывает влияние множество факторов (КПД авиадвигателей, аэродинамическое совершенство ВС, используемые топлива, эксплуатационные процедуры и др.), то проблема увеличения топливной эффективности ВС является глобальной для авиационной промышленности. Начиная с 2013 года, данная проблема в авиации приобретает новое звучание – характеристики топливной эффективности ВС 37 будут не ограничиваться экономическими показателями эффективности эксплуатации ВС, как это происходит в настоящее время, а нормироваться через экологические стандарты. Поэтому, если в настоящее время авиакомпании решают вопрос о закупке ВС, исходя из экономических требований топливной эффективности, то уже в недалеком будущем создание экономичных по топливу самолетов, не удовлетворяющих при этом экологическим нормам, окажется лишенным смысла, поскольку такой самолет будет запрещен к эксплуатации в силу других экологических факторов. Авиационная индустрия разделяет вектор развития воздушного транспорта, направленный на повышение его экологичности. На саммите «Экология и Авиация» в сентябре 2010 года, организованном ATAG, представители авиационной индустрии (производители ЛА, авиакомпании, аэропорты и др.) провозгласили следующие цели: - в среднем на 1,5% в год повышать топливную эффективность авиации вплоть до 2020 года, - к 2020 году достичь углерод-нейтрального роста, - к 2050 году в два раза сократить эмиссию по сравнению с уровнем 2005 года. Поскольку международная авиация не подпадает под действие Киотского протокола, единых финансовых инструментов по стимулированию защиты климата для нее не существует. Однако некоторые страны уже устанавливают свои собственные органичения в этой сфере. Так, с 2012 Европейский Союз в одностороннем порядке включил международные перевозки, выполняемые в Европу и из нее в европейскую систему торговли квотами на выброс парниковых газов, придав ей экстерриториальный характер, чем вызвал недовольство других стран, которые считают, что подобные инициативы должны иметь глобальный характер и приниматься в рамках ИКАО. На сегодняшний день европейская система торговли квотами является единственной международной системой, регулирующей выбросы двуокиси углерода от авиации. Можно ожидать, что проблема снижения выбросов парниковых газов гражданской авиацией останется актуальной в рассматриваемой перспективе. В рамках деятельности ИКАО в ближайшие годы мировым сообществом будут выработаны согласованные принципы регламентации этих выбросов. Одним из них станет стандарт на расход топлива новых самолетов, который должен быть рассмотрен уже Страница 37 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года на 38 сессии Ассамблеи ИКАО в 2013 году наряду с рыночными методами снижения воздействия международной авиации на климат. В России активно принимаются меры по снижению уровня загрязнения окружающей среды от воздействия гражданской авиации. 38 Разработан Национальный план сокращения эмиссии от воздействия гражданской авиации. Принятые меры позволили сохранить объем эмиссии парниковых газов на уровне 2008 года, при этом объемы авиаперевозок увеличились на 40%. Страница 38 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 39 АВИАЦИЯ и ЭНЕРГЕТИКА Под редакцией …………………(ЦИАМ) Основу современной мировой энергетики составляют ископаемые углеводородные ресурсы. В 2009 году мировое потребления первичных энергоресурсов превысило 12 млрд тонн нефтяного эквивалента, 80% из которых пришлось на нефть, уголь и природный раз. Основным источником энергии для воздушных судов гражданской авиации является стандартный авиационный керосин, используемый в турбореактивных двигателях и получаемый из средней керосиновой фракции нефти. Авиационный керосин обладает некоторыми специфическими свойствами, которые предопределяют его использование в авиации, такие как высокая теплотворная способность, высокая температура вспышки, низкотемпературные характеристики, стабильностью, способность выступать в двигателе в качестве хладагента и смазки. Его производство занимает особое, не самое большое место в нефтеперерабатывающей промышленности. По данным IEA в 2009 году доля производства авиационных топлив в мировом объеме продуктов нефтепереработки составил 6,2%. По данным Airbus, в зависимости от цены на нефть, доля расходов на топливо в операционных расходах авиакомпании может колебаться от чуть более 20% до почти 40%. При резком росте цен на авиатопливо авиаперевозки становятся нерентабельными и их доступность значительно падает. Цены на нефть зависят от множества факторов, в том числе политических, сложно поддающихся прогнозированию. Однако можно с уверенностью утверждать, что с увеличением потребления углеводородов в прогнозный период снижения цен на нефть, а вместе с ней и на авиационный керосин ожидать не следует. В 2011 году авиакомпании мира потребили 271 млрд литров авиакеросина стоимостью порядка 178 млрд долларов. При этом цена на авиакеросин находится в прямой зависимости от цены на нефть на мировом рынке, которая в свою очередь может существенно меняться, например в 2008 году цена на нефть упала с $147 за баррель в июне до $40 в декабре Можно с уверенностью утверждать, что в прогнозный период нефть, а также другие ископаемые углеводороды будут оставаться основными источниками энергии для мировой экономики. Страница 39 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года По данным Прогноза-2030, доказанных запасов конвенциональной нефти достаточно для обеспечения мирового потребления в течение 40 лет. Запасы всех типов неконвенциональной нефти оцениваются в 2030 млрд баррелей в пессимистическом варианте и 3750 млрд баррелей в оптимистическом. Доказанные запасы конвенционального природного газа оцениваются в 180 трлн куб.м. С учетом неконвенционального газа, включая сланцевый и «запертый» газ, а также метана из угольных пластов, извлекаемые запасы достигают примерно 800 трлн куб.м. Россия занимает первое место в мире по запасам природного газа (23 процента мировых запасов). Доказанные запасы угля позволяют поддерживать текущее его потребление на протяжение 120 лет, а с учетом неконвенционального угля – не менее 200 лет. Россия удерживает второе место в мире по запасам угля (19 процентов мировых запасов). 40 Энергетическая стратегия Российской Федерации до 2030 года также предусматривает в прогнозный период сохранение ведущей роли традиционного углеводородного сырья, однако признает необходимость расширения нетопливных источников энергии (атомная, гидро, возобновляемые) Внутреннее потребление (млн. тонн условного топлива) в том числе из общего потребления (млн. тонн условного топлива): газ жидкие (нефть и конденсат) твердое топливо (уголь и прочее) Нетопливные 2008 год (факт) 991 2030 1375 1565 526 187 656 - 696 309 - 343 175 248 - 302 103 163 - 224 53,1 18,9 44,5 - 47,7 21,9 - 22,5 17,7 18 - 19,3 10,4 11,8 - 14,3 По данным IEA, при сохранении текущей политики в области изменения климата (CPS – Current Policy Scenario) к 2035 году потребление первичных энергоресурсов к может вырасти до 18 млрд т нефтяного эквивалента. При этом 4/5 этого потребления по-прежнему будут удовлетворяться за счет ископаемых углеводородов. то же (процентов): газ жидкие (нефть и конденсат) твердое топливо (уголь и прочее) нетопливные При реализации мер по удержанию концентрации диоксида углерода в атмосфере на уровне 450 частей на миллион потребление энергоресурсов к 2035 году может составить чуть меньше 15 млрд тонн нефтяного эквивалента. При этом увеличится доля альтернативных источников энергии, а также ядерной энергетики. В Энергетической стратегии 2030 говорится о необходимости развития технологий производства водорода (в том числе жидкого) из воды с использованием электроэнергии от атомных, тепловых электростанций и возобновляемых источников энергии; овладения энергией термоядерного синтеза на базе отечественных инновационных технологий и продуктивного международного сотрудничества, включая создание экспериментального термоядерного реактора (ИTEР), а также расширения производства и использования новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы. Существенная роль в Энергетической стратегии 2030 также отводится вовлечению в топливно-энергетический баланс страны таких новых возобновляемых источников энергии, как геотермальная, солнечная, ветровая энергия, биоэнергия и др. Между тем, в связи с ожидаемым ростом цен на нефть, ужесточением экологических требований Страница 40 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года по вредным выбросам, а также стремлением уменьшить свою зависимость от нефти, гражданская авиация в развитых странах обращает свой взгляд на альтернативные виды топлива. Ведущие авиапроизводители и авиакомпании в этих странах уже сделали ставку на биотопливо, которое представляется возможным производить из различных видов биомассы и органических отходов. Преимуществом авиационного биотоплива является то, что его применение не не связано с изменениями существующих двигателей и топливной инфраструктуры. Биотоплива могут рассматриваться как углероднейтральный источник энергии, то есть диоксид углерода, выделяемый при их сгорании компенсируется количеством диоксида углерода, поглощенного биомассой из атмосферы во время роста. Однако затраты энергии на выращивание, транспортировку и переработку биомассы снижают данный эффект. Кроме того, расходование пресной воды и сельскохозяйственных угодий на производство топлива в условиях, когда значительная часть населения Земли испытавает проблемы с продовольственным обеспечением вызывает критику. Тем не менее, эффект компенсации выбросов двуокими углерода за счет использования биотоплив второго поколения может составлять 80%. Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) выдвигает цель достижения доли использования биотоплив нового поколения к 2020 году на уровне 6%. Западные сертификационные органы в 2009 одобрили способ производства авиакеросина из биомассы (biomass-to-liquid) с помощью процесса Фишера-Тропша, а в 2011 был одобрен метод производства биотоплива из растительного масла. Рассматриваются также другие процессы, с помощью которых возможно производство биотоплива. Такая сертификация позволяет авиакомпаниям использовать биотопливо на пассажирский рейсах в пропорции с обычным керосином вплоть до 50%. На 2011 год в мире уже состоялось порядка 1500 пассажирских рейсов с использованием биотоплив (смести биотоплива и обычного авиакеросина). Например, 13 октября 2011 года был выполнен рейс Air France AF6129 из аэропорта Бланьяк в г. Тулузе в Парижский аэропорт Орли 41 длительностью 1 час 20 минут, в котором были достигнуты наименьшие показатели выброса СО2 в мире. Рейс выполнялся на самолете А321. Выбросы в результате этого рейса составили 54 г СО2 на пассажирокилометр – вдвое меньше, чем выбросы стандартного рейса. Для достижения этого результата Air France применила ряд мероприятий, чтобы снизить уровень выбросов парникового газа: использовала 50% смесь экологичного биотоплива, оптимизировала процесс полёта и снизила бортовой вес. Было показано, что на 80 % меньше выбросов СО2 было достигнуто благодаря использованию биотоплива. В прогнозный период следует ожидать активного продвижения внедрения биотоплив в авиации со стороны развитых стран, в том числе с использованием стимулирующих и запретительных финансовых механизмов. Получат распространение системы торговли квотами на выброс. Благодаря этим инструментам можно снизить стоимость биотоплива по сравнению с традиционным топливом. В европейской системе торговли квотами (ETS) CO2, образующийся при сгорании экологически чистых биотоплив, не учитывается. Водород также рассматривается в качестве перспективного альтернативного источника энергии для авиации. Он обладает в три раза большим энергетическим потенциалом, чем керосин, однако даже в жидком виде требует вчетверо большего объема. При его сжигании в двигателе не образуется СО2, а также снижаются выбросы NOx Возможно также его использование в топливных элементах на производства электроэнергии на борту. Проблемы с применением водорода связаны с одной стороны с технологическими трудностями при его транспортировке и хранении, а с другой стороны – энергозатратностью его получения. Массовое производство водорода, в том числе жидкого, возможно при помощи ядерной энергетики (в будущем - термоядерный синтез). Ожидается, что в прогнозный период водород не получит широкого распространения в авиации, однако водород не без основания рассматривается как энергоноситель будущего. Для России является актуальным использование авиационного сконденсированного топлива (АСКТ), получаемого в том числе из спутного нефтяного газа, в районах, где большие запасы его до сих пор сжигается в факелах на нефтяных Страница 41 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года месторождениях. Это позволит решить проблему обеспечения авиатопливом отдаленных северных регионов страны. Согласно Энергетической стратегии 2030, максимально полная утилизация и сбережение ресурсов попутного нефтяного газа является одной из стратегических задач 42 нефтяного комплекса. Стратегия предусматривает, что уже к окончанию первого этапа ее реализации будет эффективно использоваться 95 процентов извлекаемого попутного нефтяного газа. Страница 42 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 43 ТРЕБОВАНИЯ ИКАО Под редакцией В.Л.Суханова (ЦАГИ), В.Ф.Копьева (ЦАГИ), ……………(ЦИАМ) Гражданская авиация представляет собой жестко регулируемый вид деятельности. Регулирование осуществляется как на национальном, так и на международном уровне. Выраженный международный аспект авиаперевозок с самого начала предопределил невозможность обособленного развития авиации в отдельных странах и необходимость создания наднационального регулятора, которым в 1944 стала Международная организация гражданской авиации (ИКАО), объединяющая по состоянию на октябрь 2011 года 190 государств. ИКАО разрабатывает Стандарты и Рекомендуемые практики, охватывающие почти все технические и организационные аспекты гражданской авиации, которые подлежат реализации в странах, подписавших Чикагскую конвенцию. Стратегическими целями ИКАО провозглашает безопасность полетов, авиационную безопасность и защиту окружающей среды от воздействия авиационного транспорта. В Основах государственной политики РФ в области авиационной деятельности до 2020 года повышение авиационной безопасности и безопасности полетов воздушных судов с учетом требований международных стандартов и рекомендаций ИКАО, а также выполнение требований по охране окружающей среды, в том числе снижение выбросов парниковых газов в сфере деятельности гражданской авиации провозглашаются главными целями государственной политики Российской Федерации в области авиационной деятельности. Безопасность полетов Под данным ИКАО за 10 лет с 2000 по 2010 году среднее количество авиационных происшествий на 1 млн регулярных вылетов составило 4,08. Общепризнанность и соблюдение норм ИКАО позволили гражданской авиации стать одним из самых безопасностных видов транспорта. По данным Aviation Safety Network (ASN) в 2011 г. в мире с коммерческими воздушными судами произошло 28 авиакатастроф: на борту самолетов погибли 507 человек, а на земле в результате этих ЧП - еще 14. Для сравнения, по данным ВОЗ, каждый год в дорожно-транспортных происшествиях погибают более 1 млн человек, а 20-50 млн получают травмы. Согласно Чикагской конвенции государствачлены обязуются максимально возможно реализовывать в своих странах стандарты ИКАО, однако это не является строго обязательным, а о невозможности их осуществления необходимо уведомить организацию. Между отдельными странами существует большой разброс по уровню безопасности полетов. К сожалению, эксперты ASN отмечают низкие показатели по безопасности полетов в России, где в 2011 год произошло 6 катастроф, в которых погибли 97 человек. Это соответствует 21,4 процента от количества всех фатальных происшествий в мире и 19,1 процента от общего числа погибших. Страница 43 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Поскольку в ближайшие 20 лет объем мировых гражданских авиаперевозок может увеличиться более чем в два раза, для поддержания существующего уровня безопасности полетов необходимо ее повысить как минимум в два раза, однако реально стоит задача повысить безопасность полетов в 5 раз уже к 2020 году. В Транспортной стратегии 2030 говорится, что к 2030 году количество авиационных происшествий в Российской Федерации должно быть снижено примерно в 2,5 раза по отношению к показателям безопасности полетов в 2007 году, что будет соответствовать уровню безопасности полетов в США и странах Европейского союза. В 2030 году уровень безопасности полетов не должен превышать 0,008 авиакатастрофы на 100 тыс. часов налета при осуществлении регулярных перевозок. ИКАО была разработана Глобальная программа обеспечения безопасности полетов. В июле 2010 была принята Поправка 101 к Приложению 8, согласно которой члены организации обязаны до 14 ноября 2013 года внедрить в своих странах Государственные программы безопасности полетов. ИКАО будет отслеживать ход реализации этих Государственных программ, которые позволят реализовать новые подходы к обеспечении безопасности полетов, основанные прежде всего на предупреждении аварий и катастроф. Авиационная безопасность В 1944 году, когда принималась Чикагская конвенция, никто не мог представить, насколько в будущем станет актуальной проблема защиты гражданской авиации от несанкционированного воздействия третьих лиц. Однако в конце 60-х стала очевидной необходимость регулирования в этой сфере. В 1974 году было принято Приложение 17 к Чикагской конвенции, посвященное авиационной безопасности, которое с тех пор претерпело 12 обновлений, последний раз – 1 июля 2011 года. Особое значение вопрос авиационной безопасности приобрел после захвата самолетов в США 11 сентября 2001 года. Для России вопрос обеспечения авиационной безопасности также является актуальным. Отсутствие действенных мер в этой области привело 24 августа 2004 года к трагедии с самолетами Ту-134 и Ту-154, которые взорвали в воздухе террористки-смертницы. Погибло порядка 90 человек. 24 января 2011 года в 44 результате взрыва в аэропорту Домодедово погибли 37 человек. По данным Росавиации, в 2011 году предпринят 71 акт незаконного вмешательства в деятельность воздушного транспорта России. В аэропортах было досмотрено свыше 60 млн пассажиров, пресечено 56 тыс. попыток проноса на борт запрещенных предметов. Защита окружающей среды Международная организация ИКАО уделяет повышенное внимание проблемам экологии авиационного транспорта фактически с момента своей организации. Основным принципом политики ИКАО является обеспечение непрерывного снижения неблагоприятного воздействия гражданской авиации на окружающую среду при предотвращении создания чрезмерных экономических трудностей для хозяйствующих субъектов (эксплуатантов воздушных судов). Рекомендуемые ИКАО меры являются разумным компромиссом между желаемым снижением вредного воздействия авиации, а также техническими и экономическими возможностями его достижения. Экологические нормы ИКАО носят рекомендательный характер и реализуются в странах путем их включения в национальные законодательные акты. Российская Федерация, являясь членом ИКАО, в своей авиационной экологической политике руководствуется соответствующими рекомендациями ИКАО, но учитывает при этом национальные интересы. Сертификационные требования, предъявляемые к вновь создаваемой в России авиационной технике (Авиационные правила часть 34 и часть 36), полностью соответствуют рекомендациям Приложения 16 к Конвенции о международной гражданской авиации ИКАО. К настоящему времени основными целями ИКАО в области снижения неблагоприятного воздействия авиации на окружающую среду являются: ограничить или уменьшить влияние производимых авиацией парниковых газов; - ограничить или уменьшить влияние эмиссии авиации на местное качество воздуха; - ограничить или уменьшить число людей, подверженных значительному шуму ЛА; Страница 44 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - ограничить или уменьшить число людей, подверженных звуковому удару, создаваемому сверхзвуковыми ЛА Согласно установленным процедурам ИКАО, введению новых норм предшествует тщательный анализ экологических показателей эксплуатируемых ВС, объемов авиаперевозок с учетом числа эксплуатируемых ВС каждого типа, экологическая обстановка в зоне аэропортов, а также прогноз вновь развиваемых технологий снижения шума и эмиссии, роста объемов авиаперевозок с учетом ввода в эксплуатацию новых и вывода старых ВС. КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД ИКАО Начиная с заседания САЕР/7 (февраль 2007 года, Монреаль), ИКАО начал рекомендовать качественно новый подход к экологическим характеристикам ВС, в котором уже на стадии формирования концепции создаваемого ВС необходимо закладывать такие его характеристики, которые приведут к наименьшему негативному воздействию, как на окружающую среду, так и на пассажиров и экипаж ВС. Реализация данного подхода предполагает детальную проработку сценариев 45 применения создаваемого ВС, учитывающих место ВС в транспортной системе, базу данных полетов, зоны негативного влияния ВС вблизи аэропортов, а также влияния на климат на режимах крейсерского полета. В качестве инструмента проведения такой точки зрения на заседаниях комитетов САЕР обсуждается разработка «Экологического паспорта ВС». В связи с этим сегодня ИКАО рекомендует использовать комплексный подход к выбору воздушного судна с учетом негативных сторон его эксплуатации, который включает в себя: - снижение шума и эмиссии в источнике возникновения, т.е. в самом летательном аппарате; - эксплуатационные приемы пилотирования взлета и посадки, выбор траектории полета с минимальным шумом и эмиссией; - ограничение землепользования территории вблизи аэропортов с учетом требований экологии; - ограничение и даже запрет на эксплуатацию летательных аппаратов, не выполняющих требования экологии. Схема принятия решения о создании воздушного судна с учетом его воздействия на окружающую среду Место воздушного судна в транспортной системе. Предварительный маркетинг. Характеристики самолета и двигателя. База данных полетов. База данных аэропортов. Затраты Воздействие авиации на окружающую среду. – эмиссия: климат, качество воздуха; – шум: влияние на людей. Выгода Окончательное принятие решения Уже сегодня САЕР смещает акцент своих рекомендаций с самолета, как основного предмета всей системы авиационной деятельности на всеобъемлющее рассмотрение развития воздушного транспорта с учетом сложившихся рынков, маршрутов авиаперевозок, экономической выгоды и экологии. Таким образом, имеющий место сегодня комплексный Страница 45 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года подход к проблеме экологии эксплуатации воздушных судов делает экологические характеристики авиационного транспорта одними из главных показателей, которые определяют его конкурентоспособность на мировом рынке и возможность эксплуатации на международных авиалиниях. Во исполнение решений 37 Ассамблеи ИКАО, состоявшейся в сентябре-октябре 2010 года, в рамках рабочей группы WG1 CAEP продолжается процесс установления статуса технологий, в котором задействованы ведущие предприятия авиапромышленности мира. Эта работа по анализу и валидации разрабатываемых в настоящее время технологий снижения шума и эмиссии является первоочередной в приоритетах ИКАО, так как от её результатов зависит принятие на CAEP/9 в 2013 году новых ужесточенных норм по авиационной экологии. В целом, данная деятельность демонстрирует взвешенный подход к разработке прогноза развития новых технологий в области авиаэкологии, в составлении которого принимают участие ведущие специалисты мира. Динамика ужесточений требований ИКАО по экологическим характеристикам гражданских самолетов Эмиссия Еще в 1973 году Ассамблея ООН поручила ИКАО решить задачу сокращения выбросов в районе аэропортов. В 1981 году появился первый стандарт на эмиссию в виде тома 2 Приложения 16 к Конвенции. Под стандарт попали турбореактивные двигатели с взлетной тягой от 26,7 кН. На сегодняшний день контролируется эмиссия трех газообразных веществ: оксидов азота (NOx), оксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (HC), а также дыма (SN). В настоящее время работа комитета ИКАО по экологии – CAEP - находится на новом этапе. Со второй половины 90-х годов разрабатывается новая версия стандарта по контролю эмиссии во 46 всех критических зонах атмосферы, а не только в районе аэропорта. В него могут попасть двигатели для сверхзвуковых пассажирских самолетов 2 поколения, а также новые вещества, такие как оксид серы. На протяжении времени нормы эмиссии ИКАО постоянно ужесточались (в 1996, 2004 и 2008 годах), в частности относительно выбросов оксидов азота. На 37 Ассамблее ИКАО было принято решение о новом ужесточении. В частности, было решено прекратить с 31 декабря 2012 года производство двигателей, не соответствующих нормам ИКАО 2008, а также ужесточить с 1 января 2014 года нормы на эмиссию NOx еще на 5-15% по отношению к нормам 2008. Кроме того, были утверждены прогнозные уровни снижения эмиссии для некоторых двигателей относительно норм 2008 на 45% и 60% к 2020 и 2030 годам соответственно. Также было решено к 2013 году разработать новый стандарт на эмиссию СО2 для дозвуковых самолетов массой более 32,5 т с планируемым снижение на 20% к 2020 году и на 50% к 2050 году. Следует отметить, что проблема воздействия NOx на климат возможно потребует установить норму для эмиссии в верхних слоях атмосферы. Шум Излучение шума летательными аппаратами и воздействие на население вокруг аэропортов впервые стало серьезной проблемой с появлением гражданских самолетов с ТРД в 1952. Происхождение стандартов ИКАО по шуму и защите окружающей среды берет свое начало в 1966 на Международной Конференции по снижению шума. Два года позже ИКАО выпустило резолюцию Ассамблеи 16-3 «Шум летательных аппаратов вблизи аэропортов», и таким образом приняло решение созвать международную конференцию ИКАО с целью рассмотреть проблему шума летательных аппаратов вблизи аэропортов и принять стандарты измерения и ограничения шума летательных аппаратов. Как результат Резолюции ассамблеи 16-3, в 1969 году в Монреале прошло Специальное Собрание по шуму летательных аппаратов вблизи аэропортов. Одним из результатов Специального Собрания было создание комитета CAN (Comitee on Aircraft Noise Шуму – Комитет по Шуму Летательных Аппаратов). Цель комитета была помочь ИКАО в разработке стандартов сертификации по шуму для летательных аппаратов. Базируясь на рекомендациях Страница 46 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Комитета и следуя статье 37 Чикагской Конвенции, ИКАО приняло Приложение 16 к Чикагской Конвенции в апреле 1971. В 1981 ИКАО расширило рамки Приложения 16 вне стандартов сертификации по шуму с включением стандартов сертификации по эмиссии летательными аппаратами вредных газов. Название Приложения 16 изменилось на «Защита окружающей среды» с целью отобразить расширившиеся рамки Приложения. Аналогично название комитета CAN было изменено в 1983 на Комитет по Защите окружающей Среды в Авиации (Comitee on Aviation Environmental Protection CAEP) с целью отразить расширившиеся рамки заботы об окружающей среде. CAEP состоит из экспертов по авиации и экологии и предоставляет рекомендации и советы Совету ИКАО и Ассамблее ИКАО. Стандарты ИКАО по сертификации по шуму теперь представлены в Томе 1 Приложения 16. Том 1 Приложения 16 состоит из следующих тринадцати глав: Глава 2 содержит стандарты для большинства дозвуковых самолетов с ТРД, для которых сертификат летной годности для прототипа был получен и принят сертифицирующими органами до 6 октября 1977 года. Глава 3 содержит стандарты, применимые к: - дозвуковым самолетам с ТРД, для которых сертификат летной годности прототипа был получен и принят сертифицирующим органом 6 октября 1977 или позже. - винтовым самолеты массой более 5700 кг, для которых заявка на сертификат типа подана 1 января 1985 года или позже и до 17 ноября 1988 года. - винтовым самолеты массой более 8618 кг, для которых заявка на сертификат типа подана 17 ноября 1988года или позже и до 1 января 2006 года. Глава 4 содержит стандарты, применимые к: - дозвуковым реактивным самолетам, для которых заявка на сертификат типа подана 1 января 2006 года или позже - винтовым самолетам массой более 8618 кг, для которых заявка на сертификат типа подана 1 января 2006 года или позже. Глава 5 содержит стандарты, применимые к винтовым самолетам массой более 5700 кг, для которых заявка на сертификат типа подана до 1 января 1985 года. Глава 6 содержит стандарты, применимые к винтовым самолетам массой не 47 более 8618 кг, для которых заявка на сертификат типа подана 17 ноября 1988 года или позже. Глава 7 содержит стандарты, применимые к винтовым самолетам короткого взлета и посадки (КВП). (зарезервирована, стандарты еще не сформулированы.) Глава 8 содержит стандарты, применимые к вертолетам. Глава 9 содержит стандарты, применимые к вспомогательным силовым установкам (ВСУ) и связанных с ними бортовыми системами во время работы в наземных условиях. Глава 10 содержит стандарты, применимые к винтовым самолетам массой не более 8618 кг, заявка на сертификат типа которых или модифицированного варианта подана 17 ноября 1988 года или позже. Глава 11 содержит стандарты, применимые к вертолетам с максимальной сертифицированной взлетной массой не более 3175 кг. Глава 12 содержит стандарты, применимые к сверхзвуковым самолетам. (предлагается сертифицировать сверхзвуковые самолеты по стандартам Главы 2.) Глава 13 содержит стандарты, применимые к воздушным судам с поворотными винтами. (зарезервирована, стандарты еще не сформулированы.) Каждая из данных глав Приложения 16, являясь юридическим документом, содержит описание области применимости формулируемого стандарта, перечень необходимых сертификационных измерений, их методов и местоположения контрольных точек измерений, нормы по шуму, предъявляемые данной главой к определенному типу летательных аппаратов, а также другие разделы. В рамках заседаний САЕР/8, предварявших 37 Ассамблею ИКАО, были выработаны целевые технологические показатели снижения шума и эмиссии. Согласно прогнозу в среднесрочной перспективе (2018 год) достижимый прогресс снижения шума в классе региональных самолетов оценивается в 13,0 EPNдБ, для класса БСМС – в 21,0 EPNдБ. В дальнесрочной перспективе (2028 год) достижимый прогресс снижения шума в классе региональных самолетов оценивается в 20,0 EPNдБ, для класса БСМС – в 22,5 EPNдБ, для класса ДМС (с 2-мя двигателями) – 24,5 EPNдБ. Звуковой удар Впервые технические и экономические проблемы эксплуатации СПС были поставлены в сентябре Страница 47 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 1962 года на 14 Ассамблее ИКАО в резолюции А14-7. Временной отрезок постановки самой проблемы звуковых ударов совпадает со временем начала работ по созданию первого поколения СПС. Далее эти положения были вновь подтверждены в сентябре 1968 года на 16 Ассамблее ИКАО в резолюции А16-4, где было указано, что политика ИКАО должна способствовать исключению всех вредных последствий эксплуатации СПС, в частности, исходящих от шума на местности и звукового удара. Данная резолюция была принята за три месяца до первого испытательного полета первого СПС - Ту-144 (31 декабря 1968 года). Первый вылет Concorde состоялся 2 марта 1969 года. В 1969 году ИКАО активно занималось формированием основ международного контроля звуковых ударов СПС. Была создана экспертная группа ИКАО с целью выработки предложений по нормированию звуковых ударов. Работа данной экспертной группы не привела к выработке какой-либо метрики нормирования звуковых ударов, но было выработано предложение о неприемлемости звуковых ударов СПС в принципе. Тем не менее, экспертная группа сделала шаг в направлении разработки метрик нормирования звуковых ударов, предложив в октябре 1970 года в Монреале план всесторонних исследований влияния звуковых ударов на людей, животных, сооружения и территории в целом, закрепленный в документе 8894, SBP/II. Данный план состоял из четырех последовательных этапов, которые необходимо было реализовать для разработки международных стандартов по звуковым ударам. На первой стадии предполагалось проведение научных исследований самих звуковых ударов, способов их измерения, а также психофизических последствий воздействия звуковых ударов на людей и животных. Далее предполагалась разработка количественных метрик описания звуковых ударов и определение верхних параметров, при которых звуковые удары становятся неприемлемыми. На конечной стадии предполагалось создание международных стандартов по нормированию звуковых ударов. В марте 1971 года Совет ИКАО преобразовал экспертную группу в Комитет по звуковому удару, который до июня 1973 года реализовывал план экспертной группы. Итогом работы Комитета стали четыре документа «Projected SST Routes», «Review of Technical Data», «Legal/Operational Aspects» и «Effects on Sonic Boom on Human Beings», представленные в июне 1973 года в 48 документе 9064, SBC/2. Однако выработать предельные допустимые значения звуковых ударов в рамках данной деятельности не удалось, что и было отмечено в указанном документе. Далее деятельность Комитета по звуковому удару была прекращена, а саму проблему Совет ИКАО передал в ведение Технической Комиссии по СПС (Technical Panel on Supersonic Transport Operations). В течение 1973 и 1974 Комиссия по СПС продолжала предшествующие усилия по выработке руководящих материалов в области звуковых ударов. Итогом деятельности Комиссии стал циркуляр ИКАО 126-AN/91 «Guidance Material on SST Aircraft Operations», в котором были представлены результаты исследований звукового удара, включая данные, полученные из летных экспериментов. Деятельность Комиссии по СПС привела к введению в январе 1975 года Главы 12 тома 1 Приложения 16 по нормированию шума СПС на местности. Однако выработать в рамках данного процесса параметры нормирования звуковых ударов СПС не удалось. Данное статус-кво имело место до конца XX века. В сентябре 2001 года на 33-й Ассамблее ИКАО была принята резолюция А33-7, в которой в Приложении G подтверждается основное положение, сформулированное в резолюции А164: звуковые удары, создаваемые СПС, не должны оказывать неприемлемые воздействия на людей, животных, сооружения и территории в целом. Никаких количественных метрик нормирующих параметры воздействия звуковых ударов предложено не было. Как видно, в течение нескольких десятилетий мировому сообществу не удалось сформулировать критерии приемлемых уровней восприятия звуковых ударов, создаваемых СПС. Этому обстоятельству способствовало принятие в США в марте 1973 года закона 14 CFR § 91.817 о звуковом ударе, создаваемом СПС (U.S. regulations on Civil Aircraft Sonic Boom). Данный закон устанавливает «нулевой вариант» - не допускаются полеты гражданских самолетов над территорией США с числами Маха, превышающими 1, то есть создание звуковых ударов при полете гражданских самолетов просто запрещается. Данный закон действует до сих пор, а его принятие стало следствием признания факта существенной значимости вреда, наносимого звуковым ударом, создаваемым СПС. Страница 48 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года CAEP/7 ИКАО, действовавший в период 2002-2006 годов, возобновил работу в области разработки нормирования звуковых ударов, нацелив её на исследование возможности создания легких административных сверхзвуковых самолетов. В качестве инструмента выполнения указанной задачи была создана Целевая группа по сверхзвуковым воздушным судам (SSTG) Рабочей группы 1 (WG 1). Задача Целевой группы состояла в продвижении работы по пунктам программы (с N.06 по N.10 в соответствии с добавлением B), связанным с шумом сверхзвуковых воздушных судов, как это было определено на CAEP/7. 49 Деятельность Целевой группы была продолжена в период 2007-2010 годов в рамках работы CAEP/8 ИКАО. Одним из важнейших результатов деятельности Целевой группы стало создание Дорожной карты работ в области воздействия звуковых ударов и задание CAEP/9 от 37-ой Ассамблеи ИКАО направить научные усилия на определение критериев приемлемости звукового удара, которые позволят начать работу над стандартами звукового удара. Страница 49 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 50 ПЛАНЫ ЛИДЕРОВ МИРОВОГО АВИАСТРОЕНИЯ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ АВИАТЕХНИКИ САМОЛЕТЫ За время существования гражданской авиации самолеты постоянно совершенствовались и к настоящему моменту достигли высокого технического уровня, который определяет главные конкурентные качества новых гражданских самолетов, к их числу относятся: - надежность - экономическая эффективность - экологическая эффективность Важнейшим показателем, характеризующим конкурентоспособность самолета, является возможность обеспечить перевозку наибольшей коммерческой нагрузки на наибольшую дальность при минимальном расходе топлива. По данным Airbus, за минувшие 40 лет расход топлива самолетов и следовательно выбросы C02 уменьшились на 70%, шум – на 75%. Расход некоторых современных самолетов составляет порядка 3 литров топлива на перевозку одного пассажира на 100 километров. Современные самолеты способны преодолеть в три раза большее расстояние, используя то же количество топлива, чем 30 лет назад. Существенно возросла надежность, позволившая добиться значительного улучшения безопасности полетов. По данным Airbus, около 70% всего мирового парка гражданских магистральных самолетов 2011 года можно отнести к судам так называемого «нового поколения» Это такие летательные аппараты как a320, 737NG, a330 и a380. Будучи разными по типажу, они построены на современном научно-технологическом базисе с применением наилучших из освоенных технологий (двигатели большой степени двухконтурности, улучшенная аэродинамика, композиционные материалы и др.), которые обеспечивают им высокую надежность, топливную эффективность, соответствие всем международным экологическим требованиям. В зарубежных материалах самолеты такого уровня обозначаются как самолеты современного поколения N. Авиационная индустрия продолжает работать над совершенствованием воздушных судов. Для этого требуется разработка новых технологий и поиска новых решений – процесса, в котором авиационной науке отводится важная роль. Страны-лидеры мирового авиастроения ставят долгосрочные цели развития гражданской авиации и реализуют научно-технические планы их достижения. Так, в объединенной Европе для реализация «Видения для аэронавтики-2020» (Vision-2020) разработан Стратегический план исследований (Strategic Research Agenda). В 2011 году было опубликовано «Видение-2050», в котором сформулировны цели развития европейской гражданской авиации на ближайшие 40 лет. В США одобрен правительством и реализуется «Национальный план исследований и разработок в аэронавтике», в котором указывается, что в 2015 году будут созданы летательные аппараты поколения N+1, в период 2020-2025 годов появятся самолеты поколения N+2, а на 20302035 года намечено появления самолетов поколения N+3, которые будут обладать радикально улучшенными характеристиками. Некоторые важные цели, которые страны-лидеры ставят перед собой в области совершенствования гражданских самолетов, приведены в таблице: Страница 50 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 2015 Безопасность USA EUR CO2 NOx Шум (запас относительно главы 4 ИКАО) USA (расход топлива) EUR USA EUR USA EUR -33% -65% -32 dB 2020 Снижение аварийности в 5 раз Снижение аварийности в 5 раз 2030 -40% -70% и более - 50% -78% -80% - 42 dB - 30 dB При этом необходимо отметить, что, по убеждению многих специалистов, приведенные выше амбициозные целевые показатели, в частности в области авиаэкологии, заложенные в национальный план США и европейские программы Vision 2020 и Vision 2050, носят в определенной степени политический, желаемый характер и не подтверждаются разрабатываемыми на настоящий момент времени реальными технологиями. ВКЛА Развитие мирового вертолетостроения охватывает пять поколений вертолетов. В период 2016-2025 гг. можно ожидать создание вертолетов 6-го поколения. Мировое вертолетостроение сконцентрировано в трех центрах - в США, Западной Европе и России. Основной миссией вертолетов 1-го поколения (середина 40-х и начало 50-х годов) было освоение вертикального взлета и посадки, а также устойчивого режима висения. Это было поколение однодвигательных поршневых вертолетов. Вертолеты 2-го поколения получили новые качества за счет газотурбинных двигателей, применение которых позволило существенно 51 2050 Менее одного происшествия на 10 миллионов коммерческих рейсов -75% -78% и более -90% Уровень шума, сопоставимый с городским -65% увеличить грузоподъемность и весовую отдачу, скорость и дальность полета, и в конечном итоге транспортную производительность. Появление вертолетов 3-го поколения в конце 60х и начале 70-х годов было обусловлено развитием вертолетостроения по всем направлениям, и, характеризовалось, прежде всего, созданием нового поколения газотурбинных вертолетов. Практически во всех классах вертолетов это привело к резкому улучшению летных характеристик (были достигнуты максимальные крейсерские скорости полета около 270 км/ч, потолки висения на уровне 2000 м.) Качественным отличием вертолетов 4-го поколения стали улучшенные эксплуатационные характеристики. В их числе существенно уменьшенные расходы топлива, увеличенные межремонтные ресурсы планера, агрегатов и двигателей, значительно уменьшенная трудоемкость технического обслуживания, внедрение элементов обслуживания по техническому состоянию, использование пилотажно-навигационного и радиосвязного оборудования, позволяющего выполнять фрагменты полета и заходы на посадку в автоматическом режиме. Это обеспечило более Страница 51 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года высокую экономическую эффективность эксплуатации и безопасность полетов. Современные вертолеты 5-го поколения (появление которых началось в 90-х годах) изначально ориентированы на создание базового гражданского варианта вертолета, либо предусматривают доработку с учетом требований к гражданской модификации. Их создание осуществляется с учетом выполнения международных норм по безопасности полетов, воздействию на окружающую среду и качеству перевозочного процесса. Характерными для вертолетов 5-го поколения техническими усовершенствованиями являются: - новое поколение вертолетных профилей; проектирование компоновок несущих винтов с увеличенной круткой и эффективными концевыми частями лопастей, снижающих волновое сопротивление и шум при повышенных скоростях полета; упрощение конструкции втулок несущего винта и снижение их аэродинамического сопротивления, составляющего до 50 % для вертолетов предыдущих поколений; новая форма фюзеляжа и убирающееся шасси; - внедрение композиционных материалов, что обеспечило возможность реализации более совершенных профилей, обеспечивающих высокое аэродинамическое качество несущего винта (НВ) в широком диапазоне чисел Маха и различных условиях обтекания, новых конструкций втулок НВ; - внедрение на гражданских вертолетах двигателей нового поколения, имеющих меньший на 15-30 % удельный расход топлива и меньшую на 25-40 % удельную массу, межремонтные ресурсы составляющие не менее 3 000 летных часов; - расширение функциональных возможностей бортового радиоэлектронного оборудования. Наряду с пилотажно-навигационными задачами (выполнение автоматизированного полета по заданному маршруту, захода на посадку, входа и выхода из режима висения) также решаются задачи мониторинга технического состояния планера, двигателя, систем и агрегатов, как в масштабе реального времени с отображением на цветных многофункциональных индикаторах, так и для последующей наземной обработки. 52 потребностями заказчиков в сочетании с повышением безопасности полетов и снижением эксплуатационных расходов. Исследования в Европе ведутся в следующих областях: - активное управление лопастями несущего винта с целью повышения его эффективности и снижения уровня создаваемого шума, уменьшения лобового сопротивления втулки несущего винта и мотогондол двигателей; - разработка новой архитектуры электросистем, в том числе преобразования тепла от двигателей, редукторов и БРЭО в электроэнергию, - разработка легкого вертолета с дизельным двигателем. На рисунках приведены некоторые целевые показатели по снижению выбросов CO2, NOx, а также снижению шума, которые планирует достичь Европа к 2020 году (по сравнению с уровнем 2000 года). Лидеры мирового вертолетостроения ведут исследования по созданию вертолетов 6-го поколения. Производители вертолетов стараются соблюдать баланс между жесткими требованиями по защите окружающей среды и Страница 52 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 53 Продемонст рировать уменьшение воспринима емого шума на 50% Подводя итог обзору тенденций развития технологий в области вертолетостроения можно перечислить основные технические средства и целевые уровни, достижение которых обеспечит конкурентоспособность отечественных перспективных вертолетов: Исследования в США (NASA) по вертолетной тематике проводятся по четырем основным направлениям: - разработка несущего винта с уменьшенной на 50% частотой вращения для снижения шумности; - внедрение активного управления лопастями; - снижение уровня шума в салоне за счет технологий, используемых на реактивных самолетах бизнес-класса; - разработка технологий для перспективного гражданского тяжелого вертолета вместимостью порядка 90 пассажиров и крейсерской скоростью 487 км/ч. Некоторые целевые показатели США для винтокрылых ЛА (в том числе военных) (по сравнению с уровнем 2005 года) 2015 2020 >2020 Увеличить Увеличить тяговооруженно тяговооруженн сть (+40%) и ость (+70%) и уменьшить шум уменьшить редуктора шум редуктора несущего винта несущего (–15 dB) винта (–20 dB) Уменьшить Уменьшить Уменьшить вибрационные вибрационные вибрационн нагрузки на 20%, нагрузки на ые нагрузки улучшить 25%, улучшить на 30%, эффективность эффективность улучшить горизонтального горизонтально эффективно полета на 2% го полета на сть 5% горизонталь ного полета на 10% Увеличить Увеличить Увеличить эффективность эффективность эффективно висения на 4% висения на 7% сть висения на 10% 1. Новый уровень безопасности полетов - двигатели с цифровой системой управления FADEC, ЭДСУ, отказоустойчивые редукторы (30 минут работы без смазки); - системы предупреждения опасных ситуаций (включая системы предупреждения об опасном сближении с землей и воздушными судами в воздухе, обнаружения и облета препятствий ); - обеспечение мониторинга жизненно важных технических систем вертолета в полете в реальном масштабе времени; - энергопоглощающая и безопасная конструкция 2. Новый уровень экономичности - повышение топливной эффективности вертолетов на 20-25%; - снижение операционных эксплуатационных расходов на 30-40%; 3. Новый уровень экологичности - снижение на 7-10 дБ шума на местности; - снижение эмиссии вредных веществ атмосферу на 60-70% в 4. Инновационные технологии - усовершенствованная несущая система возможно с газоструйной системой управления позволяющая увеличить крейсерскую скорость полета до 400 км/час и более; - интеллектуальный комплекс бортового оборудования, системы синтетического видения и отображения информации; 5. Новый уровень потребительских качеств - уровень шума в кабине не более 70 дБ (малошумные винты и редукторы); - системы активного подавления вибраций (снижение вибраций на 30% по отношению к существующему уровню); - комфортное размещение пассажиров (на уровне региональных самолетов). Страница 53 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 54 ЦЕЛИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ АВИАЦИОННОЙ НАУКИ Под редакцией А.Ю.Уджуху (ЦАГИ) Российская авиационная наукой ставит перед собой следующие приоритетные цели: 1- безопасность полетов 2- экономичность 3- экологичность 4- время поездки 5- расширенные условия базирования 6- комфорт 7- авиационная безопасность Безопасность полетов является ёмким понятием, зависящим от надежности всех звеньев, задействованных в процессах разработки, производства и эксплуатации гражданской авиатехники. Недостатки каждого звена могут приводить к системным проблемам, что будет сказываться на безопасности перевозок. Факторы, влияющие на безопасность полетов: - технические средства (воздушные суда, наземные технические средства поддержки эксплуатации, средства аэронавигации, связи, метеообеспечения, …); - нормативно-правовая среда (законы, технические регламенты, процедуры и правила сертификации, квалификации,…); - персонал, задействованный в осуществлении авиационной деятельности (административноуправленческий, летный, инженернотехнический,…). Направления инновационного развития: - Разработка комплекса новых методов и технологии обеспечения «встроенной» безопасности летной эксплуатации ВС в сложных многофакторных условиях; - Разработка перспективных систем управления, перекладывающей все большее число функций по управлению полетом на искусственный интеллект и оставляющих экипажу только задачи целеуказания; - Технологии проектирования аэродинамических поверхностей мало чувствительных к обледенению, разработка комплексной системы вихревой безопасности; - Развитие методов проектирования эффективной и безопасной конструкции, отвечающей требованиям статической и долговременной прочности, аэроупругости, а также требующим выработки crash-критериям обеспечения прочности в аварийных ситуациях; - Развитие нормативной базы создания АТ, системы квалификации материалов, норм летной годности и методик определения соответствия, методов и средств сертификации АТ; Экологичность воздушного судна в современных условиях становится фактором конкурентной борьбы, особенно перед лицом тенденции в развитых странах к введению различных механизмов стимулирования повышения экологичности летательных аппаратов, в том числе с точки зрения всего их жизненного цикла, от изготовления до утилизации. Создание ВС с улучшенными экологическими характеристиками требует одновременного решения сразу многих научных и технических проблем. При этом многие из этих проблем носят мультидисциплинарный и межведомственный характер. Более того, различные мероприятия по улучшению экологических характеристик ВС оказываются взаимозависимыми между собой. Поэтому важно рассматривать все компоненты задачи в совокупности, учитывая их взаимосвязь, поскольку, например, одно технологическое решение может давать выигрыш по фактору снижения шума, но в то же время снижать топливную эффективность воздушного судна, или наоборот, как это имеет место в проблеме создания ВС с открытым ротором. Факторы, влияющие на выбросы CO2 - Аэродинамическое и весовое совершенство планера; - Топливная экономичность двигателя; - Оптимизация маршрута, устранение задержек в пути. Направления инновационного развития: Углеводородные топлива - Нетрадиционные аэродинамические схемы и компоновки ЛА; - Средства снижения аэродинамического сопротивления ЛА (риблеты, законцовки, ламинаризация и др); - Адаптивные конструкции; - Электрический самолет; - Экономичные по расходу топлива СУ (сверхвысокая двухконтурность, открытый ротор, двигатели сложных циклов и др.) - Авиационные конструкции с повышенной весовой эффективностью; Страница 54 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - Формирование плана полета с учетом конкретной метеообстановки вдоль маршрута, 4х мерная навигация, оптимизация и точность выдерживания траектории полета. Водородное топливо (полное устранение выбросов CO2) - Оптимизация аэродинамической и конструктивной схемы киоплана; - Технологии, направленные на использование хладоресурса жидководородного топлива: охлаждение смачиваемых поверхностей с целью снижения аэродинамического сопротивления, использование в составе комбинированной силовой установки электродвигателей, построенных на эффекте сверхпроводимости; - Комплекс наземных испытаний по отработке технологий безопасных конструкции с криогенным топливом. Факторы, влияющие на выбросы NOx - Температура и скорость сгорания топлива. Направления инновационного развития: - Технологии экологически чистого сжигания топлив: создание малоэмиссионной камеры сгорания с распределенной многоточечной подачей топлива и др; - Вспомогательные и маршевые СУ на базе твердооксидных топливных микроэлементов; - Исследование нетрадиционных методов воздействия на горение и образование вредных веществ (электрический разряд, магнитное поле, активные радикалы и др.); - Исследование новых схем организации и интенсификации горения в СУ для обеспечения малых выбросов вредных веществ. Факторы, влияющие на уровень шума - Интенсивность звукового излучения, создаваемого элементами двигателя и реактивной струей; - Аэродинамический шум, создаваемый элементами компоновки планера; - Время прогрева маршевых двигателей, наземное маневрирование, траектория полета в зоне аэропорта. Направления инновационного развития: - Малошумные винты, вентиляторы и компрессоры (стреловидные и наклонные лопатки, ультранизкая окружная скорость, глушители); - Разработка методов снижения шума камер сгорания; - Снижение шума реактивной струи путем применения новых конструктивнотехнологических решений по выхлопному тракту СУ; 55 - Сотовые, гомогенные, реактивные звукопоглощающие конструкций; - Снижение шума СУ за счет оптимальной интеграции с планером; - Адаптивные и активные способы подавления шума (адаптивные ЗПК, актуаторы в горячих струях, активные элементы планера и др.); - Малошумные шасси и механизация крыла; - Переход на электрическую тягу при наземном маневрировании; - Оптимизация траектории полета в зоне аэропорта. Экономичность является одним из ключевых факторов, определяющих конкурентоспособность авиационной техники. В России с её протяженной территорией авиация является не просто одним из видов транспорта, на неё ложится важная социальная функция обеспечения транспортной доступности особенно труднодоступных регионов, сообщение с которыми часто осуществляется только средствами авиации. Поэтому в российских условиях факторы экономичности ВС приобретают особенно актуальное значение. Факторы, влияющие на экономичность: - Стоимость ВС - Стоимость авиатоплива; - Принятые нормативы по ставкам (оплата экипажа, инженерно-технического персонала, …) и сборам (аэронавигация, взлет-посадка, …); - Трудоемкость и материалоемкость ТОиР. Направления инновационного развития: - Инновационные технологии, проектирования и изготовления конструкции ВС, нацеленные на снижение потребных ресурсов, затрат времени и стоимости производства; - Разработка бортового оборудования в полной мере отвечающего принципам интегральности, модульности, открытости архитектуры, стандартизации для сокращения стоимости по всем этапам жизненного цикла; - Технологии снижения расхода топлива, и взлетного веса ВС; - Технологии безопасного управления ВС, приводящие к уменьшению состава экипажа в перспективе вплоть до реализации беспилотного ВС; - Технологии, направленные на устранение малоресурсных элементов технических систем, наделение конструкций способностью к самозалечиванию, внедрение систем мониторинга технического состояния, прогнозирования остаточного ресурса и т.д. Страница 55 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Время поездки определяет продолжительность путешествия: от места отправления до аэровокзала отлета и от аэровокзала прилета до места назначения, время, проведенное в аэропортах, время полета. Непосредственно от технических характеристик ВС зависит время полета, а также наличие возможных задержек отправления или прибытия, связанных либо с погодными условиями, либо с техническим состоянием ВС. Определяющими характеристиками ВС в этом случае становятся крейсерская скорость полета, фактор всепогодности полетов и показатель готовности ВС к вылету. Факторы, влияющие на время поездки - Крейсерская скорость полета; - Всепогодность; Частота задержек рейсов по техническим причинам. Направления инновационного развития: - Повышение крейсерского числа Маха полета самолетов для дальних авиаперелетов до сверхзвуковых значений (М = 1.8-2.5) и в отдаленной перспективе до гиперзвуковых значение (М > 6); - Повышение крейсерской скорости вертолета до значений 450-490 км/час (скоростной вертолет); - Совершенствование аэродромного и бортового оборудования с целью расширения метеоусловий, разрешенных для надежного выполнения автоматической посадки; - Доведение показателей отказобезопасности технических систем до уровней, обеспечивающих задержки вылета не более 15 минут для 99% рейсов. Расширенные условия базирования предполагают способность выполнения полетов с малоподготовленных полос для эксплуатации в удаленных и труднодоступных регионах, включая зону вечной мерзлоты. В таких условиях достаточно сложно обеспечить авиационную мобильность, поэтому для отечественного авиастроения актуальна задача разработки авиационной техники, способной эффективно функционировать при отсутствии развитой наземной инфраструктуры. Факторы, влияющие на расширенные условия базирования: - Возможность выполнения взлета и посадки с грунтовых полос; - Длина грунтовой взлетно-посадочной полосы; Потребная прочность грунта. Направления инновационного развития: - 56 Самолет с коротким взлетом и посадкой; Шасси высокой проходимости; Самолет с шасси на воздушной подушке; Самолет/вертолет – амфибия; Экранопланы; ЛА конвертируемых схем. Комфорт также является приоритетным качеством воздушного судна, который определяет его конкурентоспособность. Уровень комфорта пассажирского ВС определяется кроме габаритных размеров салона, пассажирских кресел, продольных проходов, багажных полок, также уровнем шума в салоне, вибро и термокомфортом. Дополнительный положительный эффект создает система снижения перегрузок от воздействия атмосферной турбулентности. Факторы, влияющие на комфорт: - Габариты салона, пассажирских кресел, продольных проходов, багажных полок; - Шум в салоне; - Виброкомфорт; - Термокомфорт; - Перегрузки от воздействия атмосферной турбулентности. Направления инновационного развития: - Гибкий адаптивный интерьер пассажирской кабины, «тонкие» кресла на базе 3D-текстиля и др; - Снижение передачи аэродинамических пульсаций и вибраций от подвижных частей агрегатов внутрь конструкции салона и кабины; - Повышение звукоизоляции конструкций салонов и кабины; - Система активного подавления вибраций конструкции (на вертолете снижение вибраций может составить до 30% по отношению к существующему уровню); - Снижение шума вентиляции салонов; - Конфигурирование потоков свежего воздуха для создания максимально комфортных условий для пассажира при вентиляции салонов; - Автоматическая система снижения перегрузок при полете в турбулентной атмосфере. Авиационная безопасность предполагает меры, направленные на предотвращения несанкционированного вмешательства в работу гражданской авиации, а также на минимизацию последствий в случае, если вмешательство имело место. Угрозы авиационной безопасности носят самый различный характер, в том числе угон самолета, Страница 56 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 57 теракт на борту, вмешательство в радиопереговоры, вплоть до угрозы применения ПЗРК. Периодически появляются новые виды угроз, например, применение лазерных целеуказательных устройств. Страница 57 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 58 Целевые показатели создания научно-технического задела в области развития воздушного транспорта Наименование индикатора Снижение аварийности в (раз) Снижение шума относительно главы 4 норм ИКАО на, (EPNдБ) Снижение эмиссии NOx относительно норм ИКАО 2008г. в (раз) Снижение расхода топлива и эмиссии СО2 в (раз) Снижение удельной суммарной трудоемкости технического обслуживания на (%) Базовый уровень Динамика целевых показателей 2010 г. 2015 г. 2020 г. 2025 г. 2030 г. 1 2.5 5.0 7.0 8.5 7 12 20 25 30 1(2008) 1.20 1.45 1.65 1.80 1 1.1 1.25 1.45 1.60 100 15 30 60 75 5 10 15 25 30 45 65 100 100 30 50 65 85 1 1.1 1.2 1.3 1.4 10 50 70 85 95 Снижение удельной стоимости жизненного 100 цикла ВС на (%) Повышение среднего налета на отказ ВС на (%) 100 Снижение числа задержанных вылетов по техническим причинам на (%) Повышение назначенных межремонтных и календарных сроков службы в (раз) Повышение достоверности контроля состояния ВС бортовыми средствами на (%) Страница 58 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 59 Целевые показатели создания научно-технического задела в области развития авиационной науки Наименование индикатора Уровень соответствия математических моделей образцам АТ (%) Увеличение общего числа статей, вошедших в индексы цитируемости в (раз) Количество зарегистрированных договоров об уступке патента и лицензионных договоров Количество российских патентов, получаемых ежегодно по разделу «Наука и технологии» Повышение удельной информативности типового эксперимента в (раз) Сокращение удельных затрат на проведение типовых видов испытаний на (%) Доля экспериментальной базы, соответствующая мировому уровню (%) Количество вновь разработанных и внедренных технологий экспериментальных исследований, единиц Сокращение сроков разработки АТ на (%) Базовый уровень Динамика целевых показателей 2010 г. 2015 г. 2020 г. 2025 г. 2030 г. 30 45 60 75 95 1 1.1 1.2 1.3 1.4 10 15 25 40 50 40 65 75 85 90 1 1.25 1.5 2.0 2.5 100 10 20 30 40 10 25 50 75 100 - 10 20 30 40 100 15 30 50 65 Страница 59 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 60 ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА Авиация является одной из самых высокотехнологичных сфер деятельности человека, воплощающей в себе переводые достижения научной и инженерной мысли. Развивать собственное авиастроение под силу лишь немногим странам, поскольку эта отрасль требует значительного развития множества смежных областей, таких как материаловедения, электроника, агрегатостроение и др., а также высокого уровня науки. Airbus – по поводу законности получаемой от государства помощи. Высокоразвитая авиация свидетельствует о мощи государства и приносит свои плоды в виде налоговых поступлений, трансфера авиационных технологий в другие отрасли экономики, высококвалифиционной занятости, а также позволяет решать социально значимые задачи. Была принята и действует федеральная целевая программа «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», реализуемая Министерством промышленности и торговли. В ее рамках значительный объем финансирования был выделен на создание нового регионального самолета Sukhoi Superjet, а также ближнесреднемагистрального МС-21. Ряд целевых программ по гражданской авиации реализуются по эгидой Министерства транспорта Российской Федерации. На момент составления данног документа готовится новая Государственная программа «Развитие авиационной промышленности» до 2025 года. Многие страны, которые претендуют на лидирующие позиции в мире, стремятся реализовать свои амбиции через поощрение развития собственной авиации, как военной так и гражданской. В гражданском сегменте в последние годы появились новые игроки, такие как Китай и Япония. Имеет планы по развитию гражданской авиации Индия. В этих странах, а также в ведущих авиастроительных державах США, Европе, Канаде и Бразилии – везде действуют государственные программы развития авиастроения. Гражданскую авиацию нельзя назвать сферой, которая может развиваться лишь по законам рынка и конкуренции. Бизнес не способен нести огромные инвестиции, необходимые для создания собственной авиапромышленности «с нуля». Здесь необходима и принципиально важна позиция государства, политическая воля к продвижению и содействованию этой отрасли. В России после спада 90-х годов государство вновь обратило пристальное внимание на столь важную для нашей страны отрасль. В Концепции2020 провозглашена цель «…создания высококонкурентной авиационной промышленности, возвращение ее на мировой рынок в качестве третьего производителя по объему гражданской продукции…». В 2011 году Росавиацией реализованы меры государственной финансовой поддержки авиатранспортной отрасли в общей сумме 7,3 млрд. рублей. Из них наиболее востребованными и существенно оказывающими системное влияние на развитие авиатранспортной отрасли являлись субсидии. В рамках программы государственной поддержки доступности воздушных перевозок между Дальним Востоком и европейской частью страны, профинансированной в объеме 2,5 млрд. рублей, в 2011 году перевезено более 371 тыс. пассажиров по 30 субсидируемым маршрутам. В странах, где развита или интенсивно развивается гражданская авиация, она в любом случае в той или иной степени опирается на господдержку. Эта помощь принимает разнообразные формы: финансирание высокорисковых научных исследований, налоговые преференции, льготные кредиты, экспортное финансирование, субсидирования значимых авиаперевозок и другие меры вплоть до политического лоббирования интересов национальных авиапроизводителей. О том, насколько чувствительным является данный вопрос, свидетельствуют судебные споры, идущие между двуму гигантами – Boeing и Страница 60 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 61 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Страница 61 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 62 РАЗВИТИЕ ОБЛИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Под редакцией С.В.Ляпунова (ЦАГИ) Достаточно длительный эволюционный путь развития гражданской авиации привел к формированию традиционного (классического) облика летательных аппаратов. Например, в классе дальних магистральных самолетов классическая схема планера с суперкритическим крылом большого удлинения позволяет реализовать высокий уровень аэродинамического качества (Кмах= 20-22). Эволюционные шаги в сторону увеличения аэродинамического качества ЛА в рамках классической схемы близки к исчерпанию, так как ни дальнейшее увеличение удлинения трапециевидного крыла, ни оптимизация его геометрических обводов, ни меры по снижению волнового сопротивления, являющегося достаточно малым, не могут обеспечить желаемого уровня улучшения летно-технических характеристик. К наиболее эффективным средствам дальнейшего развития ЛА классической схемы, как же как и ЛА других схем, можно отнести расширение использования композиционных материалов в нагруженных частях конструкции планера, что позволит повысить весовое совершенство, некоторый эффект может быть получен в результате оптимизации расположения двигателей и совершенствования взлетнопосадочной механизации. В связи с этим в перспективе следует ожидать повышение внимания к исследованиям нетрадиционных компоновок летательных аппаратов главный, принцип формирования которых связан с процессами интеграции. Интеграция может объединять крыло и фюзеляж в направлении развития крыла (схема «летающее крыло») или в направлении развития фюзеляжа (схема с несущим фюзеляжем). Видоизменяться может и конфигурация силовой установки, глубже интегрируясь с компоновкой планера, как это предполагается, например, в схеме с распределенной силовой установкой. Преимуществом схемы «летающее крыло» является повышенное аэродинамическое качество, которое в силу геометрических особенностей компоновки самолета может составлять 22.5-24 единицы. Кроме того, схема «летающее крыло» дает уникальную возможность экранирования шума двигателей, если их расположить на верхней поверхности крыла вблизи задней кромки. Снижение суммарного по трем контрольным точкам уровня шума за счет реализации «малошумной» компоновки может составить 30 - 35 EPNдБ. Определенными положительными свойствами могут обладать схемы самолета с сочлененным крылом, такое схемное решение может позволить при приемлемых весовых издержках заметно увеличить размах крыла, что снижает индуктивное сопротивление самолета. Страница 62 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года История развития гражданской авиационной техники показывает, что в определенные периоды мирового развития, характеризуемые резким ростом цен на углеродные топлива, возрастает интерес к винтовым магистральным самолетам. Применение винтовой силовой установки может обеспечить экономию расхода топлива, но при этом проблемными становятся вопросы обеспечения надежности силовой установки, достаточной скорости крейсерского полета, допустимого шума внутри пассажирской кабины и на местности. В перспективе можно ожидать кардинальных сдвигов в области улучшения эксплуатационных характеристик винтовых силовых установок, что связано с разработкой технологий open rotor (силовая установка с открытым винтом). В конструкции будущих ЛА могут быть реализованы технические решения, полученные в результате исследований в принципиально новой области, связанной с поиском и отработкой технологий управления течениями с помощью усовершенствования известных или применения новых физических принципов, таких как использование локального выдува/отсоса воздуха, микроэлектромеханических устройств, 63 различных разрядов. Данные технологии могут использоваться, например, для уменьшения аэродинамического сопротивления (в т.ч. путем ламинаризации обтекания), для активного управления обтеканием ЛА, адаптации ЛА к изменяющимся условиям полета, уменьшения шума на местности и выброса вредных веществ в атмосферу, снижения уровня звукового удара. Исследования этих технологий находятся на первых уровнях готовности, поэтому их практическое применение можно ожидать только в среднесрочной и дальней перспективе. Актуальной задачей уже сегодня является разработка воздушного транспорта на альтернативном топливе. Наиболее кардинальным шагом в этом направлении является переход к экологически чистому жидководородному топливу. Использование жидкого водорода в качестве топлива приведет к существенному изменению облика ЛА. Для размещения водородного топлива низкой плотности потребуются емкие криогенные баки, расположенные, например, в верхней части фюзеляжа. Наличие на борту мощного хладоресурса, которым обладает жидководородное топливо, открывает возможности для реализации технологий, направленных на снижение аэродинамического сопротивления при охлаждении смачиваемой потоком поверхности самолета. Другим направлением использования сверхнизких температур (20-60 К) может стать применение электродвигателей, использующих эффект сверхпроводимости, для привода винтавентилятора, установленного в хвостовой части фюзеляжа. Страница 63 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 64 при сверхзвуковой скорости естественное ламинарное обтекание почти на 80% хорды (технология Natural Laminar Flow), что приводит к существенному снижению сопротивления трения. Завершение эксплуатации сверхзвуковых пассажирских самолетов Concorde лишило возможности совершать быстрые перелеты авиапассажирам, для которых фактор времени является достаточно важным или престижным. Исследования рынка показывают, что сверхзвуковой пассажирский самолет (СПС) может пользоваться популярностью даже при его значительно более высокой цене по сравнению с дозвуковыми аналогами. Основная проблема, препятствующая внедрению СПС в эксплуатацию, связана с физическим законом, в соответствии с которым интенсивность звукового удара, сопровождающего полет ЛА на сверхзвуковой скорости, непосредственно зависит от величины полетного веса ЛА. Поэтому сверхзвуковые деловые самолеты вместимостью 6 – 10 пассажиров имеют шансы вписаться в допустимые уровни звукового удара, а для двухсот местного СПС данная задача может стать неразрешимой. Анализ тенденций развития самолетов деловой авиации показывает, что мировое авиастроение близко к освоению нового типа транспорта для деловых поездок - сверхзвукового делового самолета (СДС). Основные технические проблемы СДС будут связаны с вопросами обеспечения приемлемых летно-технических характеристик самолета при выполнении прогнозируемых достаточно жестких требований к авиаэкологии. Главные факторы, определяющие облик СДС, вытекают из необходимости снижения до допустимых уровней звукового удара при полете со сверхзвуковой скоростью и шума на местности при выполнении взлета и посадки. Характерной особенностью аэродинамической компоновки СДС является вытянутая в продольном направлении форма самолета. Различной может быть форма крыла в плане (крыло большой стреловидности или малой стреловидности), схема размещения горизонтального оперения (нормальная схема и схема утка) и двигателей. Требование обеспечения допустимого уровня шума на местности приводит к компоновочным решениям по интеграции планера и двигателей СДС, в которых элементы компоновки планера экранируют распространение шума двигателей. Преимуществом трапециевидного крыла малой стреловидности может являться использование аэродинамических профилей, обеспечивающих Приоритетным направлением развития авиации является создание гиперзвуковых ЛА. В ближней перспективе актуальными могут стать направления разработки авиационнокосмических систем (АКС типа МАКС), а также ступенчатых аэрокосмических систем с ЖРД для межконтинентальных перелетов. К этому классу также могут быть отнесены туристические суборбитальные системы, предназначенные для кратковременного выхода на космические высоты. В более отдаленной перспективе можно ожидать разработку административных или специальных типов гиперзвуковых ЛА с крейсерским числом М не более 6 (полет с использованием ПВРД). Может ставиться задача разработки АКС типа МИГАКС с гиперзвуковым самолетомразгонщиком с ПВРД (с числом М разделения до 6). В настоящее время полет одноразовых аппаратов с ПВРД является освоенным. Для создания многоразовых изделий, совершающих длительный полет с ПВРД, необходима отработка Страница 64 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года новых образцов конструкции, включая «горячую» или охлаждаемую. В отдаленной перспективе (после 2030 года) можно ожидать появления пассажирских гиперзвуковых самолетов с крейсерским числом М>6 (полет с использованием ГПВРД), а также одноступенчатых ВКС типа Ту-2000 и NASP с многорежимным ГПВРД. Другим актуальным направлением дальней перспективы может являться разработка аппаратов, предназначенных для спуска в атмосфере других планет. Тенденции развития винтокрылых ЛА гражданского применения будут определяться стремлением достигнуть скорости крейсерского полета и уровня комфорта близких к самолетам региональной авиации. Одним из актуальных направлений развития ВКЛА является разработка перспективных скоростных вертолетов (ПСВ) с крейсерской скоростью 450-490 км/час и ЛА конвертируемых схем. Технологическая база для создания перспективных скоростных вертолетов, предусматривающая радикальные изменения в облике аппарата, находится в состоянии разработки, поэтому период внедрения в эксплуатацию скоростных аппаратов подобного типа вероятнее всего наступит не раньше 2020 года. В качестве возможных схемных решений ПСВ рассматриваются варианты, как с одновинтовым, так и соосным несущим винтом. Характерной особенностью ПСВ может стать наличие толкающего винта, создающего дополнительную тягу. В ближней перспективе, можно ставить задачу разработки отечественного вертолета с увеличенной крейсерской скоростью полета. Несущая система вертолета, состоящая из одиночного винта, имеющего усовершенствованные аэродинамическую компоновку лопастей и втулку, будет включать 65 газоструйную систему с управляемым вектором тяги для компенсации реактивного момента (газоструйная система создания пропульсивной силы). Указанные технологии, в основном доведенные до высокой степени готовности, позволят увеличить крейсерскую скорость полета до 350 – 400 км/час и обеспечат дальность полета 600 – 700 км. Конвертируемые ЛА, обладающие уникальной способностью сочетать преимущества вертикальной взлет - посадки и крейсерского полета с опорой на крыло, могут получить в будущем достаточно широкое применение. Конвертопланы могут расширить модельный ряд многоцелевых ЛА, успешно выполняя многочисленные задачи транспортной поддержки, например, при добыче нефти в шельфовой зоне, доставляя на достаточно отдаленные нефтевышки различные грузы и персонал. Технические задачи освоения технологий конвертируемых ЛА, как в настоящее время, так и в будущем направлены на решение проблем обеспечения безопасности эксплуатации. Возможно, новый этап в развитии аппаратов данного типа будет связан с разработкой электрифицированных силовых установок. К авиационной технике, допускающей безаэродромное базирование, кроме традиционных вертокрылых летательных аппаратов, относится амфибийная авиатехника (самолеты, вертолеты) и ЛА с шасси высокой проходимости или шасси на воздушной подушке. К числу актуальных направлений развития данного типа ЛА можно отнести исследования по отработке компоновочных решений, интегрирующих воздушную подушку в конструкцию планера. Предвидеть облик летательных аппаратов достаточно отдаленного будущего, невозможно без привлечения идей, которые находятся сейчас на стадии формирования. ЛА будущего, возможно, будут обладать уникальной способностью адаптации к условиям полета вплоть до радикального изменения формы. Обеспечить такую способность помогут материалы с памятью, которые меняют форму сжимаясь или удлиняясь - под действием, например, термоэлектрических эффектов. Использование такого уникального материала позволит создавать универсальные трансформные ЛА, меняющие свою конфигурацию в зависимости от режима полета: малые взлетно-посадочные скорости, длительный полет на максимальную дальность, полет с максимальной скоростью. Страница 65 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 66 РАЗВИТИЕ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК Под редакцией……………….. (ЦИАМ) ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ И РЕГИОНАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Двигатели летательных аппаратов уже достигли высокого уровня технического совершенства. Крейсерский удельный расход топлива маршевых двигателей магистральных и региональных самолетов гражданской авиации, в значительной степени определяющий их топливную эффективность, составляет 0.52 - 0.63 кг/кгс.-ч (в зависимости от поколения и размерности двигателя). Повышение эффективности термодинамического цикла (суммарной степени повышения давления в цикле и температуры газа перед турбиной, коэффициентов полезного действия узлов и снижения потерь полного давления во входных и выходных устройствах) и степени двухконтурности, может обеспечить относительно небольшие улучшения в топливной экономичности двигателя. Однако, при этом увеличиваются диаметральные размеры двигателя, осложняются такие проблемы как обеспечение требуемых ресурсов основных деталей, приемлемое тепловое состояние деталей «горячей» части. Некоторые резервы улучшения топливной экономичности связанны с совершенствованием основных узлов (газовая динамика, устойчивость, эффективность охлаждения), расширением использования композиционных материалов в лопаточных машинах, камерах сгорании, элементах мотогондолы, применением «электрифицированных» двигателей, у которых отсутствует отбор воздуха на кондиционирование кабины. Однако, следует констатировать, что дальнейшее улучшение авиационных двигателей в рамках традиционных компоновок сопряжено с возрастающими трудностями, при относительно невысоком итоговом эффекте. В результате все большее внимание разработчики авиационных двигателей уделяют силовым установкам нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем: - турбовинтовентиляторные двигатели («открытый ротор») с биротативными винтовентиляторами (ВВ); - двигатели сложных термодинамических циклов, в которых ключевую роль играют легкие компактные теплообменники охладители и рекуператоры (двигатели с промежуточным охлаждением воздуха при сжатии и регенерации тепла в процессе расширения газа в турбине, с детонационным горением); - распределенные СУ (привод нескольких вентиляторов-движителей от одного генератора мощности), глубоко интегрированные с элементами планера и позволяющие повышать степень двухконтурности без увеличения диаметральных размеров СУ; - гибридные силовые установки, привод вентиляторов которых осуществляется одновременно от турбин и электродвигателей. Переход к таким силовым установкам может потенциально обеспечить заметное улучшение технико-экономических характеристик ЛА, но сопряжен с рисками в реализации новых технических решений. Таким образом, можно предполагать, что на пути развития силовых установок ключевая точка ветвления будет обусловлена выбором той или иной альтернативной конфигурации перспективной силовой установки. В развитии силовых установок относительно небольшой размерности (до 3 – 4 т взлетной тяги) актуальными могут стать схемы с осецентробежными и центробежными компрессорами. Таблица - Индикаторы развития двигателей для самолетов гражданской авиации Годы 2015 г. 2020 г. Наработка на выключение в полете - не 200 300 менее, тыс. ч Ресурсы основных деталей 20 / 40 22 / 45 «горячей»/«холодной» частей, тыс. полетов (циклов) Снижение крейсерского удельного расхода 10 – 15 15 - 20 топлива и СО2, % к двигателям 2010 г. Снижение шума по сравнению с нормой 15 > 20 2030 г. 500 30 / 60 20 - 30 > 40 Страница 66 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Главы 4, EPN дБ Снижение эмиссии NOx, % к нормам 2008 г., Снижение удельной массы, % к двигателям 2010 г. 30 - 45 - ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ САМОЛЕТОВ Для сверхзвуковых деловых самолетов потребуется создание двигателей с широким изменением степени двухконтурности в процессе полета, что будет достигаться сначала применением отдельных регулируемых элементов двигателей (смесителя, сопла), а затем, в более отдаленной перспективе, 40 - 60 - Таблица - Индикаторы развития двигателей для ВКЛА 2015 г. Наработка на выключение в полете - не 40 менее, тыс. ч Ресурсы основных деталей 6 / 12 «горячей»/«холодной» частей, тыс. полетов (циклов). Снижение удельного расхода топлива и 10 – 15 СО2, % к двигателям 2010 г. Снижение удельной массы, % к 5 – 10 двигателям 2010 г. 60 - 80 10 специализированных двигателей изменяемого рабочего процесса (ДИП) в сочетании с высокоэффективными средствами снижения шума в источнике. Таблица - Индикаторы развития двигателей для сверхзвуковых самолетов Годы 2015 г. 2020 г. Снижение шума относительно -10 -10…20 требований Главы 3, EPNдБ Уровень эмиссии NOx на крейсерском современный EI NOx<10 г/кг режиме уровень ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ВИНТОКРЫЛЫХ ЛА (ВКЛА) В области силовых установок ВКЛА основное внимание будет сосредоточено на формировании двигателей и трансмиссий скоростных вертолетов и конвертируемых летательных аппаратов. Прогнозируются следующие направления «прорывного» улучшения показателей вертолетных двигателей: - «неметаллический двигатель» - широкое комплексное применение перспективных композитных материалов различных типов, обеспечивающее, в частности, радикальное (на 200…300 К) повышение температуры газа в двигателях с неохлаждаемой горячей частью; - «электрический двигатель» отказ от использования в двигателе механического привода агрегатов через коробку передач и переход на использование электроприводных агрегатов, питающихся от встроенного высокооборотного генератора; 67 2030 г. -20…30 EI NOx<5 г/кг - «сухой двигатель» - применение в двигателе роторных опор нетрадиционного типа (неметаллические композитные, газовые, электромагнитные), не требующих масляного охлаждения, что приводит к исключению из конструкции двигателя масляной системы. На более отдаленную перспективу рассматривется концепция «электрического вертолета» с электрическим приводом несущего и вспомогательного винтов. Двигатель предполагается использовать в качестве газотурбинного привода электрического генератора. Кроме того, исследуются интегральные силовые установки (ИСУ), в которых ТРДД с регулируемым вентилятором, несущий винт и тракт выхлопной системы двигателя объединены в единую структуру. 2020 г. 60 2030 г. 90 9 / 18 12 / 24 15 - 20 20 - 25 15 – 20 25 – 30 Страница 67 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 68 АВИАЦИОННЫЕ ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ для ЛА малой авиации и БПЛА получат дальнейшее развитие в соответствии с приведенной таблицей Таблица - Индикаторы развития поршневых двигателей 2015 г. Снижение удельной массы, % к 5 – 10 двигателям 2010 г. Снижение удельного расхода топлива, % 0 к двигателям 2010 г. Назначенный ресурс, не менее 2000 моточасов ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ГТД Конструктивные особенности перспективных вспомогательных ГТД будут определять: - опоры на газодинамических или электромагнитных подшипниках; - безредукторный привод электрогенератораэлектростартёра; - высокооборотный электрогенератор на постоянных магнитах с обеспечением возможности работы в стартерном режиме для запуска двигателя. Существенное улучшение топливной экономичности и экологических показателей (по Таблица - Индикаторы развития авиационных ВГТД 2015 г. Ресурсы основных деталей «горячей»/«холодной» частей, тыс. полетов (циклов) Снижение удельного расхода топлива и СО2, % к двигателям 2010 г. Снижение удельной массы, % к двигателям 2010 г. 2020 г. 10 – 15 2030 г. 20 – 25 10 - 15 15 - 20 3000 4000 выбросам в атмосферу вредных веществ и по шуму) будет получено при переходе на гибридные ВСУ с использованием технологий, основанных на применении топливных элементов. Перспективным направлением является создание интегрированного энергоузла (ИЭУ), объединяющего в одном агрегате ВГТД, систему запуска, систему аварийного энергообеспечения и систему кондиционирования самолета. 15 / 30 20 / 40 2030 г. Гибридные ВСУ на ТЭ 25 / 50 10 – 15 20 - 30 50 - 70 5 – 10 30 – 35 40 – 80 ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ГИПЕРЗВУКОВЫХ ЛА Для создания перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов ГЛА потребуется отработка рабочего процесса в прямоточных детонационных пульсирующих двигателях (ПуДД), ГПВРД и ГРПД в интеграции с ГЛА с обеспечением приемлемого теплового состояния их конструкций, в том числе с использованием хладоресурса углеводородного эндотермического топлива и новых композиционных материалов. Высокоскоростные перевозки пассажиров и грузов в течение 2-4 часов в любую точку планеты и обеспечение выведения экипажей и грузов на околоземную орбиту потребуют разработки комбинированных силовых установок (КСУ) 2020 г. работоспособных в широком диапазоне полетных чисел Маха и режимных параметров. Основой таких комбинированных силовых установок будут прямоточные ВРД. Можно прогнозировать разработку демонстраторов КСУ для гиперзвуковых самолетов и многоразовых космических транспортных систем. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ Современные электронные САУ типа FADEC строятся по централизованному принципу, в соответствии с которым все задачи обработки сигналов, формирование программ и алгоритмов управления, контроля и диагностики осуществляются в центральном вычислителе САУ Страница 68 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ГТД. Датчики и исполнительные устройства имеют аналоговые входы и выходы и соединяются с вычислителем с помощью аналоговых линий связи. Для повышения надежности САУ используется двухканальное построение системы, в некоторых случаях используется гидромеханический резервный регулятор. Системы топливопитания современных ГТД строятся на базе насосов нерегулируемой производительности с приводом от коробки приводов двигательных агрегатов. Алгоритмическое обеспечение САУ ГТД формируется в виде программ и алгоритмов управления, базирующихся на параметрах регулирования, доступных для измерения. В перспективе следует ожидать совершенствование САУ СУ по следующим направлениям. Создание перспективных методов управления ГТД, осуществляющих адаптацию управления силовой установкой к условиям эксплуатации (изменение теплового состояния двигателя, износ узлов и др.), интеграцию управления рабочим процессом в двигателе и режимов (этапов) полета, компенсацию отказов в двигателе и САУ (оперативный контроль, распознавание ситуации, реконфигурация системы). Реализация перспективных САУ позволит перейти к построению интеллектуального ГТД, в котором осуществляется активное управление процессом горения в камере сгорания, зазорами в лопаточных машинах, запасами газодинамической устойчивости компрессоров. Потребуется разработка новых интеллектуальных узлов двигателя способных, в зависимости от режима работы двигателя, изменять распределение топлива по зонам горения в камере, профиль проточной части двигателя в компрессорах и турбинах, управлять охлаждением лопаточных машин и т.п. Эффективным способом повышения надежности и качества управления ГТД может стать применение в САУ встроенной (бортовой) математической модели двигателя достаточно высокого уровня, основанной на описании протекающих термодинамических процессов. Применение таких моделей позволит, помимо выявления и компенсации отказов, осуществлять управление двигателем по параметрам, более точно характеризующим его состояние, но не доступным для измерения (запасы газодинамической устойчивости, температура газа в камере сгорания, коэффициент избытка воздуха, тяга). 69 Переход от централизованной к распределенной архитектуре построения САУ ГТД позволит уменьшить количество радиальных линий связи за счет перехода к мультиплексным каналам информационного обмена, упростить поиск неисправностей и локализацию отказов. Использование распределенной САУ позволит упростить модернизацию системы, процесс её сертификации и понизить стоимость полного жизненного цикла системы от проектирования до эксплуатации. Основой создания распределенной САУ должны стать интеллектуальные датчики и исполнительные устройства, высокотемпературная элементная база и высокоскоростные информационные линии связи. Использование электроприводов в качестве исполнительных органов системы управления, топливопитания и смазки газотурбинного двигателя позволит обеспечить гибкое управление расходом топлива и работой системы смазки, снизить теплонапряжённость топливной системы, повысить эффективность и ресурс систем топливопитания и смазки, снизить массу двигателя в целом за счёт уменьшения массы трубопроводов, коробки приводов и др. Внедрение беспроводных технологий в системе управления и контроля ГТД позволит создать высокоэффективные системы нового поколения с гибкой, легко изменяемой структурой, уменьшить массу и габариты за счет уменьшения количества разъемов и кабелей, повысить надежность САУ, снизить затраты на техническое обслуживание и повысить пожаробезопасность. НАДЕЖНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ДИАГНОСТИКА АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. В настоящее время недостаточная конкурентоспособность отечественных авиационных двигателей в части обеспечения безопасности, надежности и эффективности эксплуатации в сравнении с двигателями ведущих зарубежных фирм (General Electric, Pratt & Whitney, Rolls Royce) ведет к превращению России из экспортера в импортера данной продукции, что подрывает основы одной из высокотехнологичных отраслей промышленности страны - двигателестроения. Для достижения мирового уровня развития в области безопасности, надежности и диагностики авиадвигателей необходимо выполнить следующую программу исследований: - разработка Авиационных правил с учетом новых конструктивно-технологических и схемных решений в авиационных двигателях; - разработка Рекомендательных циркуляров; Страница 69 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - разработка методов и средств сертификационных испытаний с учетом новых конструктивно-технологических решений в авиационных двигателях, развитие экспериментальной базы и контрольноизмерительного оборудования; - разработка Норм надежности двигателей различного назначения; - разработка методик оценки надежности на различных стадиях жизненного цикла; - разработка стандартов различного уровня; - разработка нейросетевой технологии мониторинга технического состояния авиадвигателей и редукторов в удаленном диагностическом центре; - разработка интеллектуальных методов диагностирования технического состояния силовых установок; 70 - разработка наземно-бортовой системы мониторинга, обеспечивающая эксплуатацию двигателей по прогнозируемой надежности (RCM); - разработка адаптивной к отказам и неисправностям двигателя интегрированной системы управления; - разработка бортовой модели повреждаемости основных деталей, прогнозирующей развитие дефектов до предотказного уровня; - анализ причин отказов авиационных двигателей и разработка конструктивно-технологических мероприятий по их устранению с учетом конструкционных особенностей и схемных решений перспективных двигателей. Страница 70 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 71 РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Под редакцией ……………………(ВИАМ) Многолетняя отечественная и зарубежная практика показывает, что значительная часть инновационных разработок в ведущих областях промышленности и секторах экономики базируется на внедрении новых материалов и технологий их производства. Основные принципы создания перспективных материалов для сложных технических систем будут основаны на результатах фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований, проводимых ведущими научноисследовательскими организациями отрасли совместно с институтами РАН. Исследования будут базироваться на следующем постулате неразрывность материалов, технологий и конструкций, включая использование «зелёных» технологий при создании материалов и комплексных систем защиты, а также реализацию полного жизненного цикла (с использованием IТтехнологий) от создания материала до его эксплуатации в конструкции, диагностики, ремонте, продления ресурса и утилизации. Ниже приведены стратегические направления развития материалов, соответствующие основным мировым тенденциям развития авиационной техники: - композиционные и керамические материалы нового поколения, создание которых базируется на исследовании процессов избирательной сорбции компонентов связующих на поверхности волокон, механизмов структуро и фазообразования на границе раздела и межволоконном пространстве, продвижения и распределения нанообъектов в энергетически неравновесных зонах структуры, обеспечивающих залечивание дефектов на нанои мезоуровнях, накопления повреждений, деградации и разрушения при различных видах воздействия и сред в процессе эксплуатации; - кристаллические материалы и материалы со специальными свойствами, включая новые высокопрочные, сверхлегкие, ультратвердые и жаропрочные материалы (выращивание монокристаллов с заданными уникальными свойствами), а также упрочняющие, защитные и теплозащитные покрытия, наноструктурированные металлические материалы с повышенными конструкционными и функциональными свойствами; - коррозионностойкие материалы и покрытия для экстремальных условий эксплуатации; - металломатричные композиционные материалы на основе легких сплавов с пониженной на 15% плотностью, повышенной на 30% удельной прочностью и рабочей температурой до 450 С применительно к конструкциям перспективных космических аппаратов; - новые полимерные основы и связующие для композиционных материалов, в т.ч. термостойкие, высокодеформативные с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, обладающие функциями самозалечивания, механохромными свойствами и модифицированными наночастицами; - высокопрочные и высокомодульные конструкционные и функциональные композиты, в т.ч. гибридного типа на основе различных текстурных и мультиаксиальных текстильных форм с высокими физико-механическими характеристиками, сопротивлением к статическим, повторно-статическим, динамическим нагрузкам, климатическим воздействиям и биоповреждению; - аморфные материалы и покрытия, в т.ч. наноструктурированные, включая: метаматериалы, составы для защиты от электромагнитных излучений, ударных, вибрационных, тепловых, акустических и электрических воздействий, снижения заметности в оптическом и радиодиапазонах, многофункциональные клеящие, эластомерные, уплотнительные и лакокрасочные системы, материалы остекления; - сверхвысокотемпературные конструкционные и функциональные керамические, керамоподобные и теплозащитные материалы, технологии их синтеза и переработки в изделия на базе CIM, in-situ, и SPS и золь-гель процессов. - энергоэффективные, ресурсосберегающие и аддитивные технологий получения деталей, полуфабрикатов и конструкций (получение сверхчистых по примесям и керамическим включениям порошков на основе нового поколения алюминиевых, титановых, интерметаллидных, ниобиевых и никелевых сплавов, получения би- и полиметаллических естественноармированных металлических материалов методом прямого лазерного синтеза из металлических порошков); - принципиально новые технологии (изотермическая штамповка на воздухе в режиме Страница 71 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года сверхпластичности, выплавка перспективных литейных и деформируемых сверхлегких и супержаропрочных сплавов с использованием нано- и микролегирования, рафинирующих шлаковых смесей при контролируемом окислительном потенциале расплава, в том числе с использованием до 100% отходов, обеспечивающих снижение в полтора-два раза содержания вредных примесей, нанесение теплозащитных покрытий с пониженной теплопроводностью керамического слоя, позволяющее в 50-100 раз сократить энергозатраты и до 50 раз снизить трудоемкость при нанесении керамических покрытий по сравнению с электроннолучевой технологией), не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной промышленности, включая специализированное уникальное оборудование для выплавки, литья и обработки давлением высокожаропрочных гетерофазных труднодеформируемых сплавов нового поколения (алюминиевых, титановых, интерметаллидных, ниобиевых и никелевых суперсплавов, включая интерметаллиды и естественные композиты); - комплексные системы антикоррозионной защиты, многослойные износо-, эрозионно- и коррозионностойкие, упрочняющие и теплозащитные покрытия, включая лакокрасочные, тканепленочные материалы и покрытия на полимерной основе, экологически безопасные, плазменные электролитические покрытия, шликерные, газодинамические, комбинированные и адаптивные системы, а также оборудование для их формирования; - технологии атомно-молекулярного конструирования и самоорганизации на атомном уровне (в т.ч. компьютерное конструирование и моделирование композиций литейных и деформируемых сплавов и сталей, включая естественные композиты и интерметаллиды, процессов их изготовления и переработки); - технологии прогнозирования свойств, моделирования и реализации современных процессов конструирования и производства изделий из неметаллических и композиционных материалов с использованием цифровых методов, совместимых с CAD/CAM/CAE и PLM системами, включая разработку методов моделирования и создание алгоритмов расчета, определяющего взаимосвязь «состав технология - свойства», как на протяжении технологического, так и жизненного цикла материала в изделии; - междисциплинарные исследования в области новых материалов, нано- и IT-технологий, 72 когнитивных и биотехнологий, направленные на изучение «устройства» и возможностей биологических объектов с целью их копирования в виде модельных технических систем на базе новых материалов; соединение современных технологических возможностей с достижениями в области познания живой природы (нанобиотехнологии); создание технологий атомномолекулярного конструирования и самоорганизации на основе атомов и биоорганических молекул, а также разработку гибридных андроидных, интеллектуальных материалов нового поколения, в т.ч. бионического и нейронного типов. Реализация стратегических направлений развития материалов и технологий позволит достичь применительно к будущим проектам авиастроения (самолетостроение, вертолетостроение, двигателестроение, агрегатостроение) следующих результатов: - обеспечить ресурс конструкций планера более 80 тысяч летных часов с увеличением межремонтных сроков до 20 лет, и ресурса двигателя до 0.5 - 1 ресурса планера; - снизить на 30% массу конструкций планера и двигателя летательных аппаратов за счет применения сверхлёгких материалов нового поколения, а также технологии создания интегрированных систем, в том числе прогрессивными методами сварки в твердой фазе; - увеличить объем применения в силовых конструкциях композиционных и интеллектуальных материалов до 60% по весу или свыше 70% от омываемой поверхности планера; - повысить температуру газа перед турбиной до 2200 К, ресурса деталей горячего тракта в 2-3 раза; - сократить на 30-50% стоимость, затраты на ремонт и восстановление конструкций, трудоёмкость техобслуживания в 2 раза; - увеличить до 90% объем отечественных материалов в планере и двигателе гражданских летательных аппаратов и до 100% в военной авиационной технике; - создать ГЛА, работающие при скоростях от 5 до 15 чисел Маха, включая развитие ГПВРД; - существенно повысить безопасность полета за счёт снижения влагонасыщения полимерных композиционных материалов, повышения их ударо- и молниестойкости; - провести квалификацию отечественных материалов, в т.ч. с учетом требований зарубежных стандартов. Страница 72 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 73 РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ Под редакцией М.Ч.Зиченкова, Г.Н Замулы, Ю.А.Свирского (ЦАГИ) В последующие годы обеспечение прочности конструкции ЛА будет характеризоваться следующими основными чертами: - широкое внедрение композиционных материалов в ответственные силовые конструкции планера; - учёт и использование влияния различных каналов управления на нагружение планера; - многодициплинарная многоуровневая оптимизация, расширение возможностей и диапазона нелинейного математического моделирования; - повышение экономичности путём учета индивидуальной нагруженности и обнаружения повреждений; - углубление фундаментальных основ строительной механики, механики разрушения, устойчивости, усталости, термопрочности и аэроупругости сложных конструкций; - интеграция в одну систему средств проектирования, расчета, испытания, измерения и анализа результатов эксперимента; - разработка новых и развитие существующих методов экспериментальных исследований, расширение диапазона экспериментальных исследований, повышение уровня готовности технологических разработок; - создание новых и развитие существующих методов регламентирования прочности ЛА, включая все основные направления прочности статическая прочность, аэроупругость, долговременная прочность, а также их гармонизацию с зарубежными нормами и правилами; - разработка научных и нормативных основ по созданию системы контроля характеристик и квалификации материалов. Облик авиационных конструкций – это, по существу, компромисс между требованиями, предъявляемыми к авиаконструкциям, и существующими техническими возможностями. Требования условно могут быть разделены на три составляющие: - требования по безопасности, - требования по экологии (включая комфорт), -требования по экономической эффективности. Технические возможности в первую очередь определяются: - свойствами конструкционных материалов, - технологией производства авиаконструкций, - уровнем проектирования. Более чем столетний опыт создания авиаконструкций показал, что технический прогресс в авиастроении постоянно открывал новые эффективные конструктивные решения для летательных аппаратов, что давало возможность не только удовлетворять постоянно растущие требования по безопасности и экологи, но и обеспечивать постоянный рост авиатранспортной эффективности, в значительной мере определяемой весовым совершенством конструкции. На рисунке приведен график, иллюстрирующий транспортную эффективность гражданских авиаперевозок за весь период развития гражданской авиации. График подготовлен по материалам фирмы Airbus-France, представленных в открытых публикациях по проекту FP6 NACRE. Рисунок – Основные этапы развития компоновочных схем гражданских самолетов В качестве характеристики транспортной эффективности принята величина, обратная стоимости перевозки одного пассажира на 1 км, при обеспечении соответствующего уровня комфорта, а также принятых требований по безопасности и экологии. Как видно из рисунка, в настоящее время мировая авиаиндустрия находится лишь в начале перехода от металлических конструкций к новому типу конструктивных решений, создаваемых на основе композиционных материалов. Страница 73 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года График показывает, что в настоящее время металлические конструкции, пройдя путь 60летней эволюции, по существу, достигли максимума своей эффективности, поскольку рост технических характеристик существующих металлических дюралевых сплавов существенно замедлился. Дальнейшее повышение транспортной эффективности, как за рубежом, так и в России связывают, главным образом, с внедрением в силовую конструкцию планера новых волокнистых композиционных материалов (КМ) с высокими удельными прочностными характеристиками. К примеру, предел прочности современных угольных волокон превышает величину пред=500 кгс/мм2, что на порядок выше предельных прочностных характеристик современных авиационных алюминиевых сплавов, тогда как удельный вес волокон почти в два раза ниже, чем у этих сплавов. 74 разрыв пред ≈ 68 кгс/мм2 при значениях допустимой деформации εmах=2.52.7 %1. Проведенные, в частности, в ЦАГИ исследования показали, что для успешной реализации технологии «Black metal» характеристики связующего должны быть улучшены как минимум в 2-2.5 раза по сравнению с существующим уровнем. Однако этого можно ожидать лишь в долгосрочной перспективе. В случае, если принять более реалистичный прогноз по 50% улучшению механических свойств связующих, то в этом случае эффективные по весу и стоимости авиаконструкции могут быть получены лишь в рамках так называемых «прокомпозитных» или «гибридных» конструктивносиловых схем. Однако накопленный опыт, полученный к настоящему времени при разработке и создании композитных авиаконструкций, показал низкую эффективность использования потенциально высоких удельных свойств современных угольных и других органических волокон в высоконагруженных силовых авиаконструкциях. Основные трудности обусловлены очень низкими прочностными и эластичными характеристиками современных смол (связующего) по отношению к характеристикам волокон (наполнителя). Существующий дисбаланс физических свойств связующего и наполнителя приводит к тому, что в рамках современных многослойных композиционных материалов не удаётся реализовать даже 20-25% от предельных прочностных характеристик для волокон в составе квазиизотропной обшивки. По этой причине композитная технология «Black metal», предполагающая лишь замену конструкционного материала при неизменной конструктивнотехнологической схеме планера, оказалась малоэффективной. К сожалению, в рамках квазиизотропного и других ортогональных пакетов современные связующие (смолы), созданные на основе различных полимеров из-за своих низких прочностных и деформационных свойств не позволяют угольным волокнам в полной мере реализовывать свои высокие прочностные характеристики. Так, лучшие современные смолы имеют предел прочности на Рисунок – «Гибридная» конструкция гермоотсека фюзеляжа для самолета 2040-2050 гг. (представлено Airbus) К таким конструкциям относятся сетчатые и балочные КСС (рисунок), в которых основными силовыми элементами являются не подкрепленные панели, а система массивных ребер, интегрированных с металлическими частями и ребра, воспринимает глобальные нагрузки от сжатия, растяжения, изгиба и кручения, в то время как сосредоточенные нагрузки, нагрузки в стыковочных узлах воспринимают металлические конструкции. Что касается внутреннего наддува, то для этих КСС нагрузки от внутреннего давления могут восприниматься как металлическими конструктивными элементами, так и эластичными пластиками, приспособленными к восприятию растягивающих усилий. Будут разработаны гибридные, активно управляемые и преобразуемые КСС с высокой Для металлических алюминиевых сплавов эти показатели значительно выше: пред = 50 кг/мм2, εмах= 20-24 %. 1 Страница 74 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года степенью адаптации к режимам полета. Они могут быть эффективными для конструкции крыла большого удлинения, а также для конструкции «летающего крыла», которые в среднесрочной перспективе могут быть базовыми вариантами для конструкций гражданских самолетов. Получат распространение активные системы снижения нагруженности планера ЛА в эксплуатации, встроенные системы контроля состояния конструкции. Всё это потребует новых достижений в области адаптроники, аэроупругости, отказобезопасности авиаконструкций. Новые материалы и конструктивнотехнологические решения ожидаются при создании «горячих», теплозащищенных и охлаждаемых конструкций планера сверх- и гиперзвуковых ЛА. Будут разработаны КСС и термокомпенсационные мероприятия, обеспечивающие прочность с учетом тепловых нагрузок при минимальных весовых затратах. Специальные мероприятия 75 усталостных, коррозионных, триботехнических характеристик и живучести элементов конструкции с полуторакратным увеличением ресурсов и сроков службы планера ЛА. Основные проблемы, стоящие на пути реализации указанных тенденций, связаны с созданием блока инновационных решений и рекомендаций по проектированию конструкций перспективных компоновок ЛА с использованием новых инновационных технологических решений, включая композитные, малостыковые, целесообразно деформируемые и адаптируемые к условиям полёта упругие конструкции крыла, органов управления, оперения и фюзеляжа, активное шасси, сварные соединения и металлокомпозитные стыки. Важное место займут вопросы обеспечения безопасности при аварийных ситуациях и несанкционированных воздействиях, виброкомфорт, управление нагруженностью конструкции. конструктивные и другие обеспечат существенный рост Страница 75 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 76 РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННОГО БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Под редакцией ………………..(НИИАО), ………………………(ГосНИИАС) Технология безопасного управления воздушными судами. Безопасность полётов – интегральная характеристика системы «лётчик – воздушное судно – эксплуатационная среда», определяющая эффективность и ограничения применения авиационной техники. Существует множество потенциально опасных факторов, которые могут оказывать неблагоприятное влияние на воздушное судно в полёте. Это ошибки и невнимательность лётчика, механические отказы и логические ошибки в работе бортовых подсистем воздушного судна, неблагоприятные погодные условия и др. Существенно, что каждый из этих факторов, действуя в отдельности, обычно не является критическим, и авиационное происшествие, как правило, является результатом перекрёстного влияния нескольких опасных факторов. Поэтому одной из важнейших задач при формировании отраслевой стратегии НИР и ОКР на ближне- и среднесрочную перспективу по развитию бортового оборудования является поиск, разработка и доведение до высокого уровня готовности технологий обеспечения безопасности лётной эксплуатации воздушных судов следующих поколений в сложных многофакторных условиях. Навигация, связь и наблюдение на основе концепции CNS/ATM. Безопасность и эффективность полетов воздушных судов во многом обеспечивается системами организации воздушного движения. Составными частями этих систем, выполняющими основные функции, являются связь, навигация, наблюдение. В современной интерпретации реализация функций связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения охватывается концепцией Сommunications, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management (CNS/АТМ). Концепция CNS/АТМ есть сочетание новейших технологий и систем, обеспечивающих оптимальные характеристики аэронавигационного обеспечения с технической и экономической точки зрения. Принципиальными особенностями системы CNS/АТМ являются следующие: 1. Вместо разделения на обособленные наземные и бортовые функции CNS/АТМ, функции и процедуры для производства полетов будут цельной функциональной частью системы АТМ, т.е. бортовую и наземную аппаратуру рассматривают как единое целое. 2. К новым основным требованиям, предъявляемым к элементам системы CNS/АТМ, следует отнести: - в связи - применение высокоскоростных линий передачи данных; - в навигации - широкое применение глобальной системы спутниковой навигации GNSS для всех стадий полета; - в наблюдении - оптимизация ВОРЛ и ADS (автоматизированного зависимого наблюдения) по критериям оптимальной пропускной способности; В системе CNS/АТМ спутниковая навигация имеет следующие составляющие: 1. Спутниковые навигационные приемники, на борту воздушных судов. 2. Системы функционального дополнения наземного и космического базирования. 3. Радиоканалы передачи данных между приемниками и системами дополнения. Использование этих средств позволяет реализовать следующие функции: 1. Навигация на маршруте. 2. Посадка воздушного судна по I, II и III категориям метеоминимума. 3. Наблюдение за летным полем. До последнего времени совершенствование систем наблюдения было направлено на улучшение информационного обеспечения диспетчера. В соответствии с провозглашенной ИКАО концепцией CNS/ATM, конечной целью которой является поэтапный переход к свободному полету (концепция “Free Flight”), значительная часть функций диспетчера будет передаваться бортовому экипажу, и эти функции экипаж будет осуществлять наряду со своими традиционными задачами. В связи с этим на перспективных самолетах экипажу должна быть представлена информация о воздушном движении не менее подробная, чем у диспетчера. Дальнейшее развитие наблюдения за воздушным движением с земли связано с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), связанным с автоматической передачей содержащихся в бортовой аппаратуре данных о координатах и намерениях (скорость и направление) самолета. Страница 76 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Безопасность полетов непосредственно зависит от действий экипажа, поэтому очень важно, чтобы они были обеспечены надежной информацией о летной ситуации и рекомендациями по пилотированию. В функции комплекса аппаратуры наблюдения включено предупреждение экипажа о близости земли, в том числе раннее предупреждение с использованием базы данных о рельефе, и обнаружение попадания в сдвиг ветра, т.е. использование информации, полученной из разных источников: - о воздушном движении (ADS-B, TCAS, TIS-B), - о рельефе (TAWS) и препятствиях (особенно для вертолетов), -о метеорологических условиях (радиолокатор, дополнительные датчики улучшения видимости и метеорологические карты, полученные с земли по линии передачи данных). Целью реализации концепции CNS/ATM является повышение пропускной способности воздушного пространства при уменьшении ограничений на выбор траектории полета (Free Flight). Наиболее принципиальным вопросом при этом будет выбор бесконфликтной траектории с учетом намерений окружающих самолетов. Весьма важным вопросом станет совершенствование и автоматизация взаимодействия служб организации и управления воздушным движением и самолетов с целью повышения безопасности и обеспечения регулярности полетов: - выдерживание согласованной между авиакомпанией и центром организации и планирования воздушного движения 4-х мерной бесконфликтной траектории; - автоматизация управления самолетами на этапах предпосадочного маневрирования и захода на посадку с целью обеспечения безопасной дистанции между ними и посадки в заданное время; - организация процесса при нарушении контракта, необходимости ремаршрутизации. Оценка времени, необходимого для обращения в ОПВД для получения нового маршрута (тактическое планирование), логика действий при отсутствии связи или при отсутствии контракта; - моделирование всего процесса, в том числе и цепных реакций, т.е. когда планы разных участников воздушного движения согласованы изначально, но нарушение одного из них ведет к нарушению планов других участников; 77 - минимизация изменения планов полетов участников воздушного движения при нарушении плана полета одного из них. Результатом развития технологии связи, навигации и наблюдения и взаимодействия со службами организации и управления воздушного движения на основе концепции CNS/ATM является создание беспилотного транспортнопассажирского самолета. В настоящее время уже ведутся исследования, закладывающие основы для масштабных НИОКР, нацеленных на создание авионики нового поколения, обеспечивающей реализацию приложений концепции CNS/ATM. Однако из-за высокой ресурсоемкости проблемы пока рано говорить о значительных успехах в этом направлении. При оптимистическом сценарии, предусматривающем наличие устойчивого и достаточного финансирования, научных и инженерно-технических кадров, экспериментально-стендовой базы возможна реализация мероприятий, которые позволят к 2025 году достигнуть соответствия мировому уровню. При консервативном сценарии задачи CNS/ATM будут частично решаться за счет включения импортного оборудования в состав БРЭО отечественных ЛА и наземных сегментов системы ОрВД, а при пессимистическом сценарии доля импортного оборудования и технологий может стать несоизмеримо большой, что сделает нецелесообразным дальнейшее продолжение национальных программ в этой области и сведется к обслуживанию зарубежных технологий в воздушном пространстве РФ. Интеллектуальные системы, моделирование и виртуальное прототипирование. Для достижения стратегической цели обеспечения инновационного развития авиационной отрасли в Российской Федерации на рассматриваемом горизонте научного предвидения (форсайта) необходимо запланировать комплекс НИР и ОКР по следующим приоритетным направлениям в области математического моделирования, вычислительного эксперимента и бортового искусственного интеллекта. «Нормативное обеспечение». Нормативно-правовое и нормативно-техническое обеспечение использования методов и технологий математического моделирования, вычислительного эксперимента, искусственного интеллекта в задачах обеспечения безопасности полётов. Страница 77 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года «Виртуализация исследований полёта». Методы и технологии для моделирования лётных испытаний и эксплуатации ВС, авиационных происшествий и инцидентов, деятельности лётчика, процессов обучения. «Формализация процессов жизненного цикла (ЖЦ) КБО». Методы прогнозирования процессов разработки, производства, испытаний и эксплуатации КБО, выявление точек передачи управления по этапам ЖЦ. Разработка протоколов обмена информации и передачи управления по этапам ЖЦ. Анализ, выбор, и разработка инструментальных средств сопровождения протоколов. Анализ методов верификации на различных этапах. «Математическое обеспечение. Верификация и валидация моделей». Теория, численные методы, алгоритмы и структуры данных для создания математических моделей с целью моделирования системы «лётчик–ВС– эксплуатационная среда». Верификация и валидация математических моделей. Методы планирования и проведения вычислительного эксперимента, обработка и анализ результатов моделирования. «Искусственный интеллект для безопасности полёта». Методы и технологии прототипирования и создания систем бортового искусственного интеллекта (баз знаний и механизмов логического вывода) для обеспечения безопасности ВС в сложных и неизвестных условиях применения. Методы и технологии приобретения, обобщения, накопления и использования баз знаний. Методы и технологии организации интеллектуального интерфейса. «Интеллектуальный воздушный бой». Для военных самолетов предполагается значительный прогресс в области интеллектуальных систем информационной поддержки экипажа на режимах боевого применения. Диагностические системы, средства и алгоритмы. Новое поколение КБО должно обладать способностью автоматического диагностирования технического своего состояния, а в дальнейшем и ЛА в целом. Должны быть проведены исследования по созданию рассредоточенных по самолету датчиков, контролирующих состояние компонентов и систем, а также процессов обработки информации, позволяющих предсказывать возможное ухудшение состояния в будущем. Основой для реализации этих функции должна быть ИМА второго поколения. 78 Бортовая вычислительная сеть, лежащая в основе всего комплекса бортового оборудования, помимо удовлетворения другим требованиям, должна: - иметь более высокий уровень надежности при низком уровне стоимости; - обладать разумной (обоснованной) избыточностью; - контролировать с высокой эффективностью собственное техническое состояние; - осуществлять собственную реконфигурацию для поддержания своих основных характеристик на уровне, необходимом для функционирования комплекса; - собирать, систематизировать и хранить информацию об условиях полета, действиях экипажа, работоспособности или особенностях функционирования всех систем и элементов бортового комплекса, двигателя и элементов конструкции; - обрабатывать в реальном времени как накапливаемую, так и сохраненную заранее информацию с целью локализации (определения типа и места в комплексе) поврежденных, отказавших или неправильно функционирующих модулей и систем, включая членов экипажа; - осуществлять реконфигурацию комплекса для достижения максимально возможной безопасности и эффективности выполнения или завершения этапа или полета; - информировать о нештатном развитии ситуации экипаж и, используя цифровые автоматические каналы связи (будем исходить из того, что такие каналы будут созданы), наземные службы управления воздушным движением, производителей авиационной техники и авиационные компании; - формировать рекомендации для действий экипажа в полете и инженернотехнического персонала после приземления для оперативного исправления ситуации. Должны быть разработаны и сформулированы: - технические решения по созданию отказоустойчивой системы управления общесамолетным оборудованием и ее интеграции в пространственно обособленные информационно интегрированные КБО с управляемой избыточностью; системы полной диагностики вибросостояния летательного аппарата, авиационных двигателей и редукторов вертолетов; принципы построения отказоустойчивой системы управления общесамолетным оборудованием на основе Страница 78 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года методов прогнозирования остаточного ресурса агрегатов и определения их предотказного состояния для своевременной замены на земле и реконфигурации системы в полете. Технология создания навигационных систем, систем воздушных сигналов и интеллектуальных датчиков. Направления развития науки и технологий в области авиационных инерциальных систем определяются общими перспективными требованиями к бортовому оборудованию летательных аппаратов, которые ужесточаются для повышения безопасности полетов, снижения ограничений на атмосферные условия и интенсификации воздушного движения, особенно в зоне аэропортов. В настоящее время мировые тенденции развития инерциальных систем свидетельствуют о переходе к идеологии бесплатформенных систем. По своему назначению рассматриваемые системы можно подразделить на: - инерциальные навигационные системы (БИНС); - гиро- и курсовертикали (БКВ); - информационные системы (приборы) каналов управления и стабилизации движения летательного аппарата. Как правило, это резервные системы. Переход на технологию БИНС определяется тем, что такие системы обладают в 3 ÷ 4 раза большей информативностью по сравнению с платформенными, обеспечивая повышение вероятности выполнения задачи военной авиации на ~50%, сокращенным в 1,5 ÷ 3 раза временем автономной начальной выставки, тем самым существенно снижая уязвимость, уменьшением в 2 ÷ 3 раза массогабаритных параметров системы, в ~10 раз энергопотребления и повышением более чем в 10 раз технического ресурса, что на порядки снижает стоимость жизненного цикла системы. В настоящее время удовлетворяют требованиям бесплатформенных систем следующие технологии: Гироскопические элементы: - лазерный гироскоп (ЛГ); - волоконно-оптический гироскоп (ВОГ); - волновой твердотельный гироскоп (ВТГ); - микромеханический гироскоп (ММГ); Акселерометрические элементы - маятниковые акселерометры с высокодобротным подвесом (в частности кварцевые) компенсационного типа; - микромеханические акселерометры с упругим подвесом из монокристалла 79 высокодобротного материала (в основном кремния). Следует ожидать совершенствование технологии бесплатформенных инерциальных навигационных систем по следующим направлениям: - разработка технологии высокоточного лазерного гироскопа, погрешность которого во всем диапазоне внешних воздействий не превышает 0.005 град/час на основе кольцевого лазера с техническим ресурсом не хуже 10 000 часов и зеркалами с интегральным обратным рассеянием на уровне 5 ррм; - разработка технологии кварцевого акселерометра, обеспечивающей погрешность не более 30 · 10-6 g при нестабильности масштабного коэффициента не 0.015 %; - разработка микропроцессорной электроники чувствительных элементов, что позволит исключить из состава системы аналогоцифровые преобразователи; - создание моноблочных конструкций, минимизирующих конструктивные и методические источники погрешностей; - создание более совершенных алгоритмов и ПО, обеспечивающих минимизацию погрешностей алгоритмической компенсации и вычислительного дрейфа; - создание БИНС на лазерном гироскопе с погрешностью определения (2σ) координат – 0.8 км за час, скорости – 0.7 м/с, массой не более 12 кг и энергопотреблением не более 50 Вт. Следующим этапом в развитии БИНС в первую очередь для ВВСТ следует считать создание БИНС на основе волнового твердотельного гироскопа (ВТГ), для чего должны быть выполнены работы по следующим направлениям: - разработка технологии формообразования полусферических резонаторов, обеспечивающей отсутствие дефектного слоя и внутренних напряжений; - разработка технологии формирования проводящего покрытия на поверхности резонатора, не приводящего к потере его механической добротности; - разработка технологии упруго массового симметрирования резонатора, исключающей возникновение внутренних напряжений в резонаторе; - разработка технологии ВТГ, исключающей отток колебательной энергии оболочки резонатора в основание; - создание адаптивной микропроцессорной функциональной Страница 79 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года электроники ВТГ, исключающей паразитные связи по каналом управления; - разработка технологических и штатных алгоритмов и ПО, учитывающих особенности формирования выходной информации ВТГ; - создание БИНС на ВТГ с погрешностью определения (2σ) координат – 0,8 км за час, скорости – 0.7 м/с, массой не более 6 кг и энергопотреблением не более 20 Вт. В дальней перспективе следует ожидать, что погрешность определения (2σ) координат в БИНС будет меньше чем 0.5 км за час. Учитывая общие тенденции по созданию пространственнообособленных информационно интегрированных КБО с управляемой избыточностью, будут проводиться работы, по созданию функционально-распределенных БИНС. Автоматизация сбора и обработки технологической информации требует применения интеллектуальных датчиков (ИД) способных самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою чувствительность в целях достижения максимальной эффективности. Своим «интеллектом» датчики обязаны микропроцессорным технологиям. Современные датчики и бесконтактные переключатели обладают средствами диагностики и способны подключаться к сетям; вскоре добавятся и простейшие контроллерные функции. Одной из наиболее привлекательных характеристик интеллектуальных датчиков является предоставление возможности подключать к одному кабелю несколько датчиков, а также проводить их конфигурирование и диагностику на расстоянии, т.е. настройку на объект, выбор режима работы и переключения, мониторинг элементов и состояния сенсора, отслеживание слишком слабого сигнала, предупреждающего об опасности полного отказа датчика. Можно ожидать продвижения в следующих важных направлениях. 1. Разработка интегрированной системы определения воздушных параметров и их критических значений на основе использования многофункциональных, всеракурсных приемников воздушных давлений и прецизионных интеллектуальных датчиков давления. 2. Разработка интеллектуальных полупроводниковых датчиков давления высокой точности и надёжности в расширенном диапазоне температуры для систем управления и диагностики авиационных двигателей и инерциально-аэрометрических систем. 80 3. Методология проектирования тензопреобразователей физико-механических величин с гетероструктурой КНИ для создания интеллектуальных датчиков давления с высокой точностью и надежностью для авиационной и ракетно-космической техники. 4. Создание нового поколения измерительных интегральных тензопреобразователей, без p-n переходов с высокой радиационной стойкостью и диапазоном измерения 213 - 573 К. 5. Создание комбинированного датчика параметров для систем воздушных сигналов, с расширением диапазона измерений параметров до значений, возникающих при боевом маневрировании и уменьшением количества средств восприятия давлений на борту ЛА. 6. Поиск материалов и технических решений по созданию нанопокрытий, способствующих повышению противообледенительных свойств датчиков, что обеспечит снижение электрической мощности обогрева не менее чем на 50 %. 7. Создание научного задела для средств измерения скорости, высоты для перспективных гиперзвуковых ЛА, обеспечивающих расширение диапазона измерений воздушных параметров до гиперзвуковых скоростей. В отдаленной перспективе следует ожидать создания «сенсорных сетей» – тысячи миниатюрных интеллектуальных сенсоров с возможностями связи, которые размещаются на контролируемом объекте. Они сами налаживают между собой связь, формируют сеть и начинают передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Для систем виброконтроля авиационных двигателей и редукторов вертолетов необходима разработка интеллектуальных многокомпонентных первичных преобразователей и вторичных вычислительных устройств. Технология формирования информационновычислительной среды на основе концепции ИМА. В настоящее время ведущие мировые производители авионики завершили переход к производству поколения комплексов бортового оборудования (КБО) открытой архитектуры на базе интегрированной модульной авионики (ИМА), которые характеризуются более высокой степенью интеграции и обобщения ресурсов. В их основе лежит единая вычислительная платформа, функции систем комплекса в этом случае выполняют программные приложения, разделяющие общие вычислительные ресурсы. Дальнейшее развитие авионики будет связано как с оптимизацией указанных характеристик Страница 80 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года КБО, так и с переходом к директивным методам управления, когда экипаж выбирает и задает режимы работы интегрированного КБО. Реализация этих режимов, оценка состояния систем ЛА и поддержание на необходимом уровне безопасности полета, возлагается на бортовую вычислительную сеть. Реализации директивных методов управления планируется путем расширения возможностей ИМА. К концептуальным особенностям авионики нового поколения относятся: - реализуемость, открытость и адаптируемость архитектуры; - общность используемых на борту ЛА аппаратных и программных средств; - независимость программ от используемых аппаратных средств; - приемлемая стоимость авионики и ориентация на использование коммерческих технологий и компонентов; - унификация сети передачи данных; - стандартизация конструктивного исполнения всей авионики; - совершенная методология и инструментальные средства программирования; - эффективные средства встроенного контроля и повышение уровня надежности, ремонтопригодности, технического обслуживания. В ближайшей перспективе будет осуществлен переход к интеграции всего жизненного цикла разработки, выпуска, эксплуатации и развития авионики, что требует сверхмощных систем полунатурного моделирования, которые напрямую формируют маршрутные карты гибкого технологического производства авионики. Также, можно ожидать, что авионика ближайшей перспективы будет обладать принципиально новыми качествами, связанными с революционными изменениями процессов ее разработки, проектирования, применения и обслуживания. Одним из них будет переход к широкому использованию «систем на кристалле» – «System on a Chip – SoC», представляющих собой сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). При этом процесс разработки радиоэлектронной аппаратуры будет включать этап создания СБИС, что означает интеграцию радиоэлектронной промышленности и авиационного приборостроения. К преимуществам «систем на кристалле» перед классическими «системами на печатной плате» можно отнести: - миниатюризацию (как правило, устройство, созданное на базе SoC, состоит из одной, максимум двух, СБИС и ограниченного 81 набора дискретных компонентов, которые по технологическим причинам не могут быть интегрированы внутрь ИС); - снижение потребляемой мощности (СБИС типа «система на кристалле» изготавливаются по технологии «глубокого субмикрона» (DSM – Deep Submicron), т.е. 0.35 мкм и ниже, что позволяет снизить напряжение питания и, как следствие, существенно уменьшить потребляемую мощность); - повышение надежности (объединение нескольких компонентов, т.е. IP-блоков, на одной пластине кремния позволяет существенно уменьшить число паяных соединений, обладающих минимальной для изделий электроники надежностью). Реализации развитых директивных методов управления требует создания и использования высокоразвитых интеллектуальных бортовых вычислительных систем. Важной особенностью является повышение отказобезопасности и регулярности полетов за счет наличия функций встроенного контроля и реконфигурации (вероятность отказа 10-10) в отличие от существующих систем, в которых используется менее эффективное резервирование. Предполагается, что развитие рассматриваемой технологии будет происходить в двух направлениях: 1. Расширение возможностей ИМАавионики путем адаптации существующих программных и аппаратных продуктов, созданных для широкого использования: внедрение многоядерных процессоров, максимальное использование возможностей существующих традиционных межмашинных каналов связи (Fibre Channel , AFDX) и т.д. 2. Интеграция концепций ИМА и АНБО (авионика необслуживаемого бортового оборудования) для создания пространственно обособленных и информационно интегрированных комплексов бортового оборудования с управляемой избыточностью. В зависимости от ресурсной обеспеченности исследовательской деятельности в результате развития первого направления возможно к 2018 году осуществить разработку и внедрение базовых элементов и технологий для создания оптико-электронных систем межмодульной связи на частотах до 10 ГГц (на базе каналов типа Fibre Channel), а также многомодульных вычислительных систем на базе многоядерных процессоров. Страница 81 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Реализация второго направления позволит с 2015 года проектировать КБО, обладающие свойствами пространственной обособленности и управляемой избыточности на уровне вычислительных модулей на базе СБИС и бортовой вычислительной сети. А с 2020 года – разрабатывать и интегрировать в необслуживаемые вычислительные среды обособленные системы КБО, что позволит к 2023 году разработать базовый необслуживаемый КБО с управляемой избыточностью со свойствами самовосстановления в межрегламентные периоды. Внедрение подобного КБО позволит радикально сократить стоимость и время обслуживания, достичь предельно возможных показателей надежности и безопасности. В долгосрочной перспективе можно ожидать переход к декларативным методам управления, когда экипажу остается комплексная оценка состояния летной ситуации и выбор конечных целей на различных этапах полета; Основные усилия будут направлены на дальнейшие работы по созданию КБО на основе концепций ИМА и АНБО. К 2025 году возможно проведение оценок по целесообразности и возможности распространения концепции АНБО на все самолетные системы (СЭС, СУД, САУ и т.д.) и их интеграция на базе информационновычислительной среды. Технология создания РЛС с АФАР. На ближайшие 20-40 лет основными информационными системами обстановки за бортом воздушного судна являются радиолокационные и оптикоэлектронные системы. Требованиям круглосуточного функционирования в любых метеоусловиях наиболее отвечают радиолокационные системы. Начиная с 1980-х годов ведущие в области авиационной радиолокации кампании начали работы по созданию бортовых РЛС с активными фазированными решетками (АФАР). Это перспективное направление в области радиолокации на ближайшие 30 лет. В настоящее время технический уровень разработок бортовых РЛС можно охарактеризовать следующим образом: - отработаны технологии формирования антенного полотна из нескольких десятков приемо-передающих модулей (ППМ); - разработаны ППМ с выходной мощностью порядка 5-8 Вт, что обеспечивает энергетический потенциал БРЛС, позволяющий обнаруживать воздушные цели с эффективной поверхностью рассеивания 3 м2 на дальностях порядка 200 км. 82 В краткосрочной перспективе можно ожидать формирования концепции применения БРЛС с АФАР на воздушных судах ГА, будут получены основные требования к ним и начаты соответствующие НИОКР. Этот период должен стать основным в процессе создания бортовых РЛС с АФАР в РФ. Возможно достижение следующих результатов: - создание следующего поколения элементной базы АФАР при условии начала работ по перспективным технологиям. Для каждого из указанных направлений развития БРЛС с АФАР это достижение новых уровней технических характеристик, превышающих достигнутый не менее чем на 20-50 %, в зависимости от направления; - полная отработка алгоритмов и программного обеспечение функционирования БРЛС с АФАР в различных режимах; - возможно развертывание НИОКР по созданию типового ряда БРЛС с АФАР для летательных аппаратов различного назначения, включая экспортные варианты; - создание задела для создания нового поколения БРЛС с АФАР с повышением эффективности по основным показателям на порядок; интеграция БРЛС в комплексы бортового радиоэлектронного оборудования. В долгосрочной перспективе БРЛС с АФАР будут оставаться одним из основных средств получения информации об окружающей обстановке как в воздухе, так и на поверхности. Основными результатами разработок в этот период могу быть: - резкое снижение стоимости серийных образцов БРЛС с АФАР; - интегрирование подсистемы БРЛС в составе интегрированного комплекса БРЭО. Технология формирования информационноуправляющего поля кабины. Информационно-управляющее поле (ИУП) объединяет все системы и устройства, создающие и поддерживающие внутрикабинный интерфейс между членами экипажа, бортовыми системами летательного аппарата и наземными пунктами управления движением и поддержки полета. Неизбежные изменения ИУП вызваны глобальными изменениями в построении бортовых комплексов авионики, происходящими в настоящее время. Системы индикации и сигнализации как самостоятельные бортовые системы исчезают, растворяясь в комплексе интегрированной модульной авионики (ИМА). Однако остаются функции внутрикабинного Страница 82 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года интерфейса, выполнение которых будет возлагаться на средства ИУП. Виртуальная приборная доска позволит достичь небывалой гибкости в представлении информации: если прежде прибор занимал место на приборной доске постоянно, независимо от того, сколько времени он используется в полете, то на виртуальной приборной доске соответствующий «прибор» будет появляться только по мере необходимости. Поэтому следует ожидать, что размер приборной доски в будущем даже несколько сократится, что позволит улучшить обзор пространства в нижней полусфере. Взамен ЖКИ можно ожидать использование проекционные и органические электролюминесцентные индикаторы. Возможно появление индикаторов не прямоугольной, а более сложной формы, наиболее удобной в данном применении. Тенденции развития индикаторов на приборной доске. Развитие индикаторов происходит по двум различным направлениям. Это, во-первых, развитие элементной базы индикаторов и, во-вторых, форматы изображений, содержащих информацию применительно к перспективным индикаторам. Начиная с появления в 70-х годах, количество индикаторов в кабине постоянно росло с одновременным увеличением размеров экранов и повышением качества изображения. Современные истребители имеют на борту 4-6 полноцветных индикаторов на базе активных жидкокристаллических панелей с экранами размера до 200200 мм. На современных пассажирских самолетах индикаторы занимают практически всю приборную доску, их площадь достигает 3250 см2. Информационная емкость индикации в кабине (представляющая собой сумму пикселей всех индикаторов) постоянно растет. Например, на истребителях она увеличилась с 0.45 до 1.4 мегапикселей, а в ближайшей перспективе достигнет 5 мегапикселей. Заметна тенденция к исключению многофункциональных пультов управления, функции МФПУ реализуются с помощью индикаторов на приборной доске и устройств управления курсором. Таким образом, происходит увеличение в размерах экранов индикаторов с одновременным сокращением их количества и вытеснением с приборной доски всего остального. В конечном итоге один индикатор займет всю приборную доску, точнее приборная доска превратится в изображение на экране индикатора, станет виртуальной. Для 83 высокой надежности индикатор должен иметь сегментированный экран, каждый из 2-3 сегментов которого может работать автономно. По всей видимости, такие экраны будут создаваться с использованием новых технологий, которые идут на смену ЖК. Усилия разработчиков систем индикации направлены сейчас на то, чтобы сделать представление данных более естественным и интуитивно понятным, исключить по возможности необходимость мысленной работы по переводу «сырых» данных в нечто более понятное. Новые форматы изображения стараются представить мир так, как его видит пилот, добавить изображению третье измерение, а также прогнозную информацию. Синтезированная карта. Обязательным форматом изображений на экранных индикаторах стала электронная карта. Синтезированная карта показывает участок земной поверхности вокруг ЛА в одном из двух вариантов: или как проекция сверху, или как «вид из окна». В первом случае изображение рельефа облегчает ориентирование. Так обычно представляют карту на тактическом индикаторе истребителей. К изображению рельефа добавляется и различная тактическая информация танки, пусковые установки, укрепления и т.д.) Системы могут содержать не только базу данных о рельефе, но и базу данных о высоких препятствиях – небоскребах, мачтах, вышках. Дорога в небе. С помощью приборов пилот может контролировать отклонение своего ЛА от заданной траектории движения. Изображение заданной траектории с позиции наблюдения пилота называют «дорогой в небе». В этом случае траектория полета изображается в виде контуров мощеной плитами дороги или туннеля. Задача пилотирования сводится к тому, чтобы на экране двигаться внутри туннеля стремясь удержать директорную метку в центре плоскости Страница 83 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года скользящей со скорость движения самолета. Закон формирования директорной метки включает в себя прогнозную информацию о траекторном положении самолета, который должен синтезироваться путем оптимизации свойств системы самолет-летчик. Многооконный графический интерфейс. Увеличившийся размер экрана современных индикаторов позволяет разместить на нем гораздо больше информации, чем прежде. Такие индикаторы заменяют сразу несколько индикаторов меньшего размера, однако при этом встает проблема компоновки изображений на большом экране. Решением является использование многооконного интерфейса: каждое запускаемое приложение имеет свою зону экрана в виде окна, а пользователь может выбирать окна-приложения по своему усмотрению, менять размеры, закрывать и открывать при необходимости. Развитие средств управления. Средствами управления для современных систем индикации являются кнопочные пульты. Внедряются более эффективные способы управления, использующие графический интерфейс и устройства управления курсором. Пилот управляет системой с помощью графического пользовательского интерфейса подобно тому, который реализуют операционные системы персональных компьютеров. Движением курсора на экране для активации соответствующих зон пользователь управляет с помощью специального манипулятора. На борту такими манипуляторами, по всей видимости, будут сенсорные панели, джойстики и трекболы. При этом, очевидно, будет ограниченное количество традиционных или модифицированных кнопок. Перспективный индикатор должен обладать повышенными интеллектуальными способностями, должен иметь меньшую толщину, более высокую надежность. К перспективным технологиям, способным в предстоящие 5-10 лет потеснить существующие ЖКИ в кабинах ЛА, относятся: - усовершенствованные ЖКИ-индикаторы на основе пластиковых транзисторов, бистабильные ЖКИ; - проекционные индикаторы на базе отражающих микро-ЖКИ, на базе твердотельных лазеров, микрозеркальные индикаторы; - электролюминесцентные индикаторы: органические, тонкопленочные; - индикаторы на светоизлучающих полимерах; - вакуумные катодолюминесцентные индикаторы; 84 - плазменные индикаторы переменного тока. Нашлемные системы индикации. В некотором смысле альтернативой индикации на приборной доске является интенсивно развиваемая нашлемная индикация, позволяющая в перспективе сосредоточить всю визуальную информацию, подаваемую члену экипажа, в весьма ограниченной по размерам лицевой части шлема. Средства воспроизведения звуков и речи. В последнее время большое внимание уделяется средствам воспроизведения звука и речи. Перспективным направлением их развития является пространственная локализация звука, создающая для пилота трехмерную акустическую картину ситуации. Сообщения в такой системе доносятся с того направления, которое связано с целью оповещения, например, сообщения с земли звучат снизу, предупреждение о нападении – со стороны летящей ракеты и т.п. Такой подход к передаче звуковых и речевых сигналов позволяет повысить эффективность звукового интерфейса пилот – самолет. Тактильные системы. Еще один потенциальный класс ИУП – тактильные системы. В настоящее время тактильная сигнализация используется ограниченно. Однако насыщение визуального канала передачи информации пилоту, характерное для современных ЛА, ставит вопрос об использовании альтернативных способов информирования пилота. Виртуальная кабина. Объединение визуальных, звуковых и тактильных средств в единую систему позволяет создать виртуальную кабину, которая дополняет реальный окружающий мир не существующими в действительности элементами, расширяющими возможности пилота. Один из принципов, реализуемых в виртуальной кабине – мультимодальность, который подразумевает использование для передачи информации не только визуального, но и других сенсорных каналов пилота, а для передачи управляющих воздействий от пилота к ЛА – не только ручного управления, но и альтернативных способов: управления голосом, взглядом, движениями рук и головы. Развитый мультимодальный интерфейс позволяет создать у членов экипажа ощущения, близкие к ощущениям пребывания в соответствующей среде. Все приборы и органы управления могут стать частью экипировки пилота. Подключив соответствующим образом оборудованный костюм к ЛА, пилот будет видеть виртуальные приборы, слышать синтезированные «как бы реальные» звуковые сигналы и сможет пользоваться виртуальными органами Страница 84 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года управления. Движения и речевые команды пилота будут восприниматься датчиками и преобразовываться в команды, подаваемые в системы ЛА. Нашлемная система индикации будет цветной, бинокулярной, с высоким разрешением и широким полем зрения, что позволит создавать виртуальную реальность. Пилот будет видеть 85 объемную картину, которая будет изменяться в зависимости от положения и поворота головы и даже взгляда. В виртуальной кабине будут появляться и исчезать приборы и элементы интерьера в зависимости от решаемой задачи, изменения ситуации и появления угроз. Страница 85 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 86 РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННЫХ АГРЕГАТОВ Под редакцией …………………………(НИИСУ) Развитие бортового оборудования ЛА до настоящего времени, в основном, происходило в направлении повышения безопасности полёта ЛА за счет применения многосекционных рулевых поверхностей с двухи трёхкратным дублированием, применения источников различных типов энергии, совмещением в одном приводе двух различных источников питания и резервирования. Смена поколений ЛА не приводила к заметному изменению относительного веса бортового оборудования (соотношение веса оборудования и взлетного веса ЛА), оставались ограниченными эффективные обратные связи между исполнительными механизмами и экипажем. Для повышения эффективности ЛА новых поколений потребуется применение адаптивных аэродинамических поверхностей и использование энергетических способов увеличения подъёмной силы ЛА, что создаст предпосылки к внедрению морфных конструкций ЛА со струйным и плазменным способами управления. Развитие бортового оборудования и авиационных агрегатов будет осуществляться по следующим направлениям: - снижение энергопотребления агрегатами и системами при заданном уровне надёжности, на основе создания новых принципиальных схем, разработки и внедрения агрегатов с повышенными КПД, широкого использования рекуперации и утилизации излишков энергии, использования перспективных и альтернативных источников энергии; - снижение веса бортового оборудования ЛА на основе широкого применения композиционных материалов, как в агрегатах, так и в трубопроводных системах и иных линиях доставки рабочего тела к бортовому потребителю, рационального распределения потребителей по источникам питания, снижения пиковых расходов потребления рабочего тела; - разработка систем с большим (несколько десятков на каждую консоль крыла) количеством исполнительных механизмов, а в перспективе интеграция исполнительных механизмов и линий подачи непосредственно в конструкции морфных поверхностей ЛА; - совершенствование характеристик по удельному весу и эффективности использования энергии путём разработки и внедрения принципиально новых рабочих тел с изменяемыми физическими свойствами, в том числе адаптивными и управляемыми; - насыщение исполнительных механизмов и линий подачи датчиками положения, перемещения, состояния рабочего тела, действующих напряжений, определения наличия утечек и их локация, что создает предпосылки к реализации концепции «электрического ЛА». Перспективным направлением является технология создания бортового оборудования в концепции полностью электрифицированного самолета. Технология полностью электрифицированного самолёта (ПЭС) предусматривает замену гидравлической и пневматической энергосистем на электрическую систему энергообеспечения. Электрическая энергия по сравнению с пневматической и гидравлической энергиями обладает следующими преимуществами: - возможность трансформации, с хорошим КПД, в другие виды энергии, - простота передачи на относительно большие расстояния, - относительная простота построения автоматизированных энергосистем сложной конфигурации, с требуемой степенью резервирования, уровнем контролепригодности, - возможность оптимального управления, контроля, диагностики и локализации отказов. Отечественное авиастроение на определенном этапе занимало лидирующее положение в процессах повышения уровня электрификации самолетов, увеличением мощности, потребляемой бортовым оборудованием и, как следствие, повышением мощности источников электроэнергии и номинальных напряжений систем электроснабжения. Предполагается провести научноисследовательские работы, обеспечивающие достижение 4-го уровня готовности технологии ПЭС. Планируется разработка облика электроэнергетического комплекса «полностью электрифицированного самолёта» (ЭЭК ПЭС), в результате которой будут получены: - технические требования к ЭЭК в варианте ПЭС; - структура, состав и основные технические характеристики ЭЭК; Страница 86 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - структура и основные параметры первичной и вторичной систем электроснабжения (СЭС) ПЭС; - технические требования на разработку элементов ЭЭК ПЭС; - программы разработки (приобретения) и внедрения перспективных элементной базы, материалов и технологий, необходимых для создания ЭЭК. Работы по формированию структуры и облика ЭЭК ПЭС будут дополнены разработками электрифицированных систем самолета: - система кондиционирования воздуха с отдельными электроприводными нагнетателями (СКВэ), - электрическая вибрационная противообледенительной система (ВиброПОС), - бортовые литий-ионные аккумуляторные батари (АБ), - система нейтрального газа, - перспективные бортовые электрические проводы, Кроме того, должно быть начато создание полноразмерного комплексного стенда исследований, отработки и испытаний агрегатов и интеграции электроэнергетического комплекса полностью (существенно) электрифицированного самолета. Должны быть созданы опытные образцы систем и элементов электроэнергетического комплекса ПЭС: системы кондиционирования воздуха с электроприводными нагнетателями (СКВэ), вибрационной противообледенительной системы, литий-ионных аккумуляторных батарей, системы нейтрального газа, особо гибких облегчённых, сверхлёгких и огнестойких бортовых электрических проводов. Будет завершено создание полноразмерного комплексного стенда исследований, отработки и испытаний агрегатов и интеграции электроэнергетического комплекса полностью (существенно) электрифицированного «Самолёта 2020». 87 Проведена отработка и испытания опытных образцов систем и испытания электроэнергетического комплекса ПЭС в целом на комплексном стенде и в составе «Самолёта 2020». В более отдаленном периоде времени можно ожидать совершенствования технологии создания бортового оборудования ПЭС применительно к следующему этапу развития общей концепции ПЭС: - создание магнитоэлектрических стартёровгенераторов, устанавливаемых непосредственно на валах авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), при этом ГТД не будет иметь коробку приводов; - создание перспективных топливных элементов и электродвигателей, с использованием высокотемпературных сверхпроводящих проводов, обеспечивающих вращение винта самолёта. При этом предполагается использование криогенного топлива – жидкого водорода, которое одновременно обеспечивает охлаждение соответствующих узлов электроаппаратуры. Топливные элементы предполагается использовать в качестве вспомогательных и аварийных источников электропитания, вместо газотурбинных ВСУ и аккумуляторов. На некоторых ЛА предполагается использовать топливные элементы в качестве основного источника для питания электродвигателя приводящего во вращение винт для создания тяги. Реализация вышеуказанных направлений технологий ПЭС позволит улучшить массогабаритные характеристики, снизить затраты на эксплуатацию и обслуживание, минимизировать экологический вред, посредством создания малошумных силовых установок без вредных выбросов. Страница 87 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 88 РАЗВИТИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛА Под редакцией В.Л.Суханова, С.Г.Баженова (ЦАГИ) В настоящее время управление самолетов характеризуется следующими основными чертами: - архитектурное построение системы управления предполагает использование цифровых вычислителей с применением разнородного резервирования, цифровых информационных систем параметров движения, боковых ручек или миништурвалов в качестве рычагов управления и электрогидравлических приводов для отклонения основных органов управления; - алгоритмическое обеспечение систем управления предполагает широкую настройку коэффициентов управления по параметрам полета для обеспечения оптимальных характеристик управляемости, автобалансировку, парирование возмущений и реализацию функций предупреждения и ограничения таких параметров движения как угол атаки, нормальная перегрузка, приборная скорость и число Маха, углы тангажа и крена. В ближней перспективе следует ожидать совершенствование систем управления по следующим направлениям: БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТА - ОГРАНИЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ 0,0 2,5 S Е Л Р Vs Е Д У Л А Т А Ц П С П НО Р МАЛ ЬНА Я К 60° Э Ь Н И А О Н Н А Я Я V VD MD +30° +13° 4° 13 13 4 4 ВЗЛЕТ ПОСАДКА - расширение набора параметров полета, по которым производится предупреждение и ограничение предельных значений. Это относится, прежде всего, к траекторным параметрам; - разработка концепции управления (набор органов и законы управления) для самолета схемы «летающее крыло» и новых интегрированных аэродинамических компоновок гражданского назначения; - создание адаптивных систем управления с алгоритмами придающими оптимальные в каждой целевой задаче использования авиационной техники пилотажные свойства самолета - интеграция с системами автоматического управления (САУ) – автопилотом (АП) и автоматом тяги (АТ), что позволит в большей степени разгрузить летчика от рутинных задач пилотирования, повысить комфорт управления и, в конечном счете, повысить безопасность полета; - развитие систем контроля движения самолета на взлете и посадке с выдачей предупреждений и рекомендаций экипажу; - использование активных боковых ручек управления, что позволит обеспечить тактильное взаимодействие летчиков и реализовать на ручках функции предупреждений и сопряжений действий летчика с ограниченными возможностями системы управления; - переход на концепцию «более электрического самолета», т.е. использование электрогидростатических, электромеханических и комбинированных приводов поверхностей управления, что позволит поднять надежность систем управления, упростить техническое обслуживание и улучшить экологические показатели; - управление с учетом нагрузок на конструкцию различного рода (в том числе балансировочные, маневренные, турбулентные), совершенствование математических моделей нагрузок, использование распределенных датчиков нагружения; - управление обтеканием самолета с помощью как традиционных органов управления (в том числе флапероны), так и с использованием минищитков, предэлеронов и струйных органов управления, совершенствование математических моделей аэродинамических характеристик. В настоящее время в составе пилотажнонавигационного оборудования современных магистральных самолетов предусмотрены бортовые системы, предназначенные для контроля полета: система предупреждения критических режимов (СПКР), предупреждения о приближении земли (СППЗ, GPWS, TAWS), предупреждения столкновений самолетов в воздухе (TCAS). Основными функциями этих систем являются формирование предупреждающих сигналов об опасном изменении летной ситуации и выработка рекомендаций по безопасному управлению самолетом в сложившейся ситуации. Вывод Страница 88 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года информации осуществляется через комплексную систему электронной индикации и сигнализации (КСЭИС). Поскольку безопасность полетов непосредственно зависит от действий экипажа, очень важно, чтобы они были обеспечены надежной информацией о летной ситуации и рекомендациями по пилотированию. В качестве составной части интегрированной системы обеспечения безопасности полета нового поколения предусматриваются средства увеличивающие осведомленность экипажа о рельефе местности, воздушном движении и атмосферных опасностях вдоль предполагаемого маршрута и интеллектуальные системы оценки ситуации и формирования рекомендаций, позволяющие экипажу избежать опасных ситуаций. Улучшение информационного обеспечения экипажа следует ожидать по следующим направлениям: - информация о неблагоприятных атмосферных условиях, включая турбулентность разного происхождения (WIMS, датчики турбулентности различного рода, экспресс мониторинг вихревой обстановки в районе аэродрома и на маршруте); - информация о воздушном движении (ADS-B); - информация, связанная с рельефом местности. Кроме того, следует ожидать появления систем мониторинга психофизиологического состояния экипажа с целью предотвращения потери контроля экипажа над процессами управления самолетом и, в случае необходимости, перераспределения функций управления между экипажем и автоматическими системами. Для военных самолетов предполагается значительный прогресс в области интеллектуальных систем информационной поддержки экипажа на режимах боевого применения. Конечным этапом развития является автономный боевой БПЛА. Важным вопросом является совершенствование и автоматизация взаимодействия служб организации и управления воздушным движением и самолетов с целью повышения безопасности и обеспечения регулярности полетов: - выдерживание согласованной между авиакомпанией и центром организации и планирования воздушного движения 4-х мерной бесконфликтной траектории; - автоматизация управления самолетами на этапах предпосадочного маневрирования и захода на посадку с целью обеспечения 89 безопасной дистанции между ними и посадки в заданное время; - организация процесса при нарушении контракта, необходимости ремаршрутизации, оценка времени, необходимого для обращения в ОПВД для получения нового маршрута (тактическое планирование), логика действий при отсутствии связи или при отсутствии контракта; - моделирование всего процесса, в том числе и цепных реакций, когда планы разных участников воздушного движения согласованы изначально, но нарушение одного из них ведет к нарушению планов других участников; - минимизация изменения планов полетов участников воздушного движения при нарушении плана полета одного из них. Завершением автоматизации управления самолетом и взаимодействия со службами организации и управления воздушного движения является создание беспилотного транспортнопассажирского самолета. Возможны следующие этапы внедрения БПЛА: - один член экипажа – только функции контроля; - дистанционное управление на ключевых этапах полета; - резервное дистанционное управление; - автономный БПЛА. Необходимо решить следующие задачи для создания системы управления БПЛА: - автоматизация всех режимов полета; - ревизия набора автопилотных режимов, необходимых для реализации БПЛА; - взаимодействие с TCAS, EGPWS и WIMS; - анализ функциональных отказов и оценка надежности; - принципы реконфигурации управления и возможности резервного дистанционного управления; - принципы системы управления режимами (задачами); - система контроля, предупреждений, фильтрация ложных срабатываний; - поведение в нештатных ситуациях – общие принципы; - нормы летной годности – ревизия; - летные испытания и сертификация. Повышение безопасности полетов будет происходить постепенно по мере замены устаревших новыми самолетами, замене оборудования и совершенствовании процедур наземного обслуживания и управления воздушным движением. Основное снижение уровня аварийности следует ожидать от снижения доли летных происшествий, происходящих вследствие неблагоприятных Страница 89 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года атмосферных факторов, конфликтных ситуаций в воздушном движении и столкновений с поверхностью земли и препятствиями. Это снижение определяется улучшением осведомленности экипажа о летной ситуации (улучшенное информационное обеспечение, интеллектуальные системы мониторинга летной ситуации поддержки принятия решений, а также активные боковые ручки) и реализацией ограничителей траекторного движения. Упомянутые летные происшествия составляют около 70-80% от всего объема, поэтому устранение их основных причин может привести к снижению аварийности в 4-5 раз. Другим важным индикатором является снижение стоимости жизненного цикла (разработка, производство и эксплуатация) системы управления. Механизмы снижения стоимости связаны с увеличением объема математического и стендового моделирования для сокращения объема натурных и летных испытаний в процессе разработки и испытаний самолета, а также использования систем мониторинга состояния самолета для снижения стоимости технического обслуживания. Можно ожидать около 20% снижения стоимости по сравнению с текущим уровнем. Ключевые события на пути совершенствования систем управления ЛА в графическом виде приведены на рисунке. 90 120 уровень, % 100 80 60 40 Аварийность Стоимость отработки 20 0 2010 2015 2020 2025 2030 Страница 90 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 91 РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ИСПЫТАНИЙ, СЕРТИФИКАЦИИ И ПОДДЕРЖКИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЛА РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ Под редакцией С.М.Боснякова (ЦАГИ) Развитие вычислительной аэродинамики в большой степени обусловлено технологической революцией, происходящей в области вычислительной техники и средств коммуникации. В ближайшем будущем можно ожидать скачкообразного роста ресурсов промышленных компьютеров. Существенно возрастут быстродействие, объемы оперативной и дисковой памяти. Наряду с ростом вычислительных возможностей произойдет революционный рост скорости коммуникаций. Технологии передачи данных со скоростью 100Gbps в 2020 году удовлетворят большинство потребностей и будут внедрены в практику. Ожидается появление «интеллектуальных» систем обработки данных. Они будут строиться на интерфейсах, способных распознавать речь и решать логические задачи. Повсеместной станет 3D графика и гибкие мониторы. Персональные рабочие места будут опираться на Существенный рост вычислительных ресурсов не позволит решить проблему достижения необходимой точности результатов в рамках существующих подходов. Исходя из этого, приоритетом будет разработка и внедрение новых методов высокого порядка точности и нелинейных моделей турбулентности. производительные системы высокой степени интеграции. Исходя из отмеченных тенденций, можно предполагать, что основным приоритетом развития вычислительной аэродинамики станет интеграция. Программные продукты станут неотъемлемой частью технологической цепочки предварительного проектирования и прогноза, на смену унитарным программам расчета придут многодисциплинарные программные комплексы, предназначенные для поиска оптимальных решений. Оптимизационные подходы станут неотъемлемой частью любого программного продукта. Появятся интегральные решения, объединяющие нелинейные солверы с нейронными аппроксиматорами, которые позволят создать интеллектуальные системы. При решении сложных задач приоритет будет отдаваться комплексному использованию методов аэродинамики и прочности. Безусловным приоритетом развития станет решение задач реагирующих многофазных сред, что позволит продвинуться вперед при исследовании процессов горения в камерах сгорания летательных аппаратов различного назначения. В качестве лучшего «мирового уровня» предлагается принять возможность получения оптимальных решений в многодисциплинарной постановке с упрощением физических моделей среды (100%), рисунок 3.6. В период до 2020 года, вероятно, произойдет отказ от упрощений физических моделей среды, лучшим станет подход, включающий многодисциплинарную Страница 91 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года оптимизацию в нелинейной постановке (100%). Однако не утратят актуальности монодисциплинарная оптимизация, в нелинейной постановке (80%) и решение задач, сформулированных в многодисциплинарной постановке, но без применения оптимизационных циклов (60%). Указанные изменения приведут к расширению типов решаемых задач. Так, в задаче аэродинамикапрочность добавляется предельное требование определения границ разрушения конструкции. В задаче разделения объектов появляется интерференция, которая подразумевает совместный полет и взаимодействие (например, нахождение заправляемого самолета в следе самолета-заправщика). В акустическом анализе появляется опция учета вибрации конструкции. 92 Оптимистический и пессимистический сценарии развития вычислительных ресурсов приведены на рисунке. Развитие вычислительных методов в направлении приближения расчетных моделей к реальным механизмам физических процессов, повышения точности расчетов может расширить класс задач проектирования, решаемых расчетными методами без экспериментальной проверки полученных результатов. В отдаленном будущем (2030 год) появятся интеллектуальные системы, которые изменят само понятие оптимизации, за счет перехода к принципам, близким к образу мысли человека (применение нейротехнологий). Произойдет существенное усложнение модели среды, которая будет отвечать критериям нелинейности, анизотропии и многофазности (100%). Ожидается глубокая интеграция расчетных и экспериментальных методов исследования. Появится возможность решать такие задачи, как оптимизация горения жидкого топлива в анизотропной камере сгорания с учетом температурных деформаций и возможного разрушения с моделированием части процесса на стенде, а другой части на компьютере. Существенно усложнится постановка задач интерференции. Останутся актуальными некоторые достижения предыдущего десятилетия, например, многодисциплинарная оптимизация в нелинейной постановке (70%). Но задачи в линейной и упрощенной постановке, повидимому, станут не востребованы. Страница 92 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 93 РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АЭРОАКУСТИКИ Под редакцией В.Ф.Копьева (ЦАГИ) Характерной особенностью аэроакустики является наличие достаточно большого числа фундаментальных проблем, которые к настоящему времени не нашли своего решения. Это обусловлено тем, что эта область физики непосредственно связана с явлением турбулентности - одной из самых сложных физических проблем современности. В частности, имеют место значительные трудности в развитии вычислительных методов моделирования процессов шумообразования, распространения звука. Поиск и развитие новых технологий напрямую зависят от успеха решения фундаментальных проблем в указанных областях. В области вычислительной аэроакустики предполагается развитие следующие направления исследований: - разработка новых вычислительных методов расчета турбулентных течений или модернизация уже применяющихся методов (LES, DES, КАБАРЕ и др.) для более точного и экономного расчета процесса генерации звука, эффектов распространения и дифракции; - разработка малодисперсионных и малодиссипативных алгоритмов решения основных уравнений в вычислительных методах аэроакустики; - разработка эффективных неотражающих граничных условий на внешних границах расчетных областей; - разработка новых технологий или модернизация уже применяющихся технологий (методы Кирхгоффа и ФВХ) пересчета характеристик ближнего поля турбулентных течений в дальнее акустическое поле; - разработка технологий создания неструктурированных сеток для проведения точных и экономных расчетов аэроакустических характеристик турбулентных течений; - создание модельных тестовых примеров (benchmark problems) в области аэроакустики и организация сети научно-исследовательских проектов для верификации разрабатываемых вычислительных методов. - разработка программного обеспечения второго и следующих поколений, позволяющего производить расчет характеристик всех источников шума ВС с учетом явления дифракции и распространения в атмосфере, а также обладающих способностью расчета характеристик вновь создаваемых технологий снижения шума, включая технологию летающего крыла. Страница 93 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ПРОЧНОСТИ Под редацией М.Ч.Зиченкова (ЦАГИ) Развитие прочности предполагается по следующим направлениям исследований: 1) Разработка методов проектирования эффективной и безопасной конструкции по условиям прочности. В настоящее время в этом направлении накоплен большой опыт и уникальная база знаний по характеристикам различных типов ЛА. К основным тенденциям развития методов проектирования следует отнести: - создание эффективных методов, алгоритмов и программ вычислительной прочности для многодисциплинарного анализа и оптимизации композиционных, металлических и комбинированных конструкций ЛА; - создание расчетно-экспериментальных методов определения термостойкости материалов и покрытий конструкции гиперзвуковых ЛА; - разработка методики расчетноэкспериментального определения расчетных свойств ПКМ и/или оптимальной методики эмпирического определения их расчетных свойств. Дальнейшее развитие данного приоритетного направления будет включать: - развитие моделей нестационарной и трансзвуковой аэродинамики и их интеграция с упруго-массовой моделью конструкции для задач аэроупругости и нагрузок (методы конечных элементов, граничных элементов, сеточные методы решения уравнений Эйлера, НавьеСтокса и др.) - методику построения нерегулярных сеток для задач анализа характеристик прочности конструкций; - новую методику оптимизации КМ конструкций с учётом дефектов, повреждений и нелинейных эффектов; - комплексное численное моделирования статики, динамики и аэроупругости авиационных конструкций и оценки их ресурса и живучести, термоупругости и акустической прочности. Разработка гибридных металло-композитных конструкций вызывает необходимость разработки критериев для: - расчетно-экспериментальных методов оценки прочности конструктивных элементов из композиционных материалов с учётом эксплуатационных факторов, включая климатические воздействия, а также дефекты и повреждения различных типов; 94 - расчетно-экспериментальных методов оценки прочности металлокомпозитных конструкций с учётом климатических воздействий; - расчетно-экспериментальной технологии определения термостойкости материалов и покрытий конструкции гиперзвуковых ЛА. Для определения расчетных свойств ПКМ потребуется разработка методики оптимизации источников получения данных с разграничением областей применения между расчетными и экспериментальными методами, между образцами, панелями, агрегатами и натурной конструкцией, то есть построения так называемой «пирамиды» расчетно-экспериментальных исследований. Развитие данного приоритетного направления приведет к формированию следующих рекомендаций: - по проектированию конструкций с нетрадиционными конструктивно-силовыми схемами; - по проектированию адаптивных интеллектуальных конструкций. Будут разработаны: - критерии разрушения по прочности, усталости и живучести для перспективных материалов с учетом эксплуатационных воздействий; - критерии разрушения материалов, применяемых в конструкции гиперзвукового ЛА; - методика расчетно-экспериментального определения расчетных свойств перспективных материалов с учетом эксплуатационных воздействий. В области гиперзвуковых ЛА продолжится разработка расчетно-экспериментальных методов определения термостойкости материалов и покрытий гиперзвуковых ЛА, включая формирование расчетных моделей и методов учета экспериментальных поправок. 2) Учет индивидуальных особенностей эксплуатации (health-мониторинг, системы HUMS). В настоящее время ресурс ЛА и интервалы между осмотрами определяются фактически по наихудшему варианту событий в эксплуатации, который реализуется далеко не на всех самолетах парка. Многие самолёты в процессе эксплуатации встречаются с гораздо более мягкими условиями. Учет индивидуальных особенностей эксплуатации позволит без риска для безопасности и неизменном уровне технического обслуживания увеличить ресурс и/или интервалы между осмотрами до 3-4 раз. Страница 94 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Для учета индивидуальной нагруженности и повреждений в ближней перспективе необходимо решить следующие задачи: - определить возможные варианты регистрации индивидуальной нагруженности и повреждений; - разработать методики, позволяющие использовать данные об индивидуальной нагруженности при определении ресурса и/или интервалов между осмотрами; - создать соответствующую инфраструктуру для сбора и обработки получаемых данных наземными службами. Основными направлениями работ в этой области являются: - разработка систем, позволяющих непрерывно регистрировать нагруженность каждого экземпляра ЛА в процессе эксплуатации на основе данных, получаемых с датчиков штатного бортового регистратора; - разработка алгоритмов регистрации и первичной обработки данных для систем регистрации индивидуальной нагруженности; - разработка методик, позволяющих использовать данные об индивидуальной нагруженности и повреждениях при определении ресурса и/или интервалов между осмотрами; - отработка структуры общей системы мониторинга индивидуальной нагруженности и повреждений, включая наземные службы и стендовые испытания. Развитие данного приоритетного направления позволит решить следующие проблемы: - разработать методики использования данных об индивидуальных повреждениях при определении ресурса и/или интервалов между осмотрами; - разработать методики определения отслеживаемых ЗМК (значимых мест конструкции), позволяющие использовать системы регистрации индивидуальных повреждений для увеличения ресурса и/или интервалов между осмотрами ЛА; - создать методики и процедуры учета индивидуальной нагруженности по напряжениям в ЗМК; - создать встроенные системы мониторинга НДС, включая датчики; - разработать комплект нормативной документации; - создать встроенные системы неразрушающего контроля для конструкций из ПКМ; - создать встроенные системы неразрушающего контроля для конструкций из перспективных материалов. - создать инфраструктуру для сбора и обработки получаемых данных наземными службами. Fundamental computation Super computers 95 SMRTA perspectives Aerodynamic MULTIDISCIPLINARY COMPUTER & EXPERIMENT models INVESTIGATIONS ON ADVANCED AIRCRAFT SHAPE OPTIMIZATION ARE BEING CARRIED OUT AT TSAGI TsAGI FIBER-OPTIC NET Aerodynamics Strength Dynamics Aeroelasticity Tests, certification, logistic supporting Experimental design bureaus Series manufacturing plants Operation 3) Интеграция систем расчета, эксперимента и проектирования ЛА (CAE/CAD/CAM систем). Современные экспериментальные методы и оборудование достаточно хорошо апробированы при испытаниях, как отдельных элементов, так и конструкции планера в целом. Главным недостатком является то, что каждая система (управление нагрузками, измерения, анализ результатов) не связаны друг с другом. Необходима интеграция в одну систему средств расчета, испытания, измерения и анализа результатов эксперимента. В настоящее время, как исходная информация, так и получаемые с помощью расчетных и экспериментальных систем результаты имеют неунифицированный вид, что ведёт к значительной трудоёмкости их совместного использования. Кроме этого в настоящее время авиационная промышленность переходит на безбумажные технологии создания ЛА, которые недостаточно согласованы по формату и методикам с результатами расчетных и экспериментальных систем, используемых при определении прочности. Для решения этой проблемы необходима разработка научных и нормативных основ по унификации информации и создание общей вычислительной сети с безбумажными технологиями работы с информацией для практической отработки разрабатываемых подходов. В рамках решения этой проблемы на новом уровне разрабатывается программное обеспечение необходимых расчетных и экспериментальных систем. В ближней перспективе в их число входят: - современная технология математического моделирования динамики управляемого упругого объекта при внешних воздействиях; - системы для расчета несущей способности элементов авиационных конструкций, местной прочности элементов и соединений при наличии концентраторов напряжений; Страница 95 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - разработка ПО для новых технологий измерений и управления нагружением. Решение поставленных задач позволит создать: - расчетно-экспериментальные методы оценки прочности конструктивных элементов из композиционных материалов с учётом эксплуатационных воздействий; - расчетно-экспериментальную технологию определения термостойкости материалов и покрытий конструкции гиперзвуковых ЛА; - новую технологию управления многоканальным нагружением с использованием распределенной сетевой архитектуры для прочностных испытаний конструкции ЛА. - эффективные методы построения и использования измерительных информационных систем для прочностных испытаний. Для проведения необходимых исследований в НИК прочности ЦАГИ будет создана общая вычислительная сеть с безбумажными технологиями работы с информацией, получаемой расчетными и экспериментальными методами, В эту сеть будут включены как новые суперкомпьютеры, так и основные CAE/CAD/CAM системы, используемые в авиационной промышленности. Работы в этом направлении обеспечат интеграцию применяемых расчетных и экспериментальных методов с безбумажными технологиями проектирования и создания ЛА. Также продолжатся работы по созданию систем для расчета несущей способности элементов авиационных конструкций, местной прочности элементов и соединений при наличии концентраторов напряжений. 4) Разработка расчетно-экспериментальной технологии стендовой отработки прочности перспективных конструкций ЛА представляет непрерывный процесс, который осуществляется в настоящее время и будет продолжаться в будущем. Это связано как с необходимостью 96 решать новые задачи, возникающие при создании ЛА, так и с тем, что появляется новое оборудование, возрастают требования к качеству и количеству получаемой информации. В результате будут разрабатываться новые и усовершенствоваться существующие методы экспериментальных исследований, произойдет расширение диапазона экспериментальных исследований, повышение уровня готовности технологических разработок. На пути развития данного направления необходимо решить следующие задачи: - сформировать облик и проект вычислительной и экспериментальной базы, отвечающей перспективным требованиям; - разработать методы и средства многодисциплинарных экспериментальных исследований в АДТ, основанных на использовании нового, перспективного типа многоцелевой аэроупругой модели, основными достоинствами которой являются оперативность, экономичность, а, главное - высокая точность исследований; В этом направлении будут созданы: - проект и комплектация вычислительной и экспериментальной базы; - интегрированная технология на базе идентификации и коррекции расчетнодинамических моделей по результатам наземных, летных и трубных динамических испытаний; - ПО для новых технологий измерений и управления нагружением. При этом будут обеспечены: - ввод в эксплуатацию вычислительной и экспериментальной базы для отработки конструкций из ПКМ; -ввод в эксплуатацию вычислительной и экспериментальной базы для отработки гиперзвуковых ЛА; - методы и средства построения интеллектуальной системы наземных, летных и трубных динамических испытаний упругой конструкции; - виртуальное имитационное моделирование прочностных свойств конструкции ЛА. 5) Целью разработки научных основ для нормативной базы создания АТ является создание новых и развитие существующих методов регламентирования прочности ЛА, включая основные направления прочности: статическая прочность, аэроупругость, долговременная прочность. Кроме того к этим направлениям требуется добавить разработку гармонизированной нормативно-справочной Страница 96 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года базы по прочности конструкций в аварийных ситуациях (crash-критериев). Методы регламентирования основных направлений прочности ЛА в ближней перспективе будут развиваться по следующим направлениям: - создание универсальных принципов коррекции существующих нормативно-технических документов с целью оперативного учета конкретных особенностей ЛА - разработка принципов создания сертификационных базисов; - анализ условий эксплуатации и подготовка проекта нормативной документации беспилотных ЛА (легких, средних и тяжелых); - разработка вероятностно-статистического подхода регламентирования прочности и аэроупругости; - разработка согласованного проекта Норм прочности военных самолетов (НПВС) с ОКБ, НИИ авиационной промышленности и министерства обороны. В процессе работы будет осуществляться сбор, анализ и систематизация статистических материалов, получаемых в эксплуатации ЛА. Для гармонизации норм разрабатываемые документы сравниваются с нормативными материалами, получаемыми в зарубежных организациях. Предстоит решить следующие задачи. Универсальная модель нагружения летательных аппаратов для разработки методов определения экстремальных условий нагружения конструкции при многопараметрическом воздействии внешней среды и повышения безопасности эксплуатации самолетов. Универсальная модель должна отвечать следующим требованиям: - создаваться на основании обобщения существующих расчетных условий и дополнения их новыми статистическими данными и физическим анализом возможных воздействий различных параметров внешней среды на нагружение летательных аппаратов; - содержать перечень наиболее важных параметров внешней среды и допустимые диапазоны их изменения; - учитывать следующие важные особенности используемые конструкционные материалы, характеристики САУ, упругость конструкции и динамическую компоновку ЛА, а также влияние флуктуации атмосферы (неспокойный воздух, струйные течения, температура, влажность, содержание озона и др.) и отказные режимы. Разработка критериев прочности как основы для регламентирования расчетных условий с 97 учетом воздействия внешней среды и деградации прочности в процессе эксплуатации Критерии прочности конструкции будут формироваться на основе обобщения имеющихся опыта проектирования и дополнительных материалов по разрушению новых конструкционных материалов и конструкций. Критерии прочности и предельные допускаемые деформаций должны быть включены в расчетные условия и использованы при расчетных оценках прочности и испытаниях конструкции. Эволюционное развитие и совершенствование нормативно-технической документации. Обеспечение повышенной безопасности и эффективности перспективных гражданских самолетов Совершенствование нормативно-технической документации будет проводиться на основании имеющегося опыта регламентирования прочности с учетом дополнительных требований к безопасности и эффективности перспективных гражданских ЛА, а также обобщения зарубежных нормативных материалов. Уточнение нормативно-технической документации является наиболее простым и быстрым способом обеспечения проектных организаций необходимой документацией для проектирования перспективных ЛА. Разработка новых выпусков Руководств для конструкторов (РДК) с учетом современных достижений прикладных наук и возможностей программного обеспечения расчетов нагрузок позволит обеспечить необходимый уровень безопасности конструкции по условиям прочности. Совершенствование и развитие нормативной документации по прочности беспилотных ЛА Работы направлены на обеспечение проектирования перспективных беспилотных ЛА по условиям прочности и необходимой живучести. Регламентирование прочности конструкции новых типов ЛА на основе анализа условий эксплуатации таких ЛА, используемых материалов и силовых схем конструкции. Кроме расчетных данных и норм, обеспечивающих нормальную эксплуатацию ЛА, в последнее время повышенное внимание уделяется обеспечению безопасности в аварийных ситуациях. Для этой цели необходимы расчетно-экспериментальные исследования для обеспечения безопасности экипажа и пассажиров при ударных воздействиях: аварийная посадка на землю и воду, удар птицы, удар обломков двигателя, удар протектора шины и т.д. Целью этих исследований является разработка гармонизированной нормативно-справочной Страница 97 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года базы по прочности конструкций в аварийных ситуациях (crash-критериев). . Работы в этом направлении обеспечат: - вероятностно-статистический подход регламентирования прочности и аэроупругости; -гармонизированную нормативно-справочную базу по прочности конструкций с широким применением ПКМ, обеспечивающую создание конкурентоспособного ЛА. 6) Разработка научных основ и нормативных документов по созданию системы квалификации материалов, требует координации усилий специалистов различных направлений и различных организаций. В процессе разработки научных и нормативных основ по созданию системы квалификации материалов необходимо решить следующие задачи: - формирование требований к типовой лаборатории квалификации материалов и типовому производству образцов; - формирование нормативной документации по квалификации материалов, включая стандарты по 98 испытаниям и обработке экспериментальных данных; - формирование соответствующей структуры по квалификации материалов, предназначенных для применения в ЛА; - формирование требований к развитию типовой лаборатории квалификации материалов для определения расчетных свойств перспективных материалов с учетом воздействия окружающей среды Будет создана лаборатория квалификации материалов для определения расчетных свойств перспективных материалов на основе разработанных требований к типовой лаборатории. Прогнозируемые улучшения индикаторов, характеризующий уровень соответствия математических моделей прочности образцам авиационной техники и сокращение сроков проектировочных расчетов приведены на рисунках. Уровень соответствия математических моделей образцам АТ (%) 90 80 70 Исполь зование суперкомпь ютерных технологий для решения задач прочности боль ших размерностей. 60 50 40 30 20 10 Аналитические, инженерные,численные методы и программы расчета прочности конструкции ЛА Аналитические, инженерные,численные методы и программы расчета прочности конструкции ЛА, включая коммерческие продукты. Их верификация (тестирование с исполь зованием эксперимента). Руководящие технические материалы (РТМ) 0 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 Годы Страница 98 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 99 Сокращение сроков проектировочных расчетов в (раз) 1,8 1,6 Исполь зование суперкомпь ютерных технологий 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Методы, алгоритмы и программы многодисциплинарного анализа и оптимизации конструкций ЛА, Проектировочные расчеты конструкции планера самолета, включающие: основанные на параметрических -аэродинамика летатель ного аппарата; -напряже нно-деформированное исследованиях. состояние конструкции; -статическая аэроупругость , флаттер; -оптимизация конструкции. Автоматизированная технология многодисциплинарного анализа и оптимизации силовых конструкций ЛА 0 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 Годы Страница 99 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ НАЗЕМНО-ПОЛИГОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛА Под редакцией ……………..(ГкНИПАС) 100 применение в конструкциях методов пассивной и активной безопасности, развитие систем спасения экипажа и пассажиров и т.п.); - технологии и методы испытаний средств защиты от террористического нападения (защита от огнестрельного оружия и ракетного нападения, локализация огневзрывоопасных устройств и т.п.). Область наземно-полигонных испытаний традиционно включает отработку авиационных систем в условиях максимально приближенных к натурным и испытания систем с огневзрывоопасными компонентами. Кроме того, на полигонах сосредотачиваются экспериментальные исследования по созданию авиационных систем и агрегатов, которые трудно поддаются расчетной оценке и требуют большого объема натурного и полунатурного физического моделирования для исследования проблем травмобезопасности экипажа, безопасности и функционирования систем и т.п. Преимуществами наземно-полигонных испытаний являются их относительная безопасность и высокая информативность в сочетании с широкими возможностями физического моделирования функционирования авиационных систем. Проведение наземно-полигонных испытаний авиационных систем уменьшает долю летных испытаний, существенно сокращает стоимость и сроки проведения разработок. Анализ тенденций развития авиационных систем позволяет сформировать основные направления совершенствования методов и средств проведения наземно-полигонных испытаний. 1) Разработка методов, средств и технологий высокоскоростных наземно-полигонных испытаний перспективных конструкций и систем ЛА: - технологии высокоскоростных трековых и аэробаллистических испытаний с освоением области гиперзвука и расширением видов испытаний; - технологии и методы исследований, направленные на уменьшение вредного влияния ЛА на окружающую среду (проблемы «звукового удара», сохранение озонового слоя, снижение акустических воздействий и т.п.). 2) Разработка перспективных методов испытаний и средств повышения безопасности экипажа, пассажиров и агрегатов ЛА при аварии, террористическом нападении и воздействии средств поражения: - развитие высокоэнергетических ударных испытаний и методов моделирования аварийных ситуаций (аварийная посадка, локальные отказы и разрушения систем, пожар и т.п.); - развитие методов и средств повышения эргономики и травмобезопасности экипажа и пассажиров воздушного судна (оптимизация компоновки интерьера кабин и салонов, внедрение новых конструкций травмобезопасных авиационных кресел и элементов интерьера, 100 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ СЕРТИФИКАЦИИ ЛА Под редакцией ………………..(ГосНИИГА) 101 информации в полете и на земле, в том числе удаленной). Развитие технологий сертификационных работ должно будет гарантировать их проведение в плановые сроки в рамках запланированного бюджета. Современной мировой тенденцией в области сертификации воздушных судов (ВС) гражданской авиации является постоянное увеличение объемов сертификационных работ, поскольку повышение требований к безопасности и технологическое развитие ВС приводят к расширению перечня летных и наземных испытаний. Методика проведения сертификационных испытаний так же требует постоянной коррекции, связанной с развитием норм летной годности (НЛГ), ужесточением имеющихся или появлением новых экологических требований. Расширяются знания о воздействии авиации на окружающую среду, при создании гражданской авиационной техники используются новые технологии, все это обусловит развитие нормативной базы (НЛГ, экологические стандарты, методики определения соответствия), методов, инструментария и технологий проведения сертификационных испытаний, включая широкое применение математических моделей. Исходя из анализа мировой практики, для повышения эффективности отечественной системы сертификации требуется: - обоснованное распределение объемов получения доказательной документации между летными испытаниями, стендовой отработкой, математическим моделированием и использованием результатов предыдущих сертификационных работ и специальных испытаний, в том числе испытаний отдельных технических решений и систем на самолетахлабораториях, а также испытаний концептов (демонстраторов) ВС; - комплексирование испытаний систем и реализации различных полетных режимов, а также планирование формирования в испытаниях доказательной документации, отвечающей особенностям как национальной, так и иных систем сертификации; - изначальное соответствие опытных образцов самолетов типовой конструкции, совершенствование системы организации испытаний, включая увеличение числа участвующих в испытаниях летных экземпляров ВС, ускорение проведения работ по доработке опытного ВС; - стандартизация методов подготовки, проведения испытаний и определения соответствия ВС требованиям летной годности. Система сертификации ВС ГА в Российской Федерации (МАК СНГ) нормативно и методически гармонизирована с системами FAA и EASA, а современная отечественная практика ее применения обеспечивает близкое к мировому качество сертификационных работ, в т.ч. сопоставимость объемов летных испытаний, проводимых для получения сертификата типа с близким уровнем эксплуатационных ограничений для самолета. Отставание заключается в сроках проведения испытаний, в номенклатуре используемого испытательного оборудования и оснащения наземных летно-испытательных комплексов, уровне применения телеметрии и анализа полетных данных в масштабе реального времени. Предполагается совершенствование системы выполнения сертификационных работ и испытаний по следующим направлениям: - гармонизация отечественных норм летной годности и методик определения соответствия с требованиями FAR и CS, наработка опыта зарубежной сертификации отечественных ВС; - разработка технологий анализа проблем сертификации инновационных технических решений на ранних этапах создания АТ; - создание современной летно–испытательной и доводочной базы, внедрение телеметрии при проведении сертификационных испытаний; - проведение работ по демонстрации соответствия ВС новым требованиям, сертификационным испытаниям конструкций, содержащих новые решения, такие как «черное» крыло, электрифицированное бортовое оборудование, развитие методик оценки качества программного обеспечения, надежности систем контроля, например, системы контроля движения самолета на взлете и посадке с выдачей предупреждений и В прогнозный период потребуется эволюционное развитие действующей отечественной системы сертификации, направленное на преодоление ее текущего отставания в эффективности от мирового уровня. Увеличение затрат времени и ресурсов на проведения сертификационных испытаний требует совершенствования технологий сертификации (инженерный анализ, стендовые отработки, летные испытания, математическое моделирование), методов организации и инфраструктуры сертификационных испытаний (оборудования летно-испытательных комплексов, бортовых комплексов измерения параметров, испытательного и аварийно-спасательного оборудования, телеметрии, обработки 101 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года рекомендаций экипажу, в том числе о наличие препятствий, сдвига ветра. Для снижения рисков и стоимости летных испытаний предполагается дальнейшее расширение спектра наземных испытаний с использованием методов математического моделирования. Для создания и сертификации воздушных судов новых поколений будут созданы нормы летной годности и методики определения соответствия, адаптированные к перспективным технологиям, нацеленным на повышение безопасности воздушного транспорта, его экологической чистоты и экономичности. Актуально совершенствование нормативной базы и технологий организации, подготовки и проведения испытательных полетов с целью повышения безопасности их выполнения, включая обучение летного состава испытательских бригад, создание тренажерной базы для подготовки летчиков-испытателей к пилотированию принципиально новых видов ВС, совершенствование технологий аварийного покидания ВС в широком диапазоне режимов полета. В перспективе основной объем сертификационных испытаний будет состоять из наземных этапов работ с широким применением методов моделирования, оптимизации летных испытаний с применением технологий обработки результатов в режиме реального времени, внедрения «безлюдных» технологии, что сможет кратно повысить надежность, оперативность и безопасность процесса сертификации гражданской авиационной техники. Процесс сертификации ВС является системной задачей, успешность решения которой зависит от качества выполнения предшествующих научных, конструкторских и производственнотехнологических этапов создания опытного образца ВС. 102 102 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года РАЗВИТИЕ АВИАЦИОННОЙ ИТ-ИНФРАСТРУКТУРЫ Под редакцией В.С.Криворученко (ЦАГИ) 103 компьютеров с хранением данных в раздельных СУБД, а должна строится на базе общей инфраструктурной платформы с объединенными информационными и перераспределяемыми по требованию вычислительными ресурсами. Преимуществом платформы являются общие стандарты, встроенные средства интеграции, унифицированные инструменты безопасности и управления. Интегрированная адаптивная информационнокоммуникационная инфраструктура для поддержки жизненного цикла ЛА с применением баз знаний, суперкомпьютерных вычислений и аналитических центров моделирования. В авиационной индустрии наблюдается устойчивый рост сложности создаваемых систем и, параллельно с этим, усиление международной конкуренции. В современных условиях предприятиям авиационно-космической и оборонной промышленности требуется запускать меньшее количество новых программ создания самолетов, но в то же время необходимо эффективнее реагировать на изменяющиеся внешние требования. Успех бизнеса будет определяться способностью преобразовать накопленные средства ИТ и развить их в динамическую, защищенную и интегрированную среду, способную объединить все операции в рамках единой высокофункциональной глобальной инфраструктуры. Сейчас крупнейшие поставщики CAD/CAM/CAE/PLM технологий ведут создают платформы с широкими возможностями масштабирования, способные работать в PLM-среде любого типа и размера, содержащей от сотен до миллионов единиц информации, а также работать и с огромными массивами документов, и сложной 3D-геометрией. Благодаря использованию встроенных средств фильтрации данных, позволяющих мгновенно получать результаты поиска, высокоэффективной визуализации 3D-данных, совмещенную с нужной информацией об изделии, платформы качественно ускоряют процессы принятия оптимальных решений. Ответом на возрастающую сложность авиационных систем, а так же необходимость их сопровождения на протяжении всего жизненного цикла стала разработка и совершенствование научно обоснованных методов и технологий создания сложных систем. Это направление, предполагающее создание механизмов интеграции для разнородных систем, принято называть термином «system engineering», что на русский язык часто переводят как «системная инженерия». В течение последних 10-15 лет энергично разрабатываются международные, национальные и корпоративные стандарты по системной инженерии, создаются методики и механизмы их реализации. В связи с этим расширяется спектр работ по созданию новых механизмов и технологий анализа рынка, фундаментальных научных исследований, проектирования, производства и сопровождения авиационных систем в течении жизненного цикла. Совершенствуются методы управления сложными проектами с участием множества стейкхолдеров (лиц, принимающих решения, правообладателей); сокращаются циклы проектирования, производства и сборки; разрабатываются виртуальные прототипы на основе адаптивно усложняющихся цифровых моделей, позволяющих свести к минимуму необходимость создания физических моделей, снизить вероятность ошибок и необходимость доработки конструкций; ускоряются темпы обновления и модернизации самолетного парка и т.д. Чтобы обеспечить себе достойное место в мире, отечественной авиационной индустрии в ближайшие 10-20 лет необходимо перейти к принципиально новым технологиям разработки интеллектуальной продукции и формирования научно-технического задела - технологиям, основанным на активном применении баз знаний, суперкомпьютерных вычислений, цифровых моделей изделий в жизненном цикле, методов и механизмов системной интеграции. Это вызвано тем, что резко сокращаются сроки доведения изделия от идеи до массового серийного производства (в 4 раза за последние 50 лет). Применение методов системной инженерии позволяет добиваться сокращение стоимости жизненного цикла изделия за счет использования единого комплекса языковых средств на базе общей онтологии и компьютерного моделирования. С помощью унифицированных механизмов осуществляется адаптивное, циклически усложняющееся, моделирование и симуляция процессов ЖЦ ещё до начала реального производства. Тенденция развития ИТ такова, что современная компьютерная среда больше не может представлять собой набор разрозненных Реализация комплексного подхода системной инженерии, включая определение стейкхолдеров, проектирование архитектур, создание механизмов 103 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и технологий поддержки перспективных проектов, должно осуществляться в рамках обеспечивающей сетевой инфраструктуры интеграции, включающей базы знаний, суперкомпьютерные ресурсы, моделирования, аналитических центров принятия решений, опирающейся на отраслевую информационно-коммуникационную компьютерную инфраструктуру. 104 этим, в аэрокосмической отрасли активно развиваются подходы, связанные с активным использованием Баз Данных, извлечению из них знаний и постепенному переходу от управления данными к управлению знаниями. Повторное использование лучших решений и передового опыта позволяет извлекать пользу из накопленных знаний, снижать уровень риска и ускорять процессы разработки новых, более совершенных изделий. Управление данными и знаниями Сегодня организации отрасли владеют огромными массивами данных, созданных в ходе их деятельности. Эти данные хранятся в несвязанных между собой базах данных. Поиск, изучение и принятие решений на основе плохо формализованных сведений отнимают много времени и оказываются весьма дорогими. В связи с База знаний в общем случае определяют как особый тип базы данных, хранящей, кроме собственно результатов НИОКР, метаданные их поясняющие и описание контекста в котором данные применяются. методик, исследований, технологических процессов и средств их поддержки, электронные описания конструкции изделий и т.д. Разделы базы по направлениям создают и сопровождают организации отрасли соответствующего профиля. Создание распределенной отраслевой базы знаний возможно лишь на основе общей расширяемой компьютерно-ориентированной онтологии как основы формирования единого информационного пространства авиационной отрасли, согласованного с международными стандартами. Для обеспечения перспективных исследований и разработок необходимо сформировать, консолидировать и эффективно использовать информационные ресурсы отрасли в отраслевой сети информационно-вычислительных центров организаций с базой данных, пакетами программ для расчета и оптимизации, компьютерными моделями и т.д. База должна содержать структурированную информацию по аэро-газо-гидродинамике, прочности, аэроупругости и долговечности конструкций, устойчивости и управляемости, акустике, экологии, конструкторскую документацию по сопровождению экспериментальной и стендовой базы, описание Только на основе общей онтологии возможно конструктивное определение научно технологического задела как продукции в унифицированных формах представления, а национальной базы данных, механизмов и 104 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года технологий авиастроения как реального механизма поддержки описаний этой продукции, ориентированной на классы пользователей и компьютерных программ и достаточной для практического применения. 105 программных продуктов в обход имущественных прав владельцев интеллектуальной продукции. Оптимизация расходов на НИОКР реально может осуществляться лишь на основе анализа результатов об исследованиях прототипов, представленных в виде интеллектуальной продукции в электронных архивах и Банках Данных. Результаты НИОКР должны быть представлены в НБДА в виде интеллектуальной продукции, ориентированной на классы пользователей и машинную обработку. Для чего необходимо разработать нормативные документы и систему критериев оценки полезности продукции по экономически обусловленной оценке реальными потребителями. Необходимо разработать нормативные документы по представлению результатов НИОКР и систему оценки их полезности. Это должен быть интегральный показатель, учитывающий не только экономический эффект интеллектуальной продукции, но и, например, её место в системе приоритетов (национальных, отраслевых), значимость, перспективность и др. Должна быть выработана отраслевая политика формирования информационных ресурсов по проектам, по изделиям, для связи с другими отраслями и госорганами. Отчетная документация о проведенных НИОКР в виде унифицированных электронных документов должна храниться в Базе Данных наряду с метаданными и другими сведениями о работах в унифицированном представлении. Массивы экспериментальных и расчетных данных, как результаты НИОКР, должны быть представлены в форматах, соответствующим международным стандартам, для использования промышленными комплексами программ обработки и анализа. Суперкомпьютерные вычисления Высокопроизводительные вычисления позволяют многократно сократить время разработки новых образцов летательных аппаратов и сократить материальные и финансовые издержки. Расширение рынка ракетно-космических услуг и обострение конкурентной борьбы диктуют необходимость в создании отраслевого суперкомпьютерного центра, фонда алгоритмов, программ и служб поддержки прикладных сервисов, унифицированных для проведения многодисциплинарных исследований. Программные комплексы как результаты НИОКР должны быть ориентированы на обработку данных в стандартизованном представлении и написаны в виде, ориентированном на применение в распространенных программных средах. Описания методов и технологий должны иметь не только текстовой и графический формат, но и быть представлены в виде интерактивных 4D электронных мультимедийных руководств. Дальнейшее использование результатов НИОКР, которое и является самой объективной оценкой их полезности, должно централизованно фиксироваться. Необходимо разработать нормативные документы по представлению результатов НИОКР в виде интеллектуальной продукции, ориентированной на классы пользователей и машинную обработку. Использование суперкомпьютеров позволяет: - Проводить комплексные многодисциплинарные исследования значительно большего набора альтернативных вариантов реализации и введения дополнительных критериев оценки для многокритериальной оптимизации. - Существенно углубить понимание реальных явлений за счет более адекватных вычислительных моделей и наглядно представить те или иные процессы путем их 4D-визуализации. - Сократить сроки разработки и качество образцов продукции, новых технологий и производственные затраты путем использования виртуальных аналогов, позволяющих свести к минимуму необходимость создания физических прототипов. Такой подход позволит: - более аргументировано управлять контрактами на основе мониторинга востребованности результатов работ с использованием автоматизированных и экспертных механизмов контроля за их использованием; - отказаться от необходимости многократных перемещений данных по сети и снять многие вопросы, связанные с защитой интеллектуальной собственности отрасли и контролем за несанкционированной передачей данных и несанкционированным использованием Внедрение новых суперкомпьютерных технологий имитационного моделирования для оптимизации перспективных летательных аппаратов на базе концепции «виртуальный самолет» должно обеспечить сокращение затрат на разработку новой авиационной техники (в том числе за счет 105 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года снижения объемов испытаний), повышение летнотехнических характеристик новых самолетов, повышение надежности новых летательных аппаратов, повышение экономичности и эксплуатационной технологичности, а также увеличение ресурса и срока службы новых летательных аппаратов. 106 приложения, включая и поддерживающую концепцию SOA (архитектура ориентированная на распределенные сервисы). Информационно-коммуникационная инфраструктура. Информационные и вычислительные ресурсы отрасли должны поддерживаться с помощью механизмов и сервисов интегрированной адаптивной информационно-коммуникационной безопасной инфраструктуры, которая объединяет инфраструктуры организаций отрасли и может эволюционировать и адаптироваться к новым требованиям и сервисным моделям. Вычислительное моделирование стало равноправным партнером теоретических и экспериментальных пионерских исследований для комплексных проектов и миссий. Вокруг супер-ЭВМ должны фактически интегрироваться различные направления исследований. Наряду с аппаратными ресурсами супер-ЭВМ, ее службы предоставляют операционные системы, компиляторы, отладчики, библиотеки программ, пользовательские сервисы и т.д. Централизованные суперкомпьютерные сервисы не только предоставляют мощные вычислительные ресурсы отдельным пользователям, но и способствуют применению всеми участниками унифицированных программных средств и отработке наиболее эффективных общих механизмов, без применения которых невозможны комплексные многодисциплинарные исследования. Эти же унифицированные механизмы будут поддерживать концепцию единого информационного пространства, без которого невозможно сквозное вычислительное моделирование этапов жизненного цикла. При ее создании следует руководствоваться общими отраслевыми требованиями ко всем погружаемым в нее компьютерным системам по унификации интерфейсов, форматов, сервисов для интеграции наследуемых и внедряемых систем. Необходима увязка плана развития информационных технологий со стратегическими планами развития отрасли и создание мощной единой инфраструктуры безопасности. С развитием такого направления как Центры Обработки Данных (ЦОД) с терминальным доступом меняется парадигма информационной безопасности (ИБ) в корпоративном сегменте. Теперь в ИБ в большей степени нуждается не клиент, а сервер и меняются как антивирусные, так и иные решения в этой области. Использование ЦОД и механизмов виртуализации позволяет гибко и оперативно перераспределять аппаратные и программные ресурсы в соответствии с потребностями групп пользователей. Оптимизируется стоимость программных ресурсов, затраты на которые с годами будут увеличиваться в связи с ужесточением законодательства по несанкционированному использования ПО. Следующим этапом после активного применения централизованных суперкомпьютерных сервисов и освоения пользователями общих подходов и механизмов становятся распределенные вычислительные сервисы на основе инфраструктуры Grid. Основой Grid являются стандарты, системные интерфейсы API и построенное на их основе ПО промежуточного уровня (middleware), которое обычно рассматривают как ПО, расслоенное между операционной системой и приложениями и предоставляющее ряд сервисов для корректного и эффективного их функционирования в Grid. Требования безопасности являются общими для предприятий отрасли и должны диктовать общие архитектурные решения. Архитектура вычислительной сети организации отрасли строится с учётом как повышенных требований к безопасности данных организации, так и заказчиков работ и услуг. Сеть организации делится на физически раздельные сегменты. Основанием для такого деления служит уровень конфиденциальности находящихся там информационных активов. Она может объединять вместе не только специализированные центры супер-ЭВМ, но постепенно превратиться в распределенную инфраструктуру глобального масштаба. Вместе с технологиями сетей высокой пропускной способности и принятием стандартов она может поддерживать различные распределенные 106 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года Такая архитектура, включающая ЦОДы с виртуальными ресурсами и сетями терминального доступа (“тонкий клиент”), общую сеть организации и межсетевые шлюзы, позволит пользователю со своего рабочего места обращаться к разнообразным информационным активам при соблюдении требований по ИБ. 107 общим нормативно-справочным данным, унифицированным механизмам и сервисам инфраструктуры. Для реализации такого подхода должна быть принята общая информационная политика в отрасли, которая должна ориентироваться на тенденции стремительного развития ИТ в мировой аэрокосмической индустрии и учитывать динамичную государственную информационную политику. Необходимо создавать и механизмы реализации такой политики. Либо на основе ведущих организаций отрасли по ИТ, либо включая разделы по ИТ в федеральные целевые программы, комплексные проекты и др. Наряду с этим, группы пользователей, объединяющиеся в рамках проекта, практически моментально получают в свое распоряжение выделенную виртуальную сеть с виртуальными ресурсами, службами поддержки конечного пользователя, информационного центра и коммуникаций, сервисами организации групповой работы (базы данных проекта, вычислительные мощности, управление выполнением работ по проекту и т.д.). После завершения работ по проекту все виртуальные ресурсы возвращаются в общий пул ресурсов организации. Моделирование этапов ЖЦ и средства принятия решений В предстоящий период произойдет переход к принципиально новой парадигме реализации жизненного цикла ЛА. Эта парадигма уже принципиально сформулирована и оформлена как международные рекомендации PMBOK 4, и начинает поддерживаться ведущими производителями PLM. Принципиально меняется подход и технология создания и сопровождения информационной инфраструктуры организаций, в рамках которой применяемые архитектуры, механизмы поддержки которых должны быть максимально унифицированы. Все автоматизированные системы организации должны строится на основе единого подхода, привязываться к единой онтологии, Вместо традиционной каскадной модели, когда стадии жизненного цикла реализуются последовательно, произойдет переход к спиральной модели. Суть ее заключается в том, что 107 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года перед стадиями физического изготовления конструкции ЛА будет циклически повторены в виде усложняющихся компьютерных и физических моделей все стадии ЖЦ, вплоть до виртуальной сертификации и эксплуатации изделий. После этапов изготовления и ввода в эксплуатацию ЛА компьютерные модели начинают включать в себя практические артефакты, адаптивно усложняться и активно использоваться для принятия сбалансированных решений в единой коллективной среде управления знаниями. 108 анализа структурированной и неструктурированной информации, накопленной ранее в базах данных с целью получения новых знаний. Причем под знания понимаются факты, правила и отношения которые должны быть кодифицированы и понимаемы стейкхолдерами без необходимости дополнительных обсуждений. Активно разрабатывается и концепция «цифрового самолета в среде ЖЦ». Она предполагает параллельное цифровое описания разными группами разработчиков собственно ЛА и среды его создания, сертификации и эксплуатации с примерами реализации по мере их появления. Под средой создания и эксплуатации понимаются компьютерные модели с 4D описанием (3D+ процессы во времени) всех механизмов окружения ЛА и технологических процессов поддержки ЖЦ, включающих роботизированных манекенов. Компьютерные модели традиционно уже давно используется на этапах НИОКР в задачах мультидисциплинарного проектирования и оптимизации. Однако современные тенденции направлены на существенное увеличение пространства размерностей (от традиционных 2-3) и охват нескольких этапов жизненного цикла. Разрабатывается концепция перманентной переработки с помощью программных средств необходимы обучение системной инженерии и переквалификация всех участников от стейкхолдеров (риски от неверных решений которых максимальны) до рядовых инженеров. Разработка планов от оперативных до перспективных и форсайтов должна опираться на стандарты и руководства системной инженерии и соответствующий им унифицированный набор взаимоувязанных машинноориентированных средств поддержки. Важным компонентом в этой концепции является поддерживаемая еще одной независимой структурой разработчиков компьютерная среда управления соответствием законам и нормативным требованиям. Такая среда необходима для учета внешних требований, изменяющихся в процессе разработки изделия. Все эти средства объединяются в рамках общей среды моделирования и принятия решений стейкхолдерами. Реализация такой концепции позволит сократить будущие риски и затраты, связанные с несоблюдением законов и нормативов, от последующих изменений повысить осведомленность стейкхолдеров и эффективность их решений. Для практической реализации комплексных проектов на основе системного подхода 108 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года проектирования, основанного на решении прямых и обратных задач аэродинамики, прочностного проектирования, предназначенного для проведения проектировочных расчетов авиационных конструкций по условиям прочности, жесткости и аэроупругости, комплексных исследований облика и характеристик силовой установки, а также исследований, позволяющих формировать требования к органам и системе управления ЛА. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Под редакцией А.Ю.Уджуху (ЦАГИ), Л.Л.Теперина (ЦАГИ) Значительный прогресс в области вычислительной техники и программных средств математического моделирования создает условия для широкого использования методов автоматизированного проектирования в процессе создания образцов авиационной техники. В частности, при формировании облика перспективных ЛА, оптимизации их основных параметров может успешно применяться система многодисциплинарного проектирования, объединяющая в едином программном комплексе базовые дисциплины. Таковыми являются задачи аэродинамического и прочностного проектирования ЛА, исследование условий работы силовой установки, формирование систем управления, анализ устойчивости и управляемости ЛА. Весовые характеристики Аэродинамические характеристики в имизаци пт Форми п йка о ытног о ро об ст систем По ие Эк ан Технология производства труирование Проектир о Геометрическое моделирование самолета О Другие Математическая модель Летные данные нс Ко уатация спл Эк х и моделях ца з ра синтез и К в б е о ли Летные исп ыт а ц ан з а и р именты на р е о п б с ам пар етро я ва ро ни я Устойчивость и управляемость СС Дисциплины, используемые в рамках общего проектирования, в силу исторического развития авиационной науки считаются монодисциплинами, хотя каждая из них включает элементы многодисциплинарности. Разработка системы многодисциплинарного проектирования должна реализовать имеющуюся объективную взаимосвязь между дисциплинами и обеспечить глубокую интеграцию отдельных монодисциплин, что позволит повысить качественный уровень проектирования. В настоящее время разработаны отдельные программные комплексы будущей автоматизированной системы проектирования. Её ядром могут стать комплексные программы автоматизированного проектирования, такие как программа АРДИС, разработанная в ЦАГИ и предназначенная для предварительного определения основных проектных параметров дозвуковых пассажирских самолётов по заданным техническим требованиям. Комплексная программа АРДИС построена по модульному принципу. Такая структура позволяет относительно быстро менять ка В основе методов автоматизированного проектирования лежит математическая модель ЛА, которая позволяет исследовать рассматриваемый технический объект с позиций аэродинамического совершенства, возможностей конструкции по восприятию действующих нагрузок, летных и эксплуатационных данных и т.д. Эволюция проекта происходит в результате циклического прохождения дисциплин, причем каждый цикл проектирования отличается уровнем детализации и глубиной анализа. 109 Нагрузки Прочность и аэроупругость Характеристики силовой установки Экономика и эффективность конфигурацию программы, дополняя её новыми модулями или модифицируя существующие модули. Программа АРДИС содержит следующие основные расчетные модули. Геометрические характеристики крыла, фюзеляжа, оперения, гондол двигателей. По ограниченной геометрической информации (заданные и оптимизируемые параметры, признаки схемы) проводится вычисление необходимых для дальнейших расчётов геометрических характеристик (размеров, площадей, объёмов) с учётом размещения на крыле элементов механизации и управления и внутри его топливных емкостей, а в Система автоматизированного (многодисциплинарного) проектирования перспективных ЛА должна охватывать по возможности все технические аспекты проектирования, производства и эксплуатации ЛА. Такая система, создаваемая в рамках научноисследовательского сегмента авиационной отрасли, может включать в себя процессы формирования облика ЛА, определения основных летнотехнических характеристик, аэродинамического 109 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года фюзеляже – пассажиров, элементов интерьера, багажно-грузовых помещений, ниш шасси. 110 условия базирования, а тележка требует минимального объёма для её уборки. Модуль может работать в следующих двух режимах: - расчёт геометрических параметров шасси заданной схемы, удовлетворяющих условиям базирования; - выбор схемы (из 74 вариантов, предусмотренных алгоритмом) удовлетворяющей условиям базирования и имеющей наименьшую массу или требующей минимальный объём ниши для уборки. Модуль шасси. Для заданных условий базирования (нормируемый момент и упругая характеристика бетонного покрытия) и взлётного веса находятся геометрические параметры колёс (ширина, диаметр), число колёс в тележке, размеры тележки и число основных опор, при которых удовлетворяются Модуль силовой установки позволяет вычислить высотно-скоростные и дроссельные характеристики двигателя с учётом потерь, связанных с установкой на самолёт. Рассчитываются также геометрические и массовые характеристики двигателей и их гондол. Можно использовать два алгоритма расчетов: - термодинамический расчёт при заданных параметрах двигателя (взлётная тяга, степень двухконтурности, степень повышения давления в компрессоре, температура газа перед турбиной) и КПД его элементов; - аппроксимация проектных характеристик конкретного двигателя. обработки экспериментальных данных по испытаниям аэродинамических моделей в крейсерской и взлетно-посадочных конфигурациях. Модуль расчёта массы включает алгоритм определения массы пустого снаряженного самолёта при следующем составе самолёта: планер, силовая установка, оборудование снаряжение. При определении массы крыла и оперения элементы этих агрегатов делятся на основные, которые воспринимают общие нагрузки, действующие на агрегат, и вспомогательные. Масса элементов первой группы определяется на базе проектировочного расчёта потребных для восприятия действующих нагрузок площадей поперечных сечений этих элементов. При этом в качестве расчётных принимаются нормируемые нагрузки, зависящие от случая нагружения и геометрических характеристик агрегата, а упругая модель крыла (оперения) представляет собой консольную балку. Величина допустимых напряжений в зоне сжатия устанавливается по результатам Модуль аэродинамики. Расчёт аэродинамической поляры самолёта в области больших дозвуковых скоростей (М = 0,7….0,9) с использованием приближенных инженерных методик или численным решением задачи обтекания компоновки методом гидродинамических особенностей или решением уравнений для полного потенциала. Необходимым элементом модуля аэродинамики является также блок 110 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года определения параметров равноустойчивой панели, рассматриваемой как широкая стойка, а в зоне растяжения ограничивается значением, зависящим от требуемого ресурса конструкции. При определении потребной массы продольного набора крыла учитывается ограничение минимальной жесткости крыла (из условия безопасности от флаттера и реверса элеронов). Масса вспомогательных элементов определяется посредством обработки статистических данных. Деление элементов конструкции на силовые и вспомогательные принято и при расчёте массы фюзеляжа. Масса шасси определяется также на основании проектировочного расчёта на прочность типовых конструктивных схем шасси под действием нормированных нагрузок. Масса оборудования и снаряжения определяется с учетом функционального назначения и состава оборудования, посредством обработки статистических данных и действующих нормативов. 111 расчёт может производиться с учётом частотного состава различных источников шума (струя, вентилятор), и использованием звукопоглощающих конструкций. Модулем расчёта профиля полёта и резервов топлива интегрируется система уравнений движения при разгоне и снижении по заданной и варьируемой в координатах высота-скорость траектории и крейсерском полёте со сменой эшелонов по высоте. Производится расчёт расхода топлива на полёт, а также расход топлива на единицу транспортной работы. Резервы топлива могут рассчитываться в соответствии с требованиями норм лётной годности или требованиями ИКАО. Модуль расчёта экономических характеристик. Определяются эксплуатационные расходы и себестоимость перевозок. Модуль оптимизации проводит поиск экстремума целевой функции, в качестве которой могут рассматриваться: - взлётная масса и масса пустого снаряженного самолёта при заданной дальности и нагрузке; - расход топлива за полёт; - себестоимость перевозок. В качестве ограничений рассматриваются: - длина ВПП; - скорость захода на посадку; - градиенты набора высоты на взлёте и уходе на второй круг; - располагаемый объём топлива в крыле. В качестве оптимизируемых параметров рассматривается площадь, стреловидность, удлинение, средняя относительная толщина профиля крыла, тяга двигателя, крейсерская скорость. Кроме того, различные варианты могут отличаться по схеме за счёт некоторых дискретных признаков, образующих матрицу возможных решений. В модуле взаимного размещения агрегатов (компоновки самолёта), центровки и определения размеров оперения и элеронов прежде всего производится проверка выполнения условий (требований): - устойчивости при предельной задней центровке; балансировки во всём диапазоне эксплуатационных центровок; - обеспечения перекладывания по крену за заданное время; - обеспечение необходимых углов атаки при взлёте и гарантированного расстояния от земли (зазоров) в характерных точках при посадке с креном. В случае невыполнения условий производится изменение размеров оперения (элеронов), изменение положения крыла, высоты опор самолёта и угла поперечного V крыла, и цикл расчёта повторяется. Обмен информацией между модулями осуществляется специальной управляющей программой, которая в зависимости от вида расчета организует последовательность работы модулей и обеспечение исходных данных, необходимых для работы каждого модуля. Модуль взлётно-посадочных характеристик. В соответствии с требованиями норм лётной годности гражданских самолётов рассчитывается потребная длина ВПП при взлёте и посадке при отказе критического двигателя и без отказа, градиенты набора высоты и допустимые скорости полёта на различных участках взлёта и посадки. Из приведенного выше описания следует, что программный комплекс (типа АРДИС), который может составить ядро будущей автоматизированной системы проектирования перспективных ЛА решает задачу предварительного формирования облика ЛА, что соответствует стадии предварительных исследований и разработки Аванпроекта. В Модуль расчёта шума. Рассчитывается шум в контрольных точках при взлёте и посадке. При сравнительных расчётах учитывается возможность оценить влияние изменений уровней шума при вариации параметров траектории и двигателя. При необходимости 111 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года дальнейшем целесообразно дополнить ядро системы специализированными программными комплексами, которые позволят решать проектные задачи по детализации расчетов, точности применяемых физических моделей, соответствующих стадиям Эскизного и Рабочего проектирования. Возможный состав специализированных программных комплексов приведен ниже. Кроме функционального назначения комплексов ниже приведены так же программы-прототипы, которые могут быть использованы в будущей системе автоматизированного проектирования. 112 инерционной модели ЛА, а также для нахождения центра масс. Комплекс прочностного проектирования Комплекс прочностного проектирования предназначен для расчета нагрузок с учетом влияния упругости конструкции и, в соответствии с требованиями Авиационных Правил, расчета НДС и собственных форм и частот колебаний, расчета характеристик статической аэроупругости и флаттера, оптимизации веса конструкции по условиям прочности, устойчивости и аэроупругости. Анализ НДС может проводиться с использованием балочных и/или конечноэлементных моделей, которые получаются на основе информации о геометрических параметрах компоновки, инерционно-массовых характеристиках и конструктивнотехнологической схеме. В качестве возможного программного обеспечения для решения поставленных задач могут использоваться следующие программы расчета ЛА на прочность. AEROLAST – комплексная программа расчета аэродинамических характеристик ЛА с учетом статической упругости и весовой оптимизации, объединяющая пакеты программ аэродинамики (усовершенствованный панельный метод) и прочности (метод конечного элемента) при до- и сверхзвуковых скоростях. В отличие от программ, основанных на методе коэффициентов влияния, используется метод последовательных приближений. WINGLOAD – программа определения маневренных нагрузок и нагрузок от неспокойного воздуха на упругое крыло на основе метода дискретных вихрей и пластичнобалочной аналогии. ПРОК - программа определения напряженнодеформированного состояния крыла большого и среднего удлинения на основе пластиннобалочной аналогии, оптимизации конструкции крыла из условия минимума веса с ограничениями по прочности и устойчивости. ARGON – комплекс программ на основе метода конечных элементов, включающий: определение параметров напряженнодеформированного состояния конструкции при стационарных случаях нагружения, оптимизацию жесткостных параметров конструкции из условия минимума веса конечноэлементной модели при ограничениях по прочности, устойчивости, перемещениям при постоянной конструктивно-силовой схеме. CONVER - комплекс программ на основе метода конечных элементов, включающий: определение параметров НДС при стационарных случаях нагружения; Программный комплекс автоматизированной компоновки. Необходимым элементом системы автоматизированного проектирования является комплекс программ формирования компоновки и построения электронной геометрической модели ЛА. Процесс проектирования любого ЛА начинается с формирования общего вида и компоновочной увязки основных агрегатов и узлов конструкции и оборудования. В задачах концептуального проектирования компоновочные исследования играют центральную роль, создавая единую информационную базу для разработки конструктивно-силовых схем и аэродинамических поверхностей с общей моделью геометрии. Компоновка это наименее формализованный процесс разработки ЛА. Пакеты существующих графических программ не решают комбинаторных задач компоновки, поэтому актуальной является задача разработки специализированного программного комплекса автоматизированной компоновки ЛА. Примером такого программного комплекса является разрабатываемая в ЦАГИ автоматизированная система трехмерной компоновки фюзеляжа пассажирского самолета (АВТОКОМ). АВТОКОМ позволяет в интерактивном, а также в автоматическом (при решении ряда стандартных компоновочных процедур) режиме осуществлять внутреннюю компоновку фюзеляжа. При этом учитывается заданные нормативы и требования к размещению пассажирских кресел, служебнобытовых помещений, эксплуатационных и аварийных выходов, багажных помещений и.т.д. В качестве начального приближения берется сформированный в ядре системы общий вид самолета (в виде трех проекций). Детальная внутренняя компоновка фюзеляжа с позиционированием элементов оборудования и интерьера может использоваться в качестве исходных данных для построения массово- 112 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года - определение частот и форм собственных колебаний; оптимизацию жесткостных параметров конструкции из условия минимума веса МКЭ модели при ограничениях по прочности, устойчивости при постоянной КСС; - оптимизацию геометрических параметров планера из условия минимума обобщенного критерия и ограничения по прочности, устойчивости, собственным частотам. WGS - программа определения веса конструкции планера на основе прочностной модели МКЭ общего напряженного состояния и анализа специализированной базы данных, включающей статистическую информацию конструкции прототипов. WGSCON - комплекс программ расчета веса конструкции планера на основе прочностной модели МКЭ общего НДС, включающего подетальный расчет основных конструктивных элементов и анализ статистической информации базы данных прототипов. MSC/NASTRAN – комплекс программ на основе метода конечного элемента. ДНВ - (Динамика в Неспокойном Воздухе) программа расчета динамических нагрузок на самолет при полете в неспокойном воздухе. 113 оптимизации распределения циркуляции в плоскости Трефтца. AEFLOT – программа расчета аэродинамических характеристик комбинации «крыло + фюзеляж + оперение + подвески или гондолы с протоком на пилонах» при до- и сверхзвуковых скоростях усовершенствованным панельным методом (условие непротекания на несущих поверхностях «сносятся» на базовые плоскости). PANSUB – программа расчета аэродинамических характеристик дозвукового самолета при дозвуковых скоростях методом Морино. MULTIVIS - программа расчета аэродинамических характеристик многозвенного профиля. Программа позволяет рассчитать суммарные аэродинамические характеристики (подъемная сила, лобовое сопротивление, продольный момент), а также распределение давления и характеристики пограничного слоя, включая профили со взлетно-посадочной механизацией (закрылки, предкрылки и т.п.). VISTRAN – программа расчет аэродинамических характеристик профиля без механизации. Позволяет рассчитать те же характеристики, что и MULTIVIS. BRIDGE – программа, объединяющая в единый блок программы MULTIVIS, VISTRAN и программу расчета аэродинамических характеристик самолета при дозвуковых скоростях, основанную на методе тонкой несущей поверхности. Программа BRIDGE рассчитывает аэродинамические характеристики компоновки в целом, а в качестве исходных данных требуется задание всей геометрии самолета, включая профилировку крыла. OPTIBRIDGE – программа для выбора оптимальных параметров механизации (размер и положение элементов механизации) на основе расчета аэродинамических характеристик по программе BRIDGE и формирование поверхности оптимизируемой функции на основе метода латинских квадратов (в разработке). DISKRET – программа расчета аэродинамических характеристик дозвуковых ЛА методом дискретных особенностей. PANSYM – программа расчета аэродинамических характеристик ЛА методом симметричных особенностей СПРУТ – универсальная программа расчета обтекания произвольного ЛА с помощью решения уравнений Эйлера методом установления. MONSTR – расчет аэродинамических характеристик сверхзвукового ЛА, включая параметры звукового удара. CFX ANSYS программа расчета аэродинамических характеристик на до-, сверх- и Комплекс аэродинамического проектирования Комплекс аэродинамического проектирования предназначен: - для формирования внешней геометрии ЛА, обеспечивающей потребные аэродинамические характеристики в крейсерском режиме полета; - выбора типа и основных геометрических параметров механизации передней и задней кромок крыла для обеспечения потребных взлетно-посадочных характеристик; - расчетного определения аэродинамических характеристик (несущие и моментные характеристики, аэродинамические производные, поляры) на основных режимах полета. Комплекс аэродинамического проектирования может быть сформирован на базе программных средств линейной аэродинамики, методов решения задач внешнего обтекания при трансзвуковых скоростях и применения модели пограничного слоя, а также численных методов, основанных на решении уравнений Эйлера и Навье-Стокса. Возможными программными средствами решения аэродинамических задач могут являться следующие комплексы. MININD – программа расчета минимального индуктивного сопротивления самолетных конфигураций с использованием методов 113 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года гиперзвуковых скоростях с помощью решения уравнений Навье-Стокса. 114 описания технологического процесса производства модели; создания библиотек инструментов и технологических процессов; подготовки программ обработки на оборудовании с ЧПУ; - формирования технологической оснастки; - программирования контрольных обмеров модели и обработки результатов измерений. Комплекс «Динамика полета» Комплекс включает в себя пакеты программ для решения задач механики полета ЛА и синтеза автоматических систем управления полетом. САПР «Динамика» обеспечивает разработку полноразмерной математической модели динамики ЛА для целей численного моделирования пространственного движения и проведения полунатурного моделирования на пилотажном стенде. Пакет программ КРИТ предназначен для изучения нелинейных задач динамики ЛА и, в частности, критических режимов полета, таких как сваливание, штопор и инерционное вращение. САПР SEGAMBUS разработан для эргономических исследований при полунатурном моделировании на пилотажных стендах. С помощью пакета проектируется приборная панель в кабине летчика. САПР FlightSim предназначен для моделирования динамики ЛА с системой управления и для решения задач синтеза алгоритмов управления движением ЛА. В пакет включена система для синтеза активных АСУ ЛА с учетом упругих колебаний его конструкции. BEND - программа расчета характеристик самолета с системой управления с учетом упругих колебаний конструкции. BENDm - программа моделирования динамики и расчета характеристик самолета с системой управления (в том числе с активной системой управления) с учетом упругих колебаний конструкции в среде Matlab/Simulink. Проектирование и производство аэродинамических моделей должно выполняться не только с учетом геометрического подобия, очень важно обеспечить подобие упругих характеристик модели и натурного летательного аппарата. Достижение необходимой точности определения аэродинамических характеристик ЛА с учетом упругости конструкции возможно только на основе совместного использования расчетных исследований (например, комплексов программ АРГОН, КС, NASTRAN, ANSYS) и экспериментальных исследований на упругоподобных моделях - УПМ. На ранних стадиях проектирования целесообразно использовать упрощенные УПМ, например, динамически-подобные (отсечнобалочные) модели, предназначенные, главным образом для исследований флаттера в дозвуковых аэродинамических трубах. Комплекс «Проектирование моделей» Комплекс «Проектирование моделей» включает в себя систему автоматизированного конструирования и систему технологической подготовки производства. Для получения конструкторской документации на аэродинамическую модель используется система автоматизированного конструирования, решающая следующие задачи: - выбор рационального типа конструкции модели; - проведение прочностных расчетов; - выбор материалов; - выпуск рабочих чертежей и спецификаций. Система технологической подготовки производства и управления технологическими процессами предназначена для обеспечения производства аэродинамических моделей с применением оборудования с ЧПУ. Система включает в себя следующие модули: Более высокой точности моделирования натурных аэроупругих явлений можно обеспечить при испытаниях «бесщелевых» УПМ в скоростных АДТ. Важно подчеркнуть, что при этом жесткостные характеристики исполнительных моделей желательно задавать на основе измерения жесткостей натурного ЛА. Требование обеспечения подобия аэроупругих характеристик усложняет задачу проектирования и изготовления моделей, возникает потребность разработки конструкции и применения технологий изготовления, обеспечивающих 114 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года максимальное снижение массы УПМ. Поэтому в наибольшей степени должны использоваться композитные материалы с высокими механическими характеристиками и автоклавные технологии изготовления. Кроме того, УПМ должны быть оснащены быстродействующими малоразмерными приводами для моделирования в процессе испытаний работы систем автоматического управления ЛА. Таким образом, возникает комплексная многодисциплинарная задача, решение которой позволит обеспечить: - потребные точности расчетов упруго-массовых параметров УПМ и действующих аэродинамических нагрузок; - формирование конструкций УПМ с САУ и измерительными системами, - разработку технологий изготовления УПМ. 115 - в области аэродинамики (CFD – анализ, например ANSYS CFX, Fluent); - в области акустики (конечно-разностные методы второго порядка для расчета характеристик ближнего поля и интегральный метод Фокса Вильямса – Хокингса для определения параметров шума в дальнем поле); - в области прочности (МКЭ – анализ, например ANSYS, NASTRAN). Важной особенностью нового программного обеспечения должна стать многодисциплинарность расчетного исследования, позволяющая в рамках одной задачи анализировать как аэроакустические, так и прочностные и аэроупругие свойства несущего винта, что подразумевает потребность создания среды моделирования, включающей в себя все следующие этапы решения рассматриваемой задачи: - получение геометрии несущего винта в формате CAD; - построение расчетной сетки в физическом пространстве; - генерацию конечно-элементной сетки; - расчет обтекания вращающихся объектов с учетом взаимодействия жидкой среды с твердыми и упругими телами (Fluid-Structure Interaction, FSI-расчет); - интерполяцию результатов CFD в граничные условия для прочностного и аэроакустического анализа; - обработку результатов в акустическом постпроцессоре; - расчет НДС и аэроупругих свойств; - обработку результатов и выдачу рекомендаций. Такая среда может быть реализована на базе программного комплекса ANSYS, позволяющего решать многодисциплинарные задачи. Комплекс автоматизированного проектирования несущего винта Определенная специфика отличает автоматизированные системы проектирований винтокрылых летательных аппаратов (ВКЛА). Наиболее сложным техническим элементом ВКЛА является несущая система. Крейсерская скорость вертолетов классических схем достигла своего предела и составляет 250-280 км/ч. Ограничение скорости обусловлено возникновением вибраций в связи с увеличением зоны отрывного обтекания на отступающей лопасти несущего винта. Для существенного повышения скорости крейсерского полета (400 км/час) вертолетов необходима реализация новых конструктивнотехнологических решений, в том числе по совершенствованию несущей системы: - новые аэродинамические компоновки лопастей, включая форму профилей лопасти, форму в плане и аэродинамическую крутку лопасти; - активное управление лопастями несущего винта для повышения его аэродинамической эффективности, снижения уровня создаваемого шума и уменьшения лобового сопротивления втулки несущего винта; - несущая система с переменными оборотами винта для оптимизации режима работы силовой установки и снижения шума. Разработка новых технологий вызывает необходимость применения более совершенных расчетных методов, основанных на более точных физических моделях более полно учитывающих геометрические и конструктивные особенности расчетных вариантов несущего винта. К таким методам можно отнести: 115 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года КОНЦЕПЦИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛА ШИРОКОФЮЗЕЛЯЖНЫЙ МАГИСТРАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ Высокорасположенные двигатели с экранированием шума «Несущий» фюзеляж с поперечным сечением овальной формы Высокоэффективное крыло малой стреловидности и большого удлинения Основные характеристики: • Дальность полета 3 - 5 тыс. км • Пассажировместимость 200-300 мест • Число Маха крейсерского полета М = 0.75 – 0.8 116 116 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 117 МАГИСТРАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ «ЛЕТАЮЩЕЕ КРЫЛО» Верхнее расположение двигателей с экранированием шума Конструкция фюзеляжа на основе плоских панелей балочной схемы с использованием КМ Пассажирская кабина увеличенной ширины с 3-4 продольными проходами Планер с повышенным аэродинамическим качеством Основные характеристики: • Дальность полета до 15 тыс. км • Пассажировместимость 150-250 мест • Число Маха крейсерского полета М = 0.85 117 Верхнее расположение распределенной силовой установки с экранированием шума Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 118 МАГИСТРАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ Маршевые двигатели полуутопленные в хвостовую часть фюзеляжа Туннельный воздухозаборник встроенных в конструкцию крыла двигателей для снижения шума Кольцевой воздухозаборник контура с выносным винтовентилятором для разгона пограничного слоя фюзеляжа Основные характеристики: • Дальность полета до 5 - 10 тыс. км • Пассажировместимость 150-250 мест • Число Маха крейсерского полета М = 0.8-0.85 118 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ЛЕГКИЕЙ ДЕЛОВОЙ САМОЛЕТ 119 119 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ДВУХТОПЛИВНЫЙ (АСКТ-КЕРОСИН) МАГИСТРАЛЬНЫЙ САМОЛЕТ Внешние топливные баки для размещения АСКТ Основные характеристики: • Дальность полета до 5 – 5.5 тыс. км • Пассажировместимость 150-210 мест • Число Маха крейсерского полета М = 0.8 • Возможны варианты самолетов с увеличенным взлетным весом и дальностью полета 120 Двухтопливные ТРДД с пониженным выбросом вредных веществ при работе на АСКТ 120 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года КРИОПЛАН Теплоизолированные криогенные топливные баки для жидководородного топлива (возможен жидкий метан) Хвостовой винт-вентилятор возможно с приводом от электродвигателей на сверхпроводимости Перспективный интегрированный полностью электрифицированный комплекс бортового оборудования Турбореактивный двухконтурный двигатель повышенной двухконтурности Интеллектуальный интегрированный модульный комплекс авионики Стреловидное крыло большого удлинения с охлаждаемой верхней поверхностью Шасси с электроприводом для наземного маневрирования Основные характеристики: • Дальность полета до 15 тыс. км • Пассажировместимость 200-250 мест в салонах трех классов • Число Маха крейсерского полета М = 0.82 – 0.85 121 121 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года СВЕРХЗВУКОВОЙ ДЕЛОВОЙ САМОЛЕТ (СДС) Экранирование двигателей для снижения шума на взлетно-посадочных режимах Изменяемая стреловидность крыла Двигатели с широким изменением степени двухконтурности Конфигурация планера с высоким аэродинамическим качеством и низким уровнем звукового удара Основные характеристики: • Дальность полета 7 - 8 тыс. км • Пассажировместимость 8-12 мест • Число Маха крейсерского полета М = 1.8-2.0 • Уровень звукового удара допускает сверхзвуковой полет над населенной сушей 122 122 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 123 ГИПЕРЗВУКОВОЙ ДЕЛОВОЙ САМОЛЕТ Комбинированная силовая установка ТРДДф+ПВРД Топливо: керосин ТРДДф, жидкий метан или водород ПВРД Активно охлаждаемая герметичная кабина Горячая конструкция крыла и оперения Основные характеристики: • Дальность полета до 8 - 10 тыс. км • Пассажировместимость 8 мест • Число Маха крейсерского полета М = 5 – 6 (возможность выполнения однодневной поездки) 123 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ВКЛА Скоростной малошумный несущий винт с переменной скоростью вращения и адаптивными лопастями Поворотная силовая установка для создания подъемной силы на взлетно-посадочных режимах и тяги в режиме горизонтального полета «Электрический» «сухой» ГТД с широким использованием перспективных композитных материалов различных типов Трансмиссия нового поколения включая «сухой» редуктор и электрогидромеханику Основные характеристики: • Дальность полета до 3 тыс. км • Пассажировместимость 5-20 мест • Крейсерская скорость 400-500 км/час 124 124 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года 125 САМОЛЕТ С ШАССИ ВЫСОКОЙ ПРОХОДИМОСТИ Трансмиссия, связывающая воздушные винты, для устранения асимметрии тяги при отказе двигателя Адаптивная механизация крыла Шасси на воздушной подушке Основные характеристики: • Дальность полета 1 - 1.5 тыс. км • Пассажировместимость 8-20 мест • Длина ВПП 650 м • Крейсерская скорость полета 300-400 км/час 125 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ТЯЖЕЛЫЙ МНОГОЦЕЛЕВОЙ ТРАНСПОРТНЫЙ ГИДРОСАМОЛЕТ Интегральная компоновка с низкорасположенным глиссирующим крылом на брызговых струях Основные характеристики: • Взлетный вес 800 – 1500 т • Глобальная дальность полета • Крейсерская скорость полета 700-800 км/час 126 126 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОРОЖНАЯ КАРТА 127 127 Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ 128 128