Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского вот уже более 100 лет не только обеспечивает безопасность самолетов и воздушных судов, но и способствует развитию авиационной отрасли. О том, как и над чем работают сегодня ученые ЦАГИ, какие удивительные проекты нас ждут в ближайшем будущем и что потенциально может произойти с авиаотраслью в отдаленном будущем, корреспондент «Научной России» узнал у генерального директора ЦАГИ члена-корреспондента РАН Кирилла Ивановича Сыпало.
— Какая роль отведена научной деятельности ЦАГИ в развитии авиационной отрасли? И какие основные направления вы могли бы в ней выделить?
— Наша роль в авиационной отрасли была определена 105 лет тому назад, когда по представлению Научно-технического отдела ВСНХ РСФСР декретом В.И. Ленина был создан ЦАГИ. Это был первый системный институт прикладной науки, призванный преобразовать фундаментальные знания о науке воздухоплавания в практическое их применение в области авиастроения. Происходило, по сути говоря, становление и образование новой отрасли. С тех пор мы стараемся соответствовать духу и букве этого декрета.
Наша задача ― создание научного и методического фундамента, на котором основана современная авиационно-ракетно-космическая промышленность. Разработка методик и проведение испытаний, обеспечивающих безопасность и высокие эксплуатационные характеристики нашей авиационной техники, а также развитие новых численных методов для этих же целей. При этом мы понимаем высокую ответственность, ведь все летательные аппараты так или иначе проходят через ЦАГИ.
Традиционно ЦАГИ был основан на трех основных направлениях, трех китах. Первое — это аэродинамика и гидродинамика, как следует из названия нашего института. Она обеспечивает и реализует научные подходы, связанные с изучением физики атмосферы, процессов динамики жидкости и газа с точки зрения практического применения для движения тел в атмосфере. Неслучайно Андрей Николаевич Туполев, один из основателей ЦАГИ, всегда говорил по поводу будущего ЦАГИ: «Берегите атмосферу! Пока есть атмосфера, человек будет в ней летать». Поэтому, пока есть атмосфера, будет и предмет деятельности ЦАГИ.
Второй столп, на котором стоит ЦАГИ и за который мы несем ответственность, ― прочность авиационных конструкций. И это, пожалуй, самая важная наша работа с практической точки зрения. Потому что все мы, летая на самолетах, хотим быть уверенными в их безопасности, в том, что ничего с ними не случится. Здесь можно выделить целый комплекс испытаний, расчетов, заключений в области статической, динамической прочности, тепловой и, самое главное, усталостной прочности, которая как раз гарантирует требуемый ресурс авиационных конструкций.
И третье важнейшее направление ― это динамика полета, обеспечивающая безопасность воздушного судна с точки зрения эволюции движения летательного аппарата в атмосфере.
За сотню лет у нас появились дополнительные направления. И прежде всего очень важное ― аэроакустика. Сейчас проблемы экологического воздействия, в том числе и акустического, зачастую выходят на первый план, особенно при эксплуатации воздушных судов в условиях густонаселенных районов, в больших городах. Вопрос полетов ночью стал одним из важнейших, потому что воздушные суда не должны нарушать комфорт жителей. Эти аспекты сейчас становятся одними из наиболее значимых как раз для того, чтобы воздушный транспорт вошел в нашу повседневную жизнь в виде не только сконцентрированных аэропортов, но и личного транспорта.
Также в фокусе внимания ученых ЦАГИ ― вопросы развития численных методов, цифровых двойников, цифрового проектирования летательных аппаратов и многое другое.
— Какие фундаментальные науки и исследования лежат в основе разработок ЦАГИ?
— В глобальном смысле это, конечно, физика. При этом ― вся, может быть, за исключением ядерной, хотя и эти компоненты уже начинают постепенно входить в жизнь в связи с появлением новых энергетических установок, в том числе атомных батареек. А так – это прежде всего механика, царица классической физики.
Неслучайно центр механики где-то в начале XX века переместился сюда, в ЦАГИ. Тогда была создана так называемая теоретическая группа ЦАГИ под руководством академика Сергея Алексеевича Чаплыгина, куда вошла целая россыпь талантов, ставших впоследствии основой Академии наук СССР. Я могу бесконечно перечислять имена, действительно представляющие собой гордость страны. Достаточно сказать, что в научно-теоретическом отделе ЦАГИ работал Мстислав Всеволодович Келдыш, а впоследствии в отделении прочности решил проблему флаттера и шимми для самолетов.
Мы изучаем все подразделы механики. Механику жидкости и газа, аэродинамику как их практическое следствие. Механику твердого тела, когда речь заходит о конструкциях, об их прочности, их свойствах. Теорию управления, когда мы говорим о динамике полета, об оптимальных законах управления движением летательных аппаратов, и в конечном счете безопасности летательных аппаратов.
Появляются и науки о материалах, неразрывно связаных с прочностью авиационных конструкций, возникают новые методы измерений. У нас очень серьезное метрологическое обеспечение; первые серьезные измерительные системы в Советском Союзе начинали выстраиваться именно в ЦАГИ. И метрология как научный раздел тоже начиналась здесь.
— Какие из проектов, реализуемых сейчас в ЦАГИ, вызывают особый интерес?
— Жизнь у нас очень интересная, многоплановая. В составе Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского», куда ЦАГИ входит с 2014 г., нам удалось реализовать несколько очень интересных проектов. Мы получили государственное задание и можем выстраивать свои поисковые исследования на плановой основе. Большой интерес вызывает вопрос модернизации нашей экспериментальной базы не с точки зрения капитального строительства новых установок, а с точки зрения методов измерений, цифровых экспериментов, развития численных методов. Все это направлено, во-первых, на повышение качества эксперимента, снижения его стоимости, сокращение сроков выпуска авиационной техники. Во-вторых, нам удалось вернуться к теме создания так называемых демонстраторов технологий, то есть тех объектов, которые по сути представляют собой экспериментальную, опытную авиацию.
Когда-то Владимир Михайлович Мясищев, будучи директором ЦАГИ, начинал реализовывать здесь эту концепцию. Он был известен как творец необычных экспериментальных летательных аппаратов, которые впоследствии дали плоды в виде огромного количества технических решений, нашедших воплощение в современной авиационной технике. Сейчас нам удалось реализовать целый ряд очень интересных проектов по созданию демонстраторов магистральных, региональных самолетов, в том числе с распределенной и гибридной силовой установкой. И, конечно, наше давно лелеемое детище ― проект демонстратора сверхзвукового самолета. Кроме того, мы разрабатываем проект демонстраторов целого семейства винтокрылых летательных аппаратов перспективных схем, скоростных, беспилотных, простых и дешевых, которые впоследствии можно будет использовать, как мы надеемся, в виде аэротакси.
И еще есть целый ряд работ, которые традиционно ведутся с промышленностью. Это разработка и доведение до серии магистральных самолетов: Суперджет, МС-21, новые транспортные самолеты. В общем, сейчас много интересной работы. Очень сложно остановиться на каком-то конкретном проекте.
— В последние годы стали очень активно развиваться технологии искусственного интеллекта. Повсеместно применяются умные технологии. Нашли ли они свое применение, свое место в авиационной отрасли?
— Вы совершенно верно назвали термин — технологии искусственного интеллекта. Действительно, мы их применяем, но применяем с осторожностью. В большинстве случаев, когда говорят о технологиях искусственного интеллекта, подразумевают так называемые нейронные сети, представляющие собой аппроксимацию большого количества данных с неким предсказанием результатов на будущее. И здесь очень важно понимать, что мы не всегда можем оценивать, с какой точностью и каким вообще может получиться результат. Применение этих методов в широком смысле в той части, которая касается жизни людей, требует большой осторожности. Мы внедряем, пробуем, смотрим, сравниваем, верифицируем и валидируем с теми результатами, которые получаем при помощи других методов или в реальном летном эксперименте.
Что касается умных технологий (а правильнее, наверно, было бы назвать их интеллектными, или интеллектуальными технологиями) ― это вся история создания автопилотов и соответствующих систем управления летательных аппаратов, которая всегда была связана именно с интеллектными технологиями. Постоянно разрабатываются новые адаптивные алгоритмы, алгоритмы робастного управления, которые мы широко используем в современной гражданской технике, не говоря уже, естественно, о военном применении. И это, в определенном смысле, наш «конек».
— Какие научные открытия могли бы значительно повлиять на технологическое развитие авиационной отрасли?
— Авиационная наука по многим направлениям сейчас находится в зоне насыщения. Многое известно, все-таки уже более 100 лет люди достаточно плотно занимаются изучением всех атмосферных явлений, теории полета как таковой. Многое мы умеем не просто испытывать, а считать, предсказывать. Но, тем не менее, есть ряд очень интересных направлений, где можно ожидать достаточно серьезных изменений, которые приведут к существенному изменению техники.
Прежде всего, это новые виды топлива и экономичность двигателей. Возможность перемещения в пространстве с большими скоростями, но с меньшей стоимостью, прежде всего связана именно с двигателями и движителями, которые реализуют энергию, получаемую при использовании топлива. Здесь нет серьезных перспектив для каких-то кардинальных изменений. Вряд ли в ближайшее время будет придумана антигравитация, сопротивление атмосферы остается сопротивлением атмосферы. От этого никуда не уйти. Скорее идет эволюционный рост. Тем не менее мы говорим про адаптивную аэродинамику, ведь нужно повлиять не только на облик, но и на свойства летательного аппарата, его технические характеристики, возможности в современной среде — высоконаселенной, нагруженной экологическими требованиями и ограничениями.
Это новые материалы, которые позволят со временем, как мы надеемся, решить проблему весового совершенства. Потому что сейчас около половины веса ― это, собственно, вес самого летательного аппарата. Нам бы хотелось очень серьезно поработать именно над этим. Это умные конструкции с материалами, которые умеют самовосстанавливаться, самозалечиваться. Я понимаю, что это пока звучит немножко фантастично, однако какие-то проработки здесь уже есть. Это позволит совершенно по-другому посмотреть на самолет будущего.
Ну и, конечно, полностью автономные летательные аппараты, роботы, которые позволят совершенно иначе воспринять уже авиационно-транспортную систему. Как в фильмах будущего, где воздушное пространство заполнено самодвижущимися летательными аппаратами. Когда-нибудь мы из двухмерной плоскости передвижений, в которой до сих пор находимся, сможем освоить третье измерение, так называемый пятый океан. Конечно, будет и серьезная интегрированная система управления воздушным движением, которая будет включать не только наземную компоненту, но и интеллектуальные летательные аппараты.