Сегодня, 9 декабря, в России отмечают День вертолетчика. В нашей стране в Московском авиационном институте работает единственная в мире кафедра, где ведется комплексная подготовка специалистов в области вертолетостроения. В декабре этого года в новом учебном корпусе МАИ после системной реконструкции открылась обновленная и модернизированная кафедра «Проектирование вертолетов». Команда портала «Научная Россия» побывала на знаменитой кафедре № 102 и узнала об особенностях проектирования вертолетов, а рассказал об этом заведующий кафедрой Александр Борисович Бельский.
Справка. Александр Борисович Бельский ― доктор технических наук, профессор и заведующий кафедрой № 102 «Проектирование вертолетов» Московского авиационного института (национального исследовательского университета), заместитель исполнительного директора по науке и инновационному развитию, заместитель генерального конструктора по вертолетным комплексам специального назначения, комплексам авиационного вооружения и обороны вертолетов АО «Национальный центр вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова (АО «НЦВ Миль и Камов»), профессор кафедры «Лазерные и радиолокационные системы» факультета «Оптико-электронное приборостроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана.
― Какими знаниями в первую очередь должен обладать человек, проектирующий вертолеты?
― Самыми разными, но прежде всего ― знанием законов аэродинамики и динамики полета таких сложных летательных аппаратов, как вертолет. Важно также понимать, как работает система управления вертолетом, разбираться в конструкторских задачах и компоновочных решениях вертолетов.
Вертолетная отрасль развивается очень стремительно. За последнее время в мире были разработаны и реализованы абсолютно новые схемотехнические решения летательных аппаратов вертикального взлета и посадки.
Умение разработчика быстро осваивать передовые исследования и научно-технические наработки в сфере вертолетостроения имеет большое значение для своевременного создания новых типов вертолетной техники.
― В чем уникальность вертолета как транспортного средства?
― В том, что эксплуатация винтокрылого летательного аппарата ― вертолета ― не требует наличия стационарных аэродромов и взлетно-посадочных полос. Вертолет может вертикально взлетать и так же вертикально садиться на любую твердую поверхность, в том числе на неподготовленную. Для него место посадки не имеет принципиального значения: отдельные типы вертолетов приземляются на подготовленные вертолетные площадки или на твердую поверхность земли, другие ― на палубу корабля, третьи ― на буровые платформы и т.п.
Современные методики аэродинамических расчетов, возможности математического моделирования позволяют формировать технические облики и проектировать винтокрылые летательные аппараты под различные тактико-технические требования как военных, так и гражданских заказчиков и формировать оптимальные компоновочные проработки и конструктивные решения винтокрылых летательных аппаратов нового поколения.
― Но в то же время вертолет имеет свои специфические ограничения: относительно небольшая высота полета, сильная зависимость от погодных условий…
― Любой летательный аппарат имеет ограничения для полетов, но я не думаю, что у вертолета их больше, чем, например, у самолета. Действительно, вертолеты совершают свои полеты на разной высоте, диапазон полетов ― от 5 м до 5 км. Кроме того, вертолет может эксплуатироваться в достаточно жестких климатических и географических условиях. Это могут быть северные широты, высокогорье, моря, южные широты. Пилотажно-навигационные комплексы и бортовые системы технического зрения должны давать экипажу исчерпывающую информацию о текущей ситуации, что гарантирует возможность безопасного пилотирования и выполнения поставленных задач экипажем на разных скоростях и в различных условиях эксплуатации.
― Каких, например?
― Я расскажу об одном очень показательном случае. В 2007 г. впервые в истории авиации на вертолетах был совершен полет от Южной Америки до Антарктиды и обратно. Пилоты преодолели в общей сложности 9 тыс. км. Этот межконтинентальный перелет совершили два вертолета Ми-8 с российским экипажем на борту. Это был уникальный рейс. Перелет и посадка в Антарктиду прошли относительно легко, но путь обратно проходил в абсолютно неблагоприятных условиях: дули очень сильные ветры, в Магеллановом проливе поднимались большие волны, бушевал шторм, добавьте к этому сильный мороз — и вы поймете, что условия были действительно очень суровыми. Пилотам пришлось несколько раз менять высоту полета и лететь над облаками, над сложными воздушными потоками. Тем не менее все обошлось и экипаж благополучно добрался до Южной Америки.
― Какой предельной скорости может достигать вертолет и какое максимальное расстояние он может преодолеть за один полет?
― В настоящее время максимальная скорость вертолетов составляет 300–350 км/ч. Но перед разработчиками новой вертолетной техники стоит задача, чтобы уже в ближайшем будущем с 2030 по 2040 г. винтокрылые летательные аппараты достигали максимальной скорости 450–500 км/ч, а их крейсерская скорость была в диапазоне 400–450 км/ч. То есть скорость винтокрылых летательных аппаратов нового поколения должна быть увеличена примерно в 1,7 раза. Такие же требования выдвигаются для продолжительности и дальности полета.
Продолжительность полета на современных вертолетах ― до 4–5 ч, и задача на ближайшую перспективу ― увеличить это время до 7–10 ч. Дальность беспосадочного перелета на современных вертолетах ― 400–500 км (без дополнительных топливных баков), а для перспективных винтокрылых летательных аппаратов она должна составить около 1–1,5 тыс. км.
Модернизация кафедры «Проектирование вертолетов» МАИ проходила в рамках государственной программы «Приоритет-2030».
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
― Вы сказали о том, что вертолеты постоянно совершенствуются. На какие характеристики специалисты делают упор в первую очередь?
― Последние тенденции развития вертолетной техники на ближнесрочную и среднесрочную перспективы требуют от разработчиков винтокрылых летательных аппаратов более глубоко решать задачи, связанные в первую очередь с аэродинамикой вертолета, повышением летно-технических характеристик (скорость, дальность, продолжительность полета), а также с эксплуатационными и функциональными характеристиками, отвечающими за безопасность полета, с учетом высоких требований по экологичности и применением современных методов внутренней диагностики. В последние годы перед разработчиками винтокрылых летательных аппаратов также стоит задача обеспечить транспортную доступность и осуществление транспортных перевозок в отдаленные регионы России, то есть задача транспортной связанности территории нашей страны. Решение этого вопроса напрямую связано с повышением эксплуатационных характеристик основных агрегатов вертолетов и расширением функциональных характеристик всех систем бортового оборудования вертолета.
Как известно, многие типы вертолетов создаются под требования конкретных заказчиков, входящих в структуры Минтранса России, Минобороны России, МВД, МЧС и др. При этом главными требованиями для всех типов винтокрылых летательных аппаратов остаются (и будут оставаться) безопасность пилотирования и эксплуатационная надежность. Это требование относится как к гражданским транспортным вертолетам (пассажирским и грузопассажирским), так и к военным и специальным типам вертолетов. Поэтому модернизация современных и создание новых типов вертолетов гражданского, двойного и военного назначений будут направлены в первую очередь на выполнение повышенных требований к летно-техническим, эксплуатационным и функциональным характеристикам, а для гражданских модификаций дополнительно должны решаться задачи экологичности, комфортности при перевозке пассажиров и т.п.
― Давайте поговорим непосредственно о людях, выполняющих все эти задачи. Расскажите, пожалуйста, подробнее о работе кафедры «Проектирование вертолетов» МАИ.
― Кафедра была создана в 1952 г. Одним из ее основателей был поистине легендарный человек ― советский ученый-авиатор академик Борис Николаевич Юрьев.
Сотрудники кафедры на протяжении многих лет участвовали в разработке вертолетной техники для нашей отечественной вертолетной индустрии, сотрудничая с конструкторским бюро М.Л. Миля и Н.И. Камова, принимали непосредственное участие в разработке многих легендарных вертолетов серий «Ми» и «Ка».
В настоящее время на кафедре выполняются научно-исследовательские работы в сотрудничестве с Национальным центром вертолетостроения им. М.Л. Миля и Н.И. Камова, а также с другими профильными организациями, например ФАУ «ЦАГИ», АО «Кронштадт» и др. Основная деятельность кафедры ― проведение аэродинамических расчетов, формирование конструктивно-компоновочных решений технических обликов винтокрылых летательных аппаратов, проведение специальных расчетов пилотируемой и беспилотной вертолетной техники для критических режимов эксплуатации (например, срывное обтекание лопастей, левое вращение, «посадка на палубу» и т.д.). Существенно расширяется учебно-методическая деятельность кафедры в области как базового образования, так и дополнительного профессионального образования.
В настоящее время кафедра готовит инженеров по специальности «Самолето- и вертолетостроение». После окончания вуза наши выпускники находят работу в НИИ, ОКБ и на предприятиях, занятых созданием опытных и серийных вертолетов и других типов летательных аппаратов.
Каждый год несколько лучших выпускников поступают в аспирантуру МАИ.
Кафедра «Проектирование вертолетов» МАИ ― это единственная в мире кафедра, где есть комплексная подготовка специалистов в области вертолетостроения. В целом за годы существования на кафедре были выполнены тысячи работ в области вертолетостроения и выпущено около 3 тыс. специалистов.
80% выпускников кафедры «Проектирование вертолетов» МАИ в дальнейшем работают в холдинге «Вертолеты России», объединяющем большинство вертолетостроительных предприятий страны. Около 20% выпускников трудоустраиваются на другие предприятия, связанные с авиационной техникой.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
― Каково основное назначение вертолетов, где они используются чаще всего?
― Вертолеты востребованы практически везде. Сложно назвать такую сферу, где вертолеты бы не использовались. Вертолеты необходимы как для гражданских транспортных перевозок, так и для военных миссий. Они незаменимы в МЧС (например, при тушении пожаров), есть медицинские модификации вертолетов, вертолеты используются также в сельскохозяйственном, рыбно-промышленном и лесном секторах, на офшорных шельфах, применяются в экологическом мониторинге лесов, полей и морей, в газодобывающей отрасли, в мониторинге нефтепроводов и газопроводов, в освоении Арктики и Антарктики и многих других сферах.
― Чтобы учиться на легендарной кафедре № 102, нужно обладать техническим складом ума? И что это вообще такое, на ваш взгляд?
― Я думаю, что технический склад ума ― это прежде всего способность творчески мыслить и принимать оригинальные решения. Познания в области техники, изучение законов кинематики и динамики, а также знание физики внутренних процессов агрегатов и систем вертолета требуют достаточно глубокого подхода и высоких компетенций специалистов, которые очень важны для проектирования новой вертолетной техники и реализации технических идей.
― А в чем конкретно проявляется эта творческая составляющая?
― В умении правильно проводить научные исследования, грамотно выполнять конструкторские расчеты и моделирование, в способности формировать дизайн-облики вертолетов нового типа с учетом условий их эксплуатации, в понимании ключевых элементов летательного аппарата и в реализации многих других требований. Часто необходимо ощутить самого себя рядом с проектируемым вертолетом нового типа, который ты решил создать. Тогда и результат будет, несомненно.
― Стать с вертолетом одним целым?
― Да, с точки зрения конструктора и инженерного понимания проектирования вертолета так действительно можно сказать.
Вертолетная техника сегодня неотделима от экипажа, от пилота.
Но тенденции ее развития направлены на создание опционально пилотируемых, роботизированных и беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа. Эти направления сейчас активно развиваются, поэтому такие задачи будут ставиться и решаться на кафедре вертолетостроения МАИ в ближайшее время.
― Откуда берутся идеи в области проектирования вертолетов?
― Наука, как известно, никогда не стоит на месте. Для того чтобы те или иные практические решения воплотились в жизнь, необходимы огромная теоретическая база и работа коллектива инженеров и ученых. На кафедре будут развиваться новые направления исследований в области вертолетостроения, и это должно способствовать достижению новых результатов ― как ожидаемых, так и неожиданных. К новым направлениям прикладных исследований я бы отнес в первую очередь внедрение в конструкцию перспективных винтокрылых летательных аппаратов комбинированных, гибридных или электрических силовых установок, разработку вариативных трансмиссий, применение новых методов проектирования с учетом диагностики и прогностики технического состояния агрегатов и силовых конструкций вертолетов, прогрессивных расчетно-теоретических исследований с применением CFD-методов и методов мультидисциплинарной оптимизации.
Для обучения студентов кафедры № 102 действует нескольких учебно-производственных площадок: МАИ (г. Москва), НЦВ «Миль и Камов» (пос. Томилино Люберецкого района Московской области), ЦАГИ (г. Жуковский Московской области). Филиал кафедры также работает в г. Улан-Удэ (на базе АО «У-УАЗ»). В ближайшие три года планируется открыть филиалы в городах Арсеньеве, Ростове-на-Дону и Кумертау.
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
― Повлияли ли санкции на работу вашей кафедры?
― Да, конечно. Нам необходимо переходить от зарубежных расчетных программ на отечественные, учитывать применение отечественных материалов и комплектующих, включая элементную базу, сырье и материалы.
― С какой самой большой трудностью вы столкнулись в процессе импортозамещения?
― Пожалуй, самая сложная задача ― это переход на отечественное программное обеспечение. Последнее время практически все расчеты выполнялись на зарубежном ПО. Сейчас мы постепенно будем переходить на аналоги российских разработчиков. Второе ― это отечественные агрегаты для вертолетов и, в первую очередь, новое поколение газотурбинных двигателей.
― В России есть организации, которые могли бы взяться за эту работу?
― Они, конечно же, есть, но нужно понимать, что создание любого двигателя по сложности и срокам почти сравнимо с созданием летательного аппарата. Реализация двигательного проекта требует очень длительного времени, большого количества теоретических расчетов и прикладных решений, развития технологий и т.д.
Для создания полноценного двигателя вертолета требуется около десяти лет.
Этой задачей сейчас занимаются в «Объединенной двигателестроительной корпорации», но нужны время и, конечно, соответствующее финансирование.
― Такая задержка в производстве двигателей может негативно повлиять на развитие вертолетостроения в нашей стране?
― Мы смотрим на эту ситуацию положительно, зная, что в ближайшее время будут созданы отечественные двигатели для более легких типов вертолетов (с максимальным взлетным весом 3–4 т и 6–8 т). На базе этих двигателей будут проектироваться винтокрылые летательные аппараты до 2030 г. Такие разработки ведутся. Необходимо и создание газотурбинных двигателей в классе 4–5 тыс. лошадиных сил для тяжелых типов перспективных винтокрылых летательных аппаратов (с максимальным взлетным весом 12–15 т).
― Надеюсь, что мы увидим результаты этой работы в скором времени! Расскажите, пожалуйста, о том, как вы пришли к проектированию вертолетов? С детства увлекались летательными аппаратами?
― Как ни странно, нет. Я сам по основному образованию физик. Долгое время работал в области оптико-электронного приборостроения в ракетно-космической сфере. В 2010 г. меня пригласили в КБ «МВЗ М.Л. Миля» на должность заместителя генерального конструктора. До этого я имел опыт работы на руководящих должностях и даже в области вертолетной техники в части создания прицельных систем. С 2010 г. по настоящее время я работаю в АО «НЦВ Миль и Камов» (холдинг «Вертолеты России»), в должностях заместителя исполнительного директора по науке и инновационному развитию и заместителя генерального конструктора. Кафедру «Проектирование вертолетов» МАИ мне предложили возглавить в 2021 г. До этого я был преподавателем спецкурса для магистров в МГТУ им. Н.Э. Баумана, на кафедре РЛ-2. Решение перехода из МГТУ в МАИ не было простым для меня. Но оно принято.
В этом году исполнилось два года, как я возглавляю кафедру № 102 «Проектирование вертолетов».
― Ваши образование и опыт преподавания физики помогают в этом деле?
― Конечно! Как любой физик, я привык глубоко анализировать решения моих коллег и часто задаю вопросы, нетривиальные для сферы вертолетостроения. За прошедшие два года я узнал много нового о проектировании вертолетной техники. Сейчас у меня уже три аспиранта, чьи работы посвящены новым решениям для создания вертолетной техники нового поколения. Очень хочу, чтобы в будущем мои аспиранты занимались своими проектами не в одиночку, а объединялись в небольшие коллективы и работали над системными проектами, решая целый комплекс задач в области проектирования вертолетов.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук