Экономические санкции, развернувшиеся в текущем году, способны затянуться как минимум на десятилетия, что ставит вопрос о будущих возможностях авиаперевозок. «Сухой Суперджет» не обладает достаточной вместимостью и зависит от импортных комплектующих. МС-21 представляет собой сложный проект для быстрого серийного производства, однако он остается перспективным направлением. Ту-204 отличается высоким расходом топлива. Помимо этого, все перечисленные российские самолеты, как и иностранные аналоги, сталкиваются с принципиальными трудностями, связанными с высокой стоимостью авиаперевозок. Готова ли Россия к кардинальным изменениям в развитии отечественного авиастроения? Naked Science попытается найти ответ на этот вопрос.
Первым этапом экономического давления Запада на Москву стало ограничение экспорта в Россию авиалайнеров и комплектующих к ним. Мотивы такого решения не вполне понятны, поскольку опыт Ирана показывает, что даже при запрете на импорт запчастей, самолеты могут эксплуатироваться в стране со средним уровнем промышленного развития (за последние 10 лет в Иране происходило не так много авиакатастроф) безопасностью. С другой стороны, многие иные западные меры экономической войны тоже не всегда понятны — по крайней мере, при первом приближении.
Какие варианты доступны для развития авиационной отрасли в текущих условиях? Россия не является страной, испытывающей ограниченный спрос на авиалайнеры, как, например, Иран, и ее потребности в этом сегменте будут только расти. Ожидается, что начиная с 2023 года, экономика страны начнет демонстрировать положительную динамику, что, в свою очередь, не приведет к сокращению туристических поездок в такие популярные направления, как Египет, Турция и Таиланд. Несмотря на ограничения, более 80% мирового воздушного пространства остается открытым для российских авиалайнеров, и, вероятно, сохранится в таком состоянии. Следовательно, России необходимо обновлять авиапарк – и в значительных объемах. Но какие модели следует выбирать?
МС-21 против Ту-204
Представители деловых кругов Казани уже высказывали предложения о возобновлении производства самолетов Ту-204. Это была достойная конструкция для своего времени, однако она имела ряд существенных недостатков, унаследованных от предыдущих моделей. Ту-204 (как и Ту-154 до них) проводили слишком много времени на стоянке — больше, чем импортные аналоги. Это снижало прибыли авиаперевозчика: тому выгоднее как можно быстрее отбить свои вложения в самолет, получая от него максимум пассажиро-километров в год.
Благодаря тому, что один самолет работает исправно в 95% случаев, а другой – в 65%, приобретение двух более надежных машин может оказаться выгоднее, чем покупка трех менее надежных. Именно этот фактор и определял выбор многих российских авиакомпаний в пользу импортных лайнеров в прошлом.
Ту-204 не обязан повторять проблемы, свойственные предыдущим моделям. Нет препятствий для разработки двигателей и других систем с уровнем надежности, сопоставимым с западными образцами: новые российские боевые самолеты демонстрируют техническую готовность, не уступающую западным. Поскольку компании, производящие как боевые, так и гражданские самолеты, зачастую совпадают, нет оснований сомневаться в возможности достижения аналогичного уровня для отечественного гражданского авиастроения.
Существенная сложность заключается в том, что Ту-204 был разработан в прошлом, с учетом иных систем авионики. Однако и в этом случае полная независимость от импортных комплектующих отсутствует. В случае начала серийного производства данного самолета сейчас, потребуется его перепроектирование с использованием новой элементной базы. Подобная задача по объему работ сравнима с разработкой воздушного судна с нуля.
Возникает вопрос о целесообразности таких действий, учитывая, что проект МС-21 разрабатывается уже длительное время и отличается более современной конструкцией по сравнению с Ту-204. Ключевым преимуществом является, в частности, крыло, изготовленное полностью из углепластика – это уникальное решение для мировой авиации. Такая конструкция позволит сократить потребление топлива до 8%, что несомненно повлияет и на стоимость авиабилета. В заключение, даже самый крупный МС-21-400 по максимальной взлетной массе ( 87 тонн) чуть ли не на 20% легче Ту-204СМ (108 тонн). Несмотря на почти идентичную пассажировместимость (210 и 215 человек) и схожую дальность, разница в массе, составляющая 21 тонну, наглядно демонстрирует существенную разницу в их техническом исполнении.
Уменьшение расхода топлива для МС-21 стало возможным не только благодаря снижению веса крыла (и общей массы самолета) за счет использования более легкого углепластика, но и благодаря его уникальным конструктивным особенностям. Углепластик обладает большей жесткостью по сравнению с алюминиевыми сплавами. В связи с этим, удлинение крыла МС-21, определяемое как отношение его размаха к средней хорде, составляет 11,5. Использование металлического крыла с таким же удлинением потребовало бы увеличения его толщины, что повлекло бы за собой увеличение аэродинамического сопротивления. Обычно у авиалайнеров удлинение крыла находится в диапазоне 9-10. Более высокое значение этого показателя способствует снижению индуктивного сопротивления на малых скоростях и уменьшению расхода топлива при их эксплуатации.
Кажется, что 8% — незначительная величина. Однако за свой ожидаемый жизненный цикл ( до 80 тысяч летных часов для планера) авиалайнер такого класса «съедает» 140 тысяч тонн горючего. Углепластиковое крыло снизит это число на 11 тысяч тонн.
Конечно, у лоббистов Ту-204 и здесь готов ответ. «Чисто показная вещь, — уверяет советник премьер-министра Татарстана Назир Киреев. — Почему ни одна страна в мире такого не делает? Потому что в этом нет необходимости». Впрочем, Киреев не приводит никаких цифр, показывающих, как изменение удлинения крыла могло бы не привести к снижению воздушного сопротивления для МС-21. И это верный признак того, что таких данных у него, скорее всего, нет.
Утверждение о том, что чего-то нет за границей, следовательно, это не нужно, является характерной чертой неопытного постсоветского управленца (выходящего за рамки программы MBA). Эта логика звучит столь же нелепо, как и рассуждение о том, что чего-то нет в России, и, соответственно, это не имеет значения. В качестве примера можно вспомнить переохлажденное ракетное топливо. Его не применяли даже в Советском Союзе, не говоря уже о зарубежных странах. Однако причина заключалась не в его ненужности, а в отсутствии управленческого понимания необходимости использования передовых технологий.
После Королёва в отечественной космической отрасли не появлялось столь выдающихся специалистов на руководящих должностях. В результате российская ракета «Ангара» до сих пор использует непереохлажденное топливо. При этом, более пятидесяти лет назад, в Советском Союзе уже разрабатывались ракеты, использующие компоненты топлива в переохлажденном состоянии..
Даже на Западе до Илона Маска не встречалось подобных специалистов. Однако это решение сложно назвать бесполезным, поскольку именно благодаря ему SpaceX значительно повысила грузоподъемность своих ракет.
К тому же, как это нередко случается с людьми, склонными к неправде, Киреев не знаком и с зарубежным опытом в области авиастроения. Boeing в последние годы также активно пытается использовать углепластик в конструкции крыла, а недавно — впервые в мире для авиалайнеров — сделала из них важнейшую конструктивную часть крыла, его кессон.
Причины аналогичны тем, что наблюдаются в цельноуглепластиковом крыле МС-21: это позволяет более эффективно увеличивать его удлинение. Разработка крыла полностью из углепластика (включая обшивку) не была реализована не из-за нежелания увеличить его удлинение, а вследствие сложности выполнения данной, поистине амбициозной задачи.
Выбор в пользу Ту-204 и Ту-214 вместо МС-21 представляется необоснованным, поскольку их доработка потребует значительного времени. Тем временем, разработчик МС-21 намерен начать серийное производство самолета – с отечественными двигателями и углепластиковым крылом – уже в 2024 году. Даже в случае переноса запуска на год, более быстрое возобновление производства Ту-204 не представляется возможным, что подтверждается опытом восстановления производства стратегического бомбардировщика Ту-160 в Татарстане.
МС-21 тоже не волшебная палочка?
Ключевой вопрос не в выборе между самолетами Ту-204 и МС-21. Выбор здесь очевиден, поскольку МС-21 обладает значительно более совершенной аэродинамикой.
Основная трудность заключается в ином: МС-21 также не устранит ключевые проблемы авиационной отрасли. По словам Андрея Калмыкова, бывшего руководителя «Победы», который покинул компанию после начала экономической войны, главная проблема российских авиакомпаний не в наличии самолетов, способных выполнять полеты. Напротив, это вполне достижимая задача: поставки комплектующих из Ирана наглядно это демонстрируют.
Основная сложность заключается в низкой стоимости авиабилетов. Чем больше рейсов выполняют крупные авиакомпании, тем ниже их стоимость. Компенсировать снижение объемов перевозок в Европу будет непросто в ближайшие годы. Уменьшение количества рейсов ведет к снижению эффективности использования авиапарка. Снижение эффективности использования авиапарка приводит к росту цен на билеты. Повышение стоимости авиабилетов, в свою очередь, снижает спрос на них, что, опять же, приводит к уменьшению количества рейсов. И так далее, по спирали.
Государство, безусловно, способно решить проблему отчасти с помощью субсидий. Однако удастся ли устранить её полностью? И на какой срок?
Существует лишь одно принципиальное решение этой масштабной проблемы. Необходимо разработать технологические решения, которые существенно снизят стоимость перелетов, превосходя даже преимущества углепластикового и высокотехнологичного крыла МС-21. Затраты на топливо формируют значительную долю в цене авиабилета 40% (при текущих мировых ценах на горючее снижение расхода топлива благодаря новому крылу на 8% способно уменьшить среднюю стоимость авиабилетов на 3%. Это действительно значительное изменение. В обычных обстоятельствах это можно было бы считать большим достижением. Однако в период экономической нестабильности, которая, вероятно, продлится длительное время, этого недостаточно.
Существует возможность снизить стоимость авиаперелета на четверть благодаря решениям, применяемым в авиационной индустрии. Однако, этот подход ассоциируется с Илоном Маском, а подобных специалистов на рынке недостаточно. Рассмотрим это решение более детально.
Экономическое развитие сельских территорий оказалось несовместимо с экологическими требованиями
Наибольшую долю в стоимости авиабилета составляет цена топлива, за ней следуют налоги, затем амортизация воздушного судна (или арендная плата) — затраты, необходимые для возврата инвестиций. Снижение налогового бремени не принесет ощутимого результата, поскольку налоги присутствуют во всех секторах экономики, а отказ от них в авиации равносилен ее субсидированию, что не решит существующую проблему. Авиационная отрасль обычно способствует формированию валового внутреннего продукта, а не потребляет ресурсы из бюджета, полагаясь на налоговые льготы. Изменение сложившейся ситуации и переход к системе поддержки отрасли за счет государства представляется нецелесообразным.
Снижение стоимости авиационной техники возможно только при организации массового производства, что представляет собой сложную задачу. Разработка сверхзвуковых авиалайнеров позволит увеличить отдачу от инвестиций в единицу времени, однако эти самолеты потребляют больше топлива. Хвост вытащил — голова увязла.
Снизить стоимость авиабилета возможно только за счет уменьшения цены на топливо. Продажа авиаперевозчикам топлива по более низкой цене, чем при экспорте, является оправданной, поскольку в противном случае авиационная отрасль, приносящая пользу экономике, станет зависимой от государственных субсидий, формируемых за счет недополученных налогов от экспорта углеводородов, составляющих значительную долю бюджетных доходов).
В настоящее время мировые цены остаются высокими. Стоимость керосина значительно превышает один доллар за килограмм. Какая альтернатива могла бы его заменить? Наиболее простой вариант, который отечественный авиапром уже рассматривал много лет назад, – метан. Преимущества очевидны: он сгорает чище, выделяя меньше микрочастиц, вредных для здоровья людей. Кроме того, он обходится в два-три раза дешевле керосина.
Указывая на разницу в «в два-три раза», мы говорим о стоимости, а не о самом природном газе. В пересчете на единицу теплотворной способности он значительно дешевле керосина. Речь идет о сжиженном природном газе (СПГ), так как его охлаждение до минус 170 градусов требует значительных затрат энергии и финансовых ресурсов.
«Обычным, газообразным метаном самолет не заправляют из-за значительного веса баллонов и занимаемого ими пространства. Требуется специальный бак для жидкого топлива, оснащенный теплоизоляцией толщиной пять сантиметров была на советском метановом Ту-155).
Именно здесь возникают трудности. На единицу массы метан при сгорании выделяет на 18% больше энергии, чем керосин. Значит, даже несмотря на необходимость в теплоизоляции бака, масса топливной системы у метанового самолета будет, скорее всего, заметно меньше, чем у керосинового. Но вот энергоемкость на единицу объема у сжиженного газа — всего 6,17 киловатт-часа на литр, а у керосина — 9,72 киловатт-часа на литр. Получается, керосин требует в 1,58 раза меньше места. С учетом стенок с теплоизоляцией метановые баки должны занимать на 60% больший объем, чем керосиновые.
Для уменьшения теплопотерь метановые баки предпочтительно изготавливать как монолитные конструкции. В связи с этим, их нельзя частично располагать в крыльях, как это реализовано в самолетах с керосиновыми баками. Для размещения крупного монолитного бака потребуется значительное пространство внутри фюзеляжа, поскольку только там доступен необходимый объем. Так, в среднем авиалайнере A320neo размещается 29,7 кубометров керосина, а в МС-21 — 24 кубометра. Метановому самолету с сопоставимой дальностью потребуется единый бак объемом 38-45 кубометров.
Существующие авиалайнеры, включая даже такие перспективные модели, как МС-21, не приспособлены для использования метана в качестве топлива. К сожалению, это не новое открытие: самолет Ту-155, выполненный по классической компоновке, испытали с метановыми баками еще при СССР. Тогда же обнаружили: чуть ли не 30% пассажирского салона приходится занять жидким метаном. Да еще от багажного отсека места отнять.
Этот «метанолет» не принесет существенной выгоды. Действительно, топливо для него может стоить в три раза дешевле керосина, однако это позволит сократить затраты на полет лишь на 30%. Но если количество проданных билетов уменьшится на 30%, то где же тогда выгода?
«Белуха» или «несущий фюзеляж»?
Несмотря на это, проблема представляется разрешимой. Современные воздушные суда изначально разрабатывались с учетом использования нефтепродуктов, поэтому в конструкции фюзеляжа отсутствует пространство для размещения сжиженного газа. Следовательно, необходимо проектировать самолет с самого начала, учитывая возможность использования газа. С нуля.
Руководители высшего звена, как правило, придерживаются консервативных подходов и предпочитают проверенные временем методы работы. Так, например, до появления Tesla электромобили создавались путем интеграции аккумуляторных батарей в существующие конструкции бензиновых автомобилей. Естественно, это приводило к уменьшению пространства в салоне и багажном отделении, а также не позволяло достичь приемлемой дальности хода. Аналогичный подход применялся при разработке советского Ту-155 на метаноле: в стандартный самолет установили топливный бак в свободное пространство, что привело к уменьшению места для пассажиров и багажа.
Для решения проблемы необходимо разрабатывать самолет с иной конструкцией фюзеляжа. В 1990-х годах специалисты компании «Туполев» предприняли попытку реализации этой задачи с минимальными изменениями, разместив топливный бак в выступающей части фюзеляжа, расположенной в передней области. Полученный проект лайнера вместимостью 210 пассажиров неофициально получил название «белуха», а официально – Ту-206. Концепция разработчиков была обусловлена финансовыми ограничениями, характерными для 1990-х годов, поскольку полноценная переработка самолета была бы неподъемной. Выступающий бак увеличивал расход топлива на 15%, однако, принимая во внимание, что метан обладает на 18% большей удельной энергией, вес самолета при сохранении прежней дальности полета оставался бы прежним. Поскольку СПГ значительно дешевле керосина, экономия все равно была бы достигнута, несмотря на аэродинамические недостатки конструкции.
Как мы отмечали, в 1990-х годах в России зафиксирован рост смертности на 30%, и этот показатель не снижался до начала 2000-х. В условиях такой критической ситуации инвестиции в серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы были невозможны. Поэтому тогда приемлемым был и такой, имеющий недостатки, проект.
Сейчас, спустя 25 лет, более целесообразным представляется разработка принципиально новой модели, способной выпускаться на протяжении десятилетий.
В Советском Союзе был предложен как минимум один проект, схожий по концепции. Изначально речь шла о стратегическом бомбардировщике М-60, однако в 1990-х годах на его основе был разработан эскизный проект пассажирского самолета М-60 «Перун». Базовая конфигурация предполагала размещение 214 пассажиров. Отличительной чертой являлся существенно расширенный фюзеляж, обеспечивающий значительное увеличение подъемной силы. Крылья также имели большую размах (что позволило уменьшить нагрузку на них). Разработчик планировал использовать это для повышения аэродинамического качества.
Аэродинамическое качество можно понимать как расстояние, на которое самолет способен пролететь, снижаясь на километр высоты при неработающих двигателях. Естественно, выключение двигателей в полете не предполагается. Однако, чем выше этот показатель, тем экономичнее работа двигателей. Для сравнения, аэродинамическое качество кирпича или металлолома равно нулю, а у современных планеров-рекордов оно превышает 60. У М-60 этот показатель составляет 21, у МС-21 — 18,2. У серийных Boeing B737 MAX 8 он равен 15,0, а у Airbus A320neo — 16,3.
Более просторный фюзеляж дает М-60 и другое важное преимущество – увеличенный внутренний объем. Однако, здесь действует принцип «ничего не дается даром»: самолет разрабатывался с учетом использования керосина, и топливный бак, сопоставимый по объему с керосинными баками МС-21 (38 кубометров), расположенный под полом пассажирского салона, значительно уменьшит доступное пространство для размещения багажа.
Необходимо избегать сокращения пассажирских мест на 30%, что является критически важным. К тому же, использование данного вида топлива позволит снизить вес на 15% по сравнению с керосином, что, в свою очередь, уменьшит максимальную массу самолета и, соответственно, снизит материалоемкость его шасси и некоторых других компонентов.
Благодаря использованию альтернативного топлива, эксплуатационные расходы значительно снизятся – топливо обойдется примерно в два-три раза дешевле, чем у современных самолетов с керосиновыми двигателями. Это, в свою очередь, позволит снизить стоимость авиабилетов на 20-25%. Более доступные цены привлекут больше пассажиров, что увеличит заполняемость самолета и, как следствие, повысит прибыль. Увеличение количества самолетов в серии приведет к снижению стоимости каждого экземпляра.
Летающее крыло: оптимальный вариант
М-60 также представляет собой компромиссный самолет. Его конструкция основана на традиционной схеме авиалайнеров: фюзеляж предназначен для размещения груза и пассажиров, а крылья обеспечивают подъемную силу, удерживающую его в воздухе. Отличие заключается в несколько большей ширине фюзеляжа, что позволяет генерировать дополнительную подъемную силу.
Существуют также более смелые разработки, такие как летающее крыло. Это конструкция, в которой основную подъемную силу обеспечивает фюзеляж, выполненный в виде широкого крыла. В российском Центральном аэрогидродинамическом институте давно отмечают: использование данных самолетов позволит повысить аэродинамическую эффективность на 20-25%. Это было бы целесообразно и при использовании керосина.
Использование компоновки «летающее крыло» для метанового самолета имеет решающее значение не только для достижения экономичности, но и для обеспечения максимального внутреннего пространства. В центральной части конструкции можно установить метановый бак, который позволит совершать перелеты протяженностью до 10-15 тысяч километров. При этом, даже с учетом бака, в салоне будет больше места для пассажиров, чем в современных самолетах, где идет напряженная борьба за увеличение ширины кресел с 17 до 18 дюймов.
Важно осознавать, что крупные пассажирские самолеты ни с несущим фюзеляжем, ни с конструкцией типа «летающее крыло» никогда не реализовывались. Обе эти схемы десятилетиями остаются на стадии эскизов, так как значительно отличаются от применяемых на практике. При этом, если несущий фюзеляж обладает управлением, близким к традиционному, то для «летающего крыла» требуется принципиально новая система стабилизации в полете.
Учитывая вышеуказанные факторы, выбор между традиционным самолетом, подобным МС-21 с фюзеляжной конструкцией (как у М-60), и концепцией «летающего крыла», аналогичной Boeing 754 Husky 1970-х годов, на практике не представляется возможным. В сложившейся ситуации для российской авиационной отрасли необходимо параллельно исследовать все потенциальные решения. МС-21 находится на продвинутой стадии разработки. Следовательно, несмотря на ограниченный радиус действия в 6400 километров (маршрут Москва — Хабаровск, и не более) и высокую стоимость топлива, его необходимо дорабатывать.
Следует также сконцентрировать усилия конструкторских бюро, способных к разработкам, на проектах «метановых» самолетов с несущим фюзеляжем, которые представляются более достижимыми, и на «летающих крыльях» – как на более перспективных решениях. Определенность в отношении серийного производства следует принимать после оценки результатов работы, аэродинамических продувок и результатов испытаний опытных образцов.
Почему оптимальные варианты маловероятны
Вероятнее всего, развитие событий пойдет по другому пути. Серийное производство МС-21 с российскими двигателями и обновленной авионикой начнется, если не в 2024, то в 2025 году.
Если авиационная отрасль не столкнется с требованием заказчиков по созданию самолетов на метане, то разработка таких аппаратов не состоится. Либо будет реализована в упрощенном виде, как, например, Ту-206. Это вполне объяснимо: по мнению Джона Кеннета Гэлбрейта, одного из выдающихся экономистов прошлого, задача управленца в крупной компании заключается не в увеличении прибыли, а в снижении личной ответственности за принимаемые решения. Любые технические инновации связаны с риском. Именно поэтому Boeing и Airbus с 1991 года заявляют о желании перейти к концепции «летающего крыла», но не предпримут шагов для ее реализации.
General Motors когда-то отказалась от разработки собственного серийного электромобиля в пользу автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, поскольку это было менее рискованно для руководителей. Позднее на рынок пришел Илон Маск, который начал активно вытеснять GM и других производителей. Для тех, кто отказался от электромобильной программы GM, в этом не было ничего плохого.
К тому времени они уже покинули свои предыдущие места работы. Действительно, обычный менеджер, работающий по найму, обычно проводит в компании несколько лет, а ее долгосрочная конкурентоспособность ему не является приоритетной задачей.
Те же самые факторы по-прежнему оказывают значительное влияние на развитие авиационной отрасли, поскольку в ней отсутствует и не ожидается появление фигуры, сопоставимой с Илоном Маском. Поэтому ожидать появления метановых самолетов в России не стоит. А значит, сбудутся прогнозы оставившего в конце февраля пост главы компании «Победа» Андрея Калмыкова: дешевых авиабилетов в нашей стране можно не ждать. На одном госсубсидировании их никак не вытянуть.