Грантополучатели РНФ о создании сверхзвукового транспорта и решениях для авиации и перспективных транспортных систем

Создание сверхзвукового транспорта остается одной из ключевых задач транспортной науки, поскольку позволяет существенно сократить время перевозки пассажиров и грузов на большие расстояния. Однако для ее решения необходимо преодолеть ряд серьезных технических ограничений — от шума и звукового удара до вопросов энергоэффективности и безопасности. Современные исследования в области аэродинамики, акустики, вычислительного моделирования и новых материалов помогают создавать технологии, которые могут обеспечить дальнейшее развитие высокоскоростного транспорта.

В рубрике «Мнение» журнала «Открывай с РНФ» (№ 34) грантополучатели Фонда – Виктор Копьев, доктор физико-математических наук, начальник отделения аэроакустики и экологии летательных аппаратов Центрального аэрогидродинамического института имени профессора Н. Е. Жуковского; Татьяна Гимон, старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики имени С. А. Христиановича СО РАН; и Мария Матюнина, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики конденсированного состояния физического факультета Челябинского государственного университета, – рассказывают о результатах исследований в области моделирования авиационного шума, прогнозирования звукового удара от перспективных сверхзвуковых самолетов с учетом реальных атмосферных условий и разработки магнитолевитационного транспорта.

Результаты этих исследований могут найти применение в развитии гражданской авиации, создании новых поколений сверхзвуковых самолетов и совершенствовании перспективных транспортных систем.

// Виктор Копьев: «Создание менее шумных самолетов требует новых теоретических, численных и экспериментальных методов»

Аэроакустика — достаточно молодая наука: она зародилась в 1940–1950-х годах на стыке классической аэродинамики и акустики и вобрала в себя самые сложные их разделы, включая проблему турбулентности, названную Ричардом Фейнманом «последней великой проблемой классической физики». Уже поэтому моделирование аэродинамического шума более 70 лет находится на переднем крае фундаментальной науки, а разработка стратегий управления шумом и методов его снижения остается одной из самых сложных нерешенных задач.

Однако у проблемы возникновения шума из-за турбулентности есть важный прикладной аспект. Разработка надежных методов моделирования шума самолета и его элементов — крайне актуальная инженерная задача, поскольку новые воздушные суда должны соответствовать постоянно ужесточающимся нормам ИКАО (Международная организация гражданской авиации, от англ. International Civil Aviation Organization, ICAO) по шуму. На взлете основным источником шума становится двигатель — турбулентная струя и вентилятор, а на посадке добавляется шум турбулентного потока, обтекающего планер. Сегодня ученым и инженерам приходится снижать шум всех источников сразу: у современного самолета нет одного ярко выраженного доминирующего источника, работа с которым обеспечила бы снижение шума воздушного судна в целом. Совокупность этих разноплановых задач нашла отражение в структуре недавно завершившегося проекта для лабораторий мирового уровня. Он был посвящен разработке и тестированию математических моделей и вычислительных алгоритмов в аэроакустике.

Сочетание физического и численного моделирования с экспериментами позволило лучше понять структуру звуковых источников и их связь с вихревой динамикой и турбулентностью. Это помогло уточнить существующие модели источников шума и предложить новые методы его снижения.

Проблемы авиаэкологии стали ключевыми для коммерческого продвижения авиационной техники: ни один авиапроизводитель не может игнорировать требования к авиационному шуму. Каким бы надежным и эффективным ни был самолет, если он не соответствует современным шумовым нормам, его эксплуатация окажется ограниченной: многие аэропорты мира просто не смогут принимать такую технику.

Почему именно проблема шума оказалась в центре конкурентной борьбы между авиапроизводителями? Для проведения всего цикла работ необходимы эффективные подходы к решению фундаментальной проблемы генерации шума турбулентностью. Кроме того, требуется высокотехнологичная экспериментальная база, которая для аэроакустических исследований очень затратна, а также кадры и научные школы, способные этим заниматься. Отставание в любом из перечисленных сегментов неизбежно сказывается на качестве создаваемой авиационной техники. И если западные авиапроизводители всем этим обладают, то для того, чтобы сделать наши самолеты менее шумными, необходимо целенаправленно развивать новые экспериментальные, теоретические и численные методы.

Но для развития экспериментальных методов одной поддержки РНФ недостаточно — нужно строить новые большие аэроакустические установки. В Китае таких установок десятки, а у нас — ни одной! Что же делать, чтобы двигаться вперед? Промежуточный выход нашелся. Благодаря РНФ нам удается участвовать в совместных проектах с Китаем, где главная наша задача — проведение экспериментов в больших акустических трубах, воспроизводящих реальные аэродинамические условия полета. Это в первую очередь относится к проблеме шума обтекания планера, где принципиальна возможность размещения крупномасштабной модели крыла или шасси самолета в потоке в условиях заглушенной камеры. В рамках нашего проекта с Китаем, завершившегося в прошлом году, мы впервые измерили шум треугольного крыла сверхзвукового гражданского самолета. Это бесценный материал не только для теоретиков, но и для специалистов по вычислительному моделированию, поскольку без экспериментальной проверки расчеты нельзя считать достоверными.

По мере выполнения задач проекта для лабораторий мирового уровня, поддержанного РНФ, проявились и новые научно-технические проблемы, решение которых стало возможным на основе полученных результатов. Среди них — шум горячих струй, шум турбулентного пограничного слоя, разработка звукопоглощающих конструкций, создание акустических метаматериалов, а также вопросы проектирования малошумных воздушных и несущих винтов. Развитие российской гражданской авиации показало, что эти проблемы остаются принципиально важными для современных самолетов — МС-21 с ПД-14, SSJ-NEW с ПД-8, российского ШФДМС с ПД-35, самолетов малой авиации, в том числе воздушных винтов Л-410, вертолетов Ка-62 и сверхзвуковых пассажирских самолетов будущего. Эти направления требуют дальнейшего развития и, вероятно, новых грантов РНФ. Так, в 2026 году РНФ поддержал новый проект, посвященный шуму горячих струй.

В проекте используется новая, не имеющая аналогов установка для подогрева потока, разработанная и введенная в строй в Центральном аэрогидродинамическом институте имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). Возможно, это главное достижение нашей команды за последние пять лет. Установка позволяет активно развивать исследования физических механизмов генерации шума горячими струями, и мы уже получили важные результаты. Они показывают большой потенциал для получения новых фундаментальных данных. Поскольку струи реальных двигателей также являются горячими, работы по проекту интересны промышленности и квалифицированному заказчику.

Главная задача сегодня — преодолеть отставание нашей авиационной промышленности в вопросах акустики, возникшее на рубеже XX–XXI веков, когда ориентация на западную авиационную технику во многом шла в ущерб развитию отечественной. При этом важно понимать, что нормы ИКАО — это не запрет на производство российских самолетов. Многие современные западные воздушные суда соответствуют этим жестким требованиям с большим запасом.

Россия стояла у истоков мировой гражданской авиации, и не нам опускать руки, сомневаясь в реализуемости того, что уже сделано другими.

Что касается наших научных идей, хочется надеяться, что огромный фронт прикладных и инженерных задач, связанных с генерацией шума турбулентностью, одновременно позволит развивать неинвазивную диагностику самой турбулентности и станет тем самым недостающим звеном в решении «последней великой проблемы классической физики».

// Татьяна Гимон: «Несмотря на завершение эксплуатации Ту-144 и Concorde, интерес к сверхзвуковой пассажирской авиации заметно усилился»

Сегодня развитие авиации во многом определяется поиском новых решений, которые позволят одновременно повысить скорость полетов, обеспечить экономическую эффективность и снизить негативное воздействие на окружающую среду. Одним из наиболее перспективных направлений остается создание сверхзвуковых гражданских самолетов. Несмотря на то что после завершения эксплуатации Ту-144 и Concorde в мире не осталось сверхзвуковой пассажирской авиации, интерес к ней не только не исчез, но и заметно усилился. Крупные научные центры и компании в разных странах работают над созданием новых демонстраторов технологий, способных приблизить возвращение сверхзвуковых пассажирских перевозок.

Одной из ключевых проблем остается звуковой удар — ударная волна, возникающая при полете самолета на сверхзвуковой скорости. Именно она становится причиной характерного громкого хлопка, который хорошо слышен людям на поверхности Земли за десятки километров от маршрута полета. В этом контексте особое значение приобретают методы численного моделирования. Если раньше многие задачи решались преимущественно экспериментальным путем, то теперь развитие вычислительных технологий позволяет исследовать сложнейшие физические процессы с высокой точностью еще на этапе проектирования — без создания физической модели.

Именно этой задаче посвящен наш проект, поддержанный Российским научным фондом. Мы разрабатываем методику прогнозирования звукового удара от перспективных сверхзвуковых самолетов в условиях реальной атмосферы. Нас интересует физика самого процесса распространения ударной волны от самолета к поверхности Земли, а также влияние на звуковой удар температуры, влажности воздуха, ветра и других атмосферных факторов вдоль всей траектории распространения. Наши исследования на примере Новосибирской области показывают, что погодные условия способны изменять воспринимаемую громкость звукового удара.

Мы создаем расчетные инструменты, позволяющие моделировать полный цикл формирования и распространения звукового удара и строить карты его воздействия для различных регионов России. Уверена, что в ближайшие годы развитие вычислительных методов, технологий искусственного интеллекта и экспериментальных исследований позволит существенно ускорить появление нового поколения сверхзвуковой авиации. А фундаментальная наука даст надежную основу для перспективных разработок инженеров и конструкторов.

// Мария Матюнина: «Мы работаем над созданием наземного транспорта для сверхзвуковой перевозки пассажиров и грузов на основе высокотемпературных сверхпроводников»

Для современных транспортных систем все более значимыми становятся экологические и энергетические вызовы. Среди них — повышенный уровень шума, риски загрязнения окружающей среды, выбросы выхлопных газов и вклад транспорта в парниковый эффект. Современные железнодорожные системы потребляют огромные объемы энергии. Мировое сообщество фокусируется на энергетических вызовах железнодорожного транспорта: интеграции железных дорог в умные сети (Smart Grid), более эффективном использовании систем возврата энергии и обеспечении стабильного питания высокоскоростных магистралей.

Достичь этого позволяют широкое внедрение датчиков, средств автоматизации и информационных систем по всей энергосети — от генерирующих мощностей и подстанций до линий электропередачи и конечных потребителей. Параллельно продолжаются фундаментальные и прикладные исследования в области аэродинамики, акустики и новых композитных материалов, направленные на снижение веса подвижного состава и повышение его скоростей.

Главный вызов для России и Евразии — приблизить скорость наземного сообщения к сверхзвуковой и при этом сохранить доступную стоимость перевозки. Один из возможных и реалистичных способов — вакуумный маглев: поезд на магнитной подушке, движущийся в вакуумной трубе. Концепция такого сверхскоростного транспорта объединяет магнитную левитацию — движение без трения — и резкое снижение аэродинамического сопротивления. Устранение сопротивления воздуха и отказ от колес как движителя делают магнитолевитационный наземный транспорт потенциально быстрее и экономичнее авиационного.

Сегодня исследования магнитолевитационного транспорта вышли на новый уровень. Если раньше основное внимание уделялось обеспечению устойчивой левитации состава над путевой структурой, то теперь ученые решают более сложные задачи, связанные с достижением сверхвысоких скоростей, повышением устойчивости движения и работой транспортных систем в условиях вакуума. Ключевую роль в этом сыграло применение высокотемпературных сверхпроводников. Эти материалы обладают уникальными магнитными свойствами: они способны не только устойчиво левитировать над магнитной трассой, но и сохранять свое положение относительно магнитного поля. Благодаря этому транспортное средство автоматически удерживается на заданной траектории без постоянной корректировки со стороны систем управления.

Такой подход существенно упрощает конструкцию всей системы. Исчезает необходимость использовать бортовые источники энергии для поддержания левитации, а также сложные системы активного контроля зазора между транспортным средством и путевой структурой.

На протяжении последних лет группа сотрудников Российской академии наук и Челябинского государственного университета работает над обоснованием возможности создания наземного транспорта для сверхзвуковой перевозки пассажиров и грузов с использованием новых материалов и современных технологий. На сегодняшний день принципиальных ограничений скорости вакуумного маглева пока не выявлено.

Однако уже сегодня во многих странах существуют демонстрационные линии магнитолевитационного сообщения. В ближайшие годы в городском и пригородном сообщении может появиться новое поколение таких систем.

Принцип их работы основан на использовании высокотемпературных сверхпроводников. При охлаждении они взаимодействуют с магнитным полем трассы и как бы «запоминают» свое положение относительно него. Благодаря этому транспортное средство устойчиво удерживается над путевой структурой и движется без механического контакта с рельсом, что снижает уровень шума, износ и эксплуатационные затраты.

В рамках проекта, поддержанного РНФ, мы создаем малоразмерные макеты магнитолевитационного транспорта с автономным управлением, способные двигаться в вакууме и в атмосфере без постоянного расхода сжиженных газов неограниченное время. Также нам предстоит наладить точное измерение скорости, потребляемой энергии и реальных сил сопротивления движению макета в зависимости от остаточного давления окружающей среды в вакуумной трубе. Кроме того, мы разработаем конструкцию линейных электромагнитных моторов, обеспечивающих разгон, торможение и возврат энергии при торможении.

На сегодняшний день нам удалось создать линейные трассы и макеты сверхпроводящих транспортных средств с заливкой жидкого азота в криостаты, а также разработать систему контроля скорости и положения криостата над трассой.

В ходе проекта предстоит наладить точные эксперименты для надежного измерения параметров движения, прежде чем переходить к скоростным и протяженным трассам, а также разработать системы электромагнитного разгона и торможения криостата. Параллельно мы моделируем криостаты, пригодные для работы в условиях вакуума, и анализируем поведение силовых магнитных линий в объеме сверхпроводящих материалов.

***

Интервью вошли в специальную рубрику «Мнение» журнала «Открывай с РНФ» (№ 34).

В новом выпуске грантополучатели РНФ представили ход и результаты проектов в области транспорта.