Как строить самолеты, когда Первая мировая война едва закончилась, а гражданская только разгорается и будущее страны застлано пороховым дымом? Нужна ли вообще авиация зарождающемуся Советскому государству? Ответом «да» стал приказ о создании Центрального аэрогидродинамического института, подписанный ровно век назад — 1 декабря 1918 года.
Практически все советские самолеты испытывались здесь. Его аэродинамические трубы не имеют аналогов. Всемирно известные деятели науки, чьи имена вошли в учебники по аэро- и гидродинамике, посетив его, хвалебно отзывались о талантах русских коллег. Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) входит в число крупнейших научных центров не только России, но и всего мира.
За 100 лет существования ЦАГИ в его стенах выросло несколько поколений прославленных ученых и инженеров. Авиаконструкторы применяли полученные ими результаты при создании самолетов и вертолетов, архитекторы — домов и мостов, машиностроители — автомобилей, вагонов и кораблей. Со временем ЦАГИ стал основой авиационной промышленности государства.
Навстречу новой эре
Первым идею создать центр аэродинамических исследований высказал Николай Егорович Жуковский — пионер авиационной науки в России. В начале ХХ века имя Жуковского было широко известно в кругах адептов воздухоплавания. Выведенная им формула расчета подъемной силы и работы по аэродинамике легли в основу создания летательных аппаратов. Член-корреспондент Императорской Академии наук и профессор Императорского Московского технического училища много внимания и сил уделял экспериментам. Ему помогали ученики, которые сами впоследствии стали учеными мирового уровня, — Дмитрий Рябушинский, Борис Стечкин, Сергей Чаплыгин, Андрей Туполев и другие. Часть опытов проходила на базе училища, часть — в Кучинской аэродинамической лаборатории, но стремительно развивающаяся наука требовала централизации и самых современных технических достижений.
ЦАГИ отмечает день рождения 1 декабря — именно в этот день в 1918 году институт был учрежден постановлением Научно-технического отдела ВСНХ РСФСР. В переломные для истории времена страна стремилась следовать пути мирового прогресса, одной из важнейших слагаемых которого была авиация.
В состав ЦАГИ вошли Аэродинамическая лаборатория МВТУ и Авиационное расчетно-испытательное бюро, к которым год спустя присоединилась Кучинская аэродинамическая лаборатория. Параллельно в Москве на улице Радио началось строительство ЦАГИ (сейчас — Научно-исследовательский Московский комплекс).
Первым руководителем института стал Н.Е. Жуковский, а с 1921 года на смену профессору пришел его ученик Сергей Чаплыгин. При нем ЦАГИ обзавелся самой передовой по тем временам экспериментальной базой, а специалисты разработали теории крыла, воздушного винта, устойчивости и управляемости самолета, флаттера (опасного явления, способного разрушить крыло или лопасть воздушного судна). В 1922 году А.Н. Туполев, возглавлявший самолетный отдел ЦАГИ, построил первый в нашей стране цельнометаллический самолет — АНТ-2.
В 1933 году в районе станции Отдых Казанской железной дороги (сейчас город Жуковский) началось строительство второй площадки ЦАГИ. Менее чем за пять лет на полях в пойме Москвы-реки выросли корпуса с большими аэродинамическими трубами и залами для прочностных испытаний, в том числе крупнейшая в Европе аэродинамическая труба института Т-101 и вертикальная труба Т-105. Примечательно, что за ходом всех работ следили сами ученые. Они давали рекомендации по устройству и оснащению новых экспериментальных установок.
В первые годы специалисты института вели и научную, и конструкторскую работу (под руководством А.Н. Туполева), но задачи становились все сложнее, технологическая цепочка — длиннее, и из ЦАГИ один за другим стали выделяться специализированные институты — ЦИАМ (1930), ВИАМ (1932), ЛИИ (1941), СибНИА (1946). Отдел самолетостроения в 1936 году был преобразован в ставшее знаменитым КБ Туполева.
К 1938 году сотрудники ЦАГИ добились значительных результатов: разработали и организовали производство основного конструкционного материала в авиации того времени — дюралюминия, создали руководство для проектирования и нормы прочности летательных аппаратов и научились предотвращать флаттер.
Начало Великой Отечественной войны помешало научным планам института. Исследования и строительство новых аэродинамических труб пришлось экстренно прекратить — советское правительство подписало указ об эвакуации некоторых отделов ЦАГИ в Новосибирск и Казань. Но даже в таких непростых условиях специалистам удалось создать более быстрые и маневренные боевые самолеты серий Ла, Як, МиГ и др.
После Победы наступил новый этап в развитии института — на первый план вышли большие скорости и реактивная авиация. Изыскания академиков С.А. Христиановича и В.В. Струминского привели к развитию аэродинамики больших скоростей и теории стреловидного крыла, которые в наше время применяются при создании сверхзвуковых (летающих быстрее скорости звука) самолетов.
В разработке новых крылатых машин ЦАГИ играл две роли. На первом этапе ученые формулировали конструкторским бюро рекомендации, а потом испытывали готовый летательный аппарат и давали ему экспертную оценку. В 1960-е годы они предложили компоновки самолетов с крылом изменяемой стреловидности, которые можно увидеть на МиГ-23, Ту-22М, Ту-160, Су-24, исследовали транспортные Ил-76 и Ан-124, сверхзвуковой Як-141. Позднее научный задел ЦАГИ использовался при создании истребителей четвертого поколения — Су-27 и МиГ-29. Много внимания уделялось и пассажирским летательным аппаратам — после испытаний в институте в воздух поднялись реактивный Ту-104, пассажирские Ту-154, Ил-86, Ил-96, Ту-204, Ту-334, а также единственный в СССР (и один из двух в мире) сверхзвуковой авиалайнер Ту-144.
ЦАГИ не только участвовал в создании самолетов, но и исследовал аэродинамические, акустические и прочностные характеристики спутников и космических кораблей, построенных в стране. Но самым масштабным проектом стала разработка авиакосмической системы «Энергия—Буран». Перед специалистами стояла сложнейшая задача — построить орбитальный космический корабль-космоплан с ракетой-носителем. Помимо ЦАГИ, в работах было задействовано 1285 советских предприятий и свыше миллиона человек. Институт проводил исследования по аэродинамике, разработал рекомендации по геометрии аппаратов, изучал тепловые режимы полета и оценивал диапазоны ожидаемых в натуре отклонений всех необходимых аэродинамических коэффициентов. В 1988 году возвращаемый летательный аппарат «Буран» осуществил уникальную посадку в автоматическом режиме.
Темпы работы высоки и в наше время. Ученые ЦАГИ активно трудятся над важнейшими для российской авиационной промышленности проектами — региональным самолетом «Сухой Суперджет 100», ближнесреднемагистральным самолетом МС-21, истребителем пятого поколения Т-50, широкофюзеляжным дальнемагистральным самолетом и др. Институт гордится достижениями в фундаментальной и прикладной науке — от аэро- и гидродинамики, аэроакустики, динамики полета до прочности конструкций летательных аппаратов.
За большой вклад в развитие авиационно-космической науки и техники ЦАГИ награжден орденами Трудового Красного Знамени (1926), Красного Знамени (1933), орденом Ленина (1945), Почетной грамотой Президиума Верховного Совета РСФСР (1968), орденом Октябрьской Революции (1971). В 1998 году ЦАГИ объявлена благодарность Президента России.
В 2014 году ЦАГИ, наряду с ЦИАМ, ГосНИИАС, СибНИА и ГкНИПАС, вошел в состав Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского», который призван эффективно координировать работу ведущих научных авиационных центров страны.
Аэродинамика
Какие ассоциации вызывает это слово? Самолеты, виражи, воздух, аэродинамические трубы? Все это есть в ЦАГИ. Здесь обязательно проходят испытания все создаваемые в России летательные аппараты. Помимо этого, за век работы ученым доводилось «продувать» в трубах скоростные поезда, автомобили, мосты, высотные здания, ветросиловые установки и другие промышленные объекты.
Исследуя воздушные суда, ученые измеряют множество характеристик — силы, моменты, распределения давления и нагрузок, подробно анализируют обтекание, ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое, испытывают модели с имитацией работы турбореактивных и турбовинтовых двигателей.
При создании новых российских самолетов, например, «Сухой Суперджет 100», ЦАГИ отвечает за выбор перспективных аэродинамических компоновок. «Суперджет» сертифицирован и осуществляет регулярные авиаперевозки, а институт переключился на следующие задачи — сейчас специалисты продолжают испытания самолета МС-21. При его проектировании была использована концепция нового композитного крыла, созданная ЦАГИ.
Вертолеты — вот еще одна обширная область изысканий. Научные сотрудники института предлагают конструкторским бюро и внедряют в практику методы совершенствования аэродинамических, аэроакустических и аэроупругих характеристик несущих и рулевых винтов, способы снижения вибраций. Проводятся исследования винтокрылых летательных аппаратов принципиально нового типа, например, с останавливаемым винтом-крылом, что позволит существенно повысить скорость полета по сравнению с обычными вертолетами.
Находятся возможности и для принципиально новых технических решений. Среди смелых проектов — самолет на криогенном топливе (сжиженный водород, природный газ), ламинаризация обтекания, глубокая интеграция силовой установки и планера.
Динамика полета и системы управления
В последние десятилетия внимание авиаконструкторов к системам управления (СУ) летательных аппаратов непрерывно растет. Автоматизированные СУ становятся определяющим элементом при проектировании современных самолетов практически всех типов и классов, ведь они улучшают характеристики устойчивости и управляемости, летно-технические и экономические характеристики самолета и существенно повышают безопасность полета.
И в этой области достижения ЦАГИ значительны — специалисты института анализируют устойчивость и управляемость летательных аппаратов, вырабатывают алгоритмы управления и помогают при разработке систем управления (в том числе дистанционных) самолетов различного класса: Ту-204, «Сухой Суперджет 100» и МС-21.
Система управления, насколько бы совершенной она ни была, не обходится без участия человека. Институт учитывает и это — расположенные здесь пилотажные стенды способны моделировать не только статичное управление самолетом или вертолетом, но и воздействовать на летчика, имитируя реальный полет — с перегрузками и поворотом кабины в пространстве. Эти технологии использовались при создании систем управления истребителей четвертого (семейства Су-27 и МиГ-29) и пятого (Т-50) поколений, многоразового космического корабля «Буран» и др.
Прочность летательных аппаратов
В ЦАГИ трудятся признанные специалисты в области прочности конструкций летательных аппаратов. Их задача — всесторонне испытывать самолеты и вертолеты, моделируя самые разные полетные ситуации. Они растягивают, скручивают, изгибают конструкции, накачивают фюзеляжи избыточным давлением, а иногда специально доводят образцы до разрушения, чтобы обнаружить их слабые места.
Сфера их работы чрезвычайно широка — расчет флаттера самолета с учетом физических процессов, происходящих в трансзвуковом потоке (скорость которого близка к скорости звука), испытания на прочность с одновременным воздействием на конструкцию силовых и климатических факторов — температуры и влажности, исследования в вертикальной (штопорной) аэродинамической трубе. Кроме того, ученые разрабатывают и тестируют новые технологии отслеживания повреждений в конструкциях из полимерных композитных материалов и исследуют ударочувствительные покрытия, которые служат для обнаружения малозаметных повреждений.
Благодаря специалистам ЦАГИ на прочность, аэроупругость и ресурс были испытаны самолеты Су-25, Су-35, Як-130, Ил-476, Т-50, Ил-112, «Сухой Суперджет 100», МС-21 и др. По результатам экспериментов ученые дают авиаконструкторам рекомендации по повышению прочности летательных аппаратов и их элементов.
Гидродинамика
Зачем при создании самолетов и вертолетов изучать течения жидкостей? Ответ — на географической карте страны. Малоосвоенным и труднодоступным регионам России тоже нужно авиатранспортное обслуживание, но зачастую строить взлетно-посадочные полосы трудно и даже невозможно. И здесь на помощь приходят летательные аппараты-амфибии, которые взлетают и садятся на воду.
Специалисты ЦАГИ разрабатывают новые технические решения для амфибийных самолетов, летательных аппаратов с шасси на воздушной подушке и на подводных крыльях, экранопланов, самолетов с шасси повышенной проходимости. Помимо этого, они дают рекомендации по безопасному выполнению вынужденной посадки на воду пассажирских самолетов.
Эксперты института участвовали в создании самого эффективного противопожарного самолета в мире — многоцелевой амфибии Бе-200 — и его важнейших частей — системы забора воды и системы сброса воды над очагами возгораний.
Еще одним важным проектом стала разработка автоматически управляемых гидродинамических элементов механизации крыла для скоростных глиссирующих судов. Они не имеют аналогов и применяются на современных отечественных аппаратах.
Ученые института проводят исследования для разработки ракет-торпед нового поколения, существенно превосходящих предыдущие образцы по всем основным тактико-техническим показателям.
Аэроакустика
Авиационный шум — один из самых вредных факторов влияния воздушного транспорта на окружающую среду. Он не только доставляет дискомфорт людям, но и влияет на прочность летательных аппаратов и работоспособность бортовой аппаратуры.
ИКАО (Международная организация гражданской авиации) устанавливает и постоянно ужесточает требования по уровню шума летательных аппаратов. Эти требования обязательны, поэтому они становятся важнейшим параметром конкурентоспособности самолета и возможности его эксплуатации на международных и национальных авиалиниях.
Ученые-аэроакустики ЦАГИ исследуют проектируемые и уже летающие воздушные суда и ищут способы снижения уровня шума на местности и в пассажирском салоне. Так, с их помощью обеспечено выполнение требований норм ИКАО для самолетов Ту-134/154, Ил-62/76/86/96, Ту-204/214, «Сухой Суперджет 100» и снижен уровень акустических нагрузок на Як-42, Ту-154/204, Ил-92/86/96, «Сухой Суперджет 100». Сейчас специалисты института работают над соответствием нормам ИКАО перспективного авиалайнера МС-21.
Аэрокосмические исследования
Баллистическая ракета Р-7, спускаемый корабль «Восток», космические аппараты «Луна», «Венера», «Марс», «Фобос-Грунт», многоразовый комплекс «Энергия—Буран», Международная космическая станция, спутники KAZSAT и «Экспресс-МД», ракеты-носители космического назначения «Протон» и «Ангара», проекты многоразовых космических транспортных систем — далеко не полный список космических проектов с участием ЦАГИ. Институт комплексно решает проблемы аэротермодинамики, динамики и управления, прочности и акустики, силовых установок ракетно-космической техники. Исследования охватывают все этапы полета: выведение в космическое пространство, возвращение отделяемых частей, орбитальные маневры и межпланетные перелеты, вход в атмосферу Земли и планет, автоматическую посадку.
Промышленная аэродинамика
На поверхности Земли ветер со скоростью 20–25 м/с — шторм, а на высоте 300 м такие скорости — вполне нормальное явление. Высотные конструкции, будь то небоскребы, памятники или мосты, также попадают в поле внимания ученых ЦАГИ. Для исследования ветровых нагрузок и обеспечения оптимальной материалоемкости и устойчивости сооружений специалисты института продувают модели в аэродинамических трубах. Среди объектов таких экспериментов — мемориал Победы на Поклонной горе, новая Соборная мечеть в Москве, здание «Федерация» Московского международного делового центра «Москва-Сити», скульптура В.Мухиной «Рабочий и колхозница» и мосты через реки Белая, Обь, Москва.
Помимо этого, в аэродинамических трубах и на стендах необращенного движения ЦАГИ испытываются железнодорожные составы, поезда метрополитена, дирижабли и другие транспортные средства.
Вопросы экологии и использования возобновляемой энергии ветра также занимают умы ученых института. ЦАГИ располагает современными методами и программами расчета ветросиловых установок, возможностями испытания их масштабных моделей и натурных агрегатов в аэродинамических трубах.
Институт удерживает лидирующие позиции в области аэродинамического проектирования промышленных вентиляторов и компрессоров. Специалисты используют испытательные стенды и сложные математические модели, чтобы найти оптимальное сочетание размеров, массы, энергопотребления и акустических требований для новых вентиляторов. А при помощи математического моделирования течений воздуха оценивается эффективность и отрабатываются технические решения для систем вентиляции и дымоудаления (например, в автодорожных тоннелях).
Экспериментальная база
Оборудование, которое собрано в стенах ЦАГИ, можно назвать уникальным. Установки, не имеющие аналогов по точности и сложности измерений, современные электронные системы на фоне множества аэродинамических труб — такова технологическая база института. Комплекс аэродинамических труб и газодинамических стендов ЦАГИ состоит из почти 60 установок, обеспечивающих моделирование условий полета при скоростях от 10 м/с до чисел Маха[1], равных 25.
Большие дозвуковые аэродинамические трубы Т-101 и Т-104 позволяют проводить испытания на режимах взлета и посадки крупногабаритных моделей пассажирских, транспортных самолетов, маневренных самолетов с вооружением, вертолетов, воздушных винтов, натурных крылатых ракет с работающим двигателем. Кроме того, в этих трубах исследуются аэродинамика, устойчивость, управляемость, бафтинг[2] и флаттер летательных аппаратов при дозвуковых скоростях.
Дозвуковые трубы Т-102 и Т-103 используются для изучения аэродинамических характеристик самолетов, определения аэроупругости летательных аппаратов и гражданских сооружений.
Вертикальная дозвуковая аэродинамическая труба Т-105 служит для исследования аэродинамических характеристик вертолетов и самолетов, в том числе на случай штопора[3].
В трансзвуковых аэродинамических трубах (то есть трубах, поток в которых разгоняется до скорости звука) Т-106, Т-128 специалисты испытывают модели военных и гражданских самолетов и их вооружения. Т-128 может похвастаться системой адаптивной перфорации — в ее стенках могут появляться и исчезать отверстия. Это позволяет сильно снизить влияние корпуса трубы на характеристики модели, что очень ценно, ведь известная трудность таких испытаний — в реальном полете стенок вокруг самолета нет, и их наличие в трубе может ухудшить точность эксперимента.
Есть в ЦАГИ и сверхзвуковые аэродинамические трубы — Т-109 и Т-113. Здесь ученые испытывают модели сверхзвуковых самолетов и ракет, разгоняя поток воздуха вплоть до числа Маха 6. В таких условиях специалисты тестируют системы управления и конструкции летательных аппаратов. Если ракеты небольшие, то в этих трубах их можно исследовать даже с включенными двигателями.
Но и это еще не предел. В гиперзвуковых аэродинамических трубах Т-116 и Т-117 воздух обтекает модели гиперзвуковых самолетов, ракет, космических аппаратов со скоростями, почти в 20 раз превышающими скорость звука.
Одна из опасностей, подстерегающих воздушные суда в полете, — это обледенение. Его в ЦАГИ изучают с помощью аэрохолодильной трубы. Учение исследуют механизм образования обледенения, его влияние на аэродинамические характеристики самолетов, методов борьбы с ним и эффективность работы противообледенительных систем.
Помимо аэродинамических труб, в институте работают несколько лабораторий. В лабораториях прочности проводятся статические и ресурсные испытания летательных аппаратов и их частей. В настоящее время среди объектов экспериментов — самолеты МС-21 и Як-152.
В лабораториях теплопрочностных, акустических и климатических испытаний на конструкции воздействуют шумом, силовыми нагрузками, изучают их работу в экстремальных погодных условиях.
Задачи гидродинамики решаются в ЦАГИ с помощью специального бассейна. В частности, сотрудники института исследуют воздушные суда, способные взлетать и садиться на воду, и изучают случаи вынужденной посадки на воду сухопутных самолетов и вертолетов.
Пилотажные стенды, о которых упоминалось выше, вместе с вычислительными комплексами ЦАГИ позволяют протестировать системы управления и моделировать динамику движения аппаратов в связке «машина — человек». Летчики получают полное ощущение реального полета, а специалисты института следят за их состоянием и возможностью пилотировать.
Помимо всего перечисленного, ЦАГИ располагает передвижными виброизмерительными лабораториями, двигательными и компрессорными стендами.
Измерительная техника и метрология
Даже самые изобретательные эксперименты ничего не стоят, если не обеспечить их точность и соответствие реальности. ЦАГИ держит высокую планку качества исследований — оборудование и методология измерений отвечают российским и международным стандартам.
Ученые постоянно совершенствуют и создают новые, более качественные, а иногда уникальные приборы и способы проведения экспериментов, особенно в области аэродинамики — ключевой сферы компетенции института.
Специально для исследований моделей летательных аппаратов в аэродинамических трубах специалисты создали несколько видов многокомпонентных тензометрических весов. Приборы не уступают лучшим мировым аналогам. Благодаря им удается измерять аэродинамические нагрузки при скоростях потока до числа Маха 20, температурах до 1700˚С и в экспериментах, длящихся доли секунды.
По сравнению с тем, как работы в трубах и на испытательных стендах проводились во времена СССР, сегодня исследования намного более автоматизированы. Ученые института создали и успешно применяют информационно-измерительные и управляющие системы нового поколения. С ними эксперименты стали быстрее и проще, а результаты — точнее.
Любопытный пример — применение в ЦАГИ бесконтактного оптического измерения полей давления методом люминесцентных преобразователей давления. Специалисты могут измерить давление и температуру на поверхности модели на расстоянии, не искажая поток воздуха дополнительными приборами, а это еще больше приближает эксперимент к реальности.
Научно-производственный комплекс
Именно здесь проектируются и создаются аэродинамические модели, опытные конструкции из металлических и композиционных материалов, тензометрические аэродинамические весы и другое нестандартное оборудование. Специалисты научно-производственного комплекса не только занимаются изготовлением, но и ищут способы усовершенствовать конструкции моделей (размером до 18 м) и повысить качество их изготовления. Кроме того, сотрудники комплекса развивают математические методы автоматизации проектно-конструкторских работ и соответствующее программное обеспечение. Плоды их работы используются при исследованиях в аэродинамических трубах ЦАГИ и других мировых научных центрах...
полная версия
1942 - Начало контрнаступления советских войск под Сталинградом. День ракетных войск и артиллерии.
1977 - Завершены заводские летные испытания опытного самолета Су-25 (Т8-2Д).
