Взлетая с чертежной доски: Большие планы

Самолет будущего будет и безопаснее, и умнее: он просто не позволит довести ситуацию до катастрофы. Новые системы управления полетом могут сделать пилотирование летательных аппаратов таким же простым, как вождение автомобиля.
Джефф Уайз
1
16240

Пилот-испытатель NASA Крэг Бомбен находился в кабине экспериментального модернизированного истребителя F-15 Eagle на высоте около 6 км под ясным голубым небом пустыни, когда нос самолета неожиданно задрался. Ситуация оказалась одной из самых кошмарных в авиационной практике: заклинило управляемый стабилизатор, выполняющий функции руля высоты. «Такое почувствовать — врагу не пожелаешь, — вспоминал позже Бомбен. — Стабилизатор может отказать по тысяче причин — из-за сбоя в дистанционной системе управления, заедания привода, попадания ракеты. Но в любом случае, что бы ни было причиной, дело швах. На этом самолете вы домой уже не вернетесь».

К счастью для пилота, сбой стабилизатора был плановым: шло испытание новой системы, которая должна выручать при попадании в подобную ситуацию. Разработанная в летно-исследовательском центре NASA им. Драйдена, расположенном в Эдвардсе, штат Калифорния, «интеллектуальная система управления полетом» (Intelligent Flight Control System) способна быстро адаптироваться в нештатной ситуации. Через одну восьмидесятую долю секунды система смогла выявить неполадку (в данном случае созданную искусственно), а меньше чем через две секунды она уже подстроила положения остальных аэродинамических управляющих поверхностей (элеронов и руля направления) так, чтобы скомпенсировать заклиненный стабилизатор. «Сначала чувствовалось некоторое ухудшение управляемости и других летных характеристик, — рассказывает Крэг Бомбен, — но уже через 30 секунд самолет вел себя в точности так же, как обычный серийный Eagle».

Описанная здесь система — лишь один пример из потока новых изобретений, которые сейчас одно за другим сходят с чертежных досок, поступают на стендовую обкатку, продувку в аэродинамических трубах и передаются дальше, на модельные испытания. Каждое из этих нововведений обещает сделать полет более безопасным, более эффективным, но если их использовать все вместе, то они способны произвести настоящую революцию.

С самых первых лет существования авиации многие горячие головы пытались проделать с самолетами то, что блестяще осуществил Генри Форд в отношении автомобилей — сделать их общедоступными. Однако эти мечты неоднократно разбивались о суровую действительность — техника в своем развитии никак не поспевала за дерзкими проектами. Как ни собирай самолет, он все равно оказывается очень трудной в управлении машиной. К тому же он слишком дорог, чтобы выступить в роли массового транспортного средства, а наведение порядка в тучах летательных аппаратов, которыми кишмя кишит современное небо, представляется и вовсе неразрешимой задачей. Тем не менее уже близок день, когда все новые разработки объединятся в одном аппарате и мы достигнем так долго ускользавшей цели — самолета, доступного каждому.

Пока никто не знает, как будет выглядеть эта машина, хотя многие пытаются угадать, и зачастую весьма компетентно (смотри врезку «Самолет будущего», где редакция Popular Mechanics отобрала самые смелые и перспективные модели из множества профессиональных и любительских проектов). Ждать, может быть, осталось не так уж и долго. Инженеры из NASA и его основных аэрокосмических подрядчиков уже ринулись к своим кульманам, и на свежих листах бумаги вот-вот проступят очертания нашего будущего.

Исследовательский центр NASA им. Лэнгли недавно представил отчет, посвященный будущему «летательному аппарату индивидуального пользования» (Personal Air Vehicle, PAV). Как утверждается в этом отчете, подобный аппарат смог бы наконец разрубить гордиев узел проблем, связанных с перегруженностью наземного транспортного движения. Люди путешествуют все больше и дальше, и поездки отнимают у них все больше времени. Ожидается, что в течение ближайших 20 лет средняя скорость на главных магистралях, например, Лос-Анджелеса должна снизиться на целую треть — с 53 до 35 километров в час. Может быть, жители этого города и не отважатся в обозримом будущем решительно подняться над своими автомагистралями и ежедневно гонять на работу на собственном самолете, но уж выбраться на однодневный пикник — например, в Напа-Вэлли — по воздуху будет вполне удобно.

Если все пойдет именно так, как было задумано, в недалеком будущем обычный человек сможет сесть в собственный самолет, разогнаться по короткой взлетной полосе и улететь за сотню или тысячу километров на скорости 300 км/ч. Пока не совсем ясно, будут ли эти самолеты летать самостоятельно, или же просто они будут достаточно автоматизированы, чтобы ими смог управлять минимально подготовленный пилот. Массовое производство приведет к резкому снижению цен на подобные машины, так что собственный самолет будет по карману миллионам людей. Конечно, цену на горючее предсказать трудно, но стоимость PAV, по прогнозам Центра им. Лэнгли, упадет до сотни или даже до семидесяти пяти тысяч долларов.

Чтобы поближе познакомиться с одной из авиасистем будущего, давайте прокатимся до самого конца Виргинского полуострова — это полтора часа езды от Ричмонда — и свернем на парковку Исследовательского центра им. Лэнгли. Внутри зала, занимающего по высоте три этажа, где под потолком умещается кранбалка и механизм шестикоординатного позиционирования, группа инженеров хлопочет вокруг макета, который может стать основой для самолетных кокпитов следующего поколения. Кабина-прототип, названная Synthetic Vision System, должна предоставить пилоту полное представление об окружающей обстановке — даже если полет происходит в тумане, в облаках и в кромешной темноте.

Прямо перед лицом пилота расположены мониторы, дающие информацию о высоте, курсе и скорости. Создатели Synthetic Vision пошли дальше, подключив блоки, сообщающие о присутствии в непосредственной близости других летательных аппаратов и отображающие компьютеризованную картину окружающего ландшафта, которая независимо от условий видимости дает ясное представление о положении самолета. Стоит только ввести координаты пункта назначения, и на дисплее тут же прорисуется виртуальный маршрут — трехмерное «шоссе в небесах», так что пилоту останется всего лишь рулить вдоль этого шоссе.

В нынешнем году Центр им. Лэнгли должен начать работу над новой версией интегрированной интеллектуальной аппаратуры самолетного кокпита. Она будет постоянно в режиме реального времени выводить данные о погоде и поддерживать связь с новой наземной системой управления воздушным трафиком. К 2025 году NASA и Федеральное управление гражданской авиации Соединенных Штатов Америки планируют ввести в строй систему управления воздушными перевозками следующего поколения. Она должна отменить сегодняшнюю систему строго фиксированных маршрутов и непрерывной голосовой радиосвязи между пилотом и диспетчером. Вместо этого будут организованы зоны свободных транспортных потоков, а размещенные на земле компьютеры-диспетчеры будут поддерживать цифровую связь с электронными системами находящихся в воздухе самолетов. Наземная система управления воздушным движением вместо того, чтобы сообщать пилоту, куда ему лететь, просто будет передавать необходимые данные непосредственно на дисплей в приборной доске.

Цель всех этих проектов состоит в том, чтобы передать наиболее сложные и опасные функции из рук пилота под ответственность электронной «нервной системы» самолета. Это вплотную приблизит нас к тем временам, когда управление самолетом станет столь же легким, как и управление автомобилем. «Мы ставим перед собой цель повысить осведомленность пилота о складывающейся ситуации и снизить вероятность совершения им той или иной ошибки, — говорит Стив Янг, ведущий исследователь программы интегрированной интеллектуальной аппаратуры самолетного кокпита. — Пилоту свойственно ошибаться, поскольку он человек, однако, если у нас получится разработать такую систему, риск подобных ошибок будет сведен к минимуму».

Тем временем на Восточном побережье, в штате Виргиния, на полигоне острова Уоллопс, принадлежащему Центру космических полетов NASA, еще одна команда ищет новые подходы к управлению полетом. Эта группа разработала принцип гибкого управления, при поддержке которого разбить самолет будет попросту невозможно. Скоро эта разработка будет испытана на масштабной модели пассажирского реактивного лайнера. Как и система Synthetic Vision, она должна контролировать всю летную ситуацию, а в критический момент для предотвращения катастрофы будет брать управление на себя. Кроме того, она не позволит довести самолет до ситуации срыва потока и сваливания в штопор, когда пилот теряет власть над своей машиной. «Наш самолет будет вести себя как умная лошадь, — говорит Брайен А. Сили, президент фонда CAFE, который активно содействует развитию идеи PAV, — и благодаря новой аппаратуре его уже не заставишь сделать что-нибудь такое, что причинило бы ему вред».

Конечно, полет всегда будет связан с некоторой степенью риска, ведь даже если полностью исключить фактор человеческой ошибки, нельзя снять со счетов вероятность механического отказа. Когда в воздух поднимутся миллионы людей, от самолетов потребуется такая надежность, какой мы никогда прежде не знали. Оборудование типа Intelligent Flight Control System будет совершенно неоценимо, если встанет задача довести поврежденный или забарахливший самолет до места назначения, однако лучше было бы, конечно, вообще устранить возможность отказов.

К решению можно приблизиться, взяв на вооружение идею «встроенного контроля за самочувствием» (Integrated Health Management), согласно которой машина способна помочь себе сама. Уже много лет автомобили начиняют десятками датчиков и микропроцессоров, которые следят за исправным функционированием всей механики. Счастливые обладатели автомобилей, оборудованных системой OnStar компании General Motors, могут, к примеру, перекачать информацию с бортового компьютера-диагноста прямо в аналитический центр компании-производителя, а там всегда наготове специалисты, которые обсудят с водителем возникшие проблемы и без задержки помогут их решить. В будущем самолеты и другие сложные аппараты смогут сами заботиться о собственном здоровье, используя для этого самые изощренные методы.

На военно-морском испытательном полигоне в Патаксент-Ривер, штат Мэриленд, испытатели преднамеренно портят лопатки турбин, формируя в толще металла микротрещины, а затем проверяют, сможет ли система «встроенного контроля за самочувствием» проследить за ростом этих трещин и в нужный момент предсказать отказ турбины. Этот эксперимент представляет собой часть более широкой программы, которую отрабатывает DARPA (Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских разработок), центральная исследовательская организация министерства обороны США. Цель программы — разработка эффективных систем прогнозирования. Сейчас при обнаружении хотя бы крошечной трещины в одной из лопаток турбины весь двигатель обычно снимают на капитальный ремонт. Если же такая система сможет предсказать, что та или иная трещина не представляет непосредственной опасности, то самолет продолжит летать, а плановый ремонт можно будет отложить.

«А вот если какой-то узел действительно откажет всерьез, система мгновенно отреагирует на неполадку и выдаст вам в режиме реального времени указание на суть возникшей проблемы, — объясняет Лео Кристодулу, руководитель прогностической программы DARPA. — Сегодня пилота оповещает об этом просто загорающаяся на приборной доске аварийная лампочка. В будущем система сможет подробно и квалифицированно рассказать, что именно произошло и что следует предпринять в данной ситуации».

Ваш самолет, оценив опасность ситуации, может, к примеру, сообщить пилоту, сколько времени осталось в его распоряжении, прежде чем неисправность перерастет в критическую, и высветить список ближайших аэродромов, где имеется возможность совершить посадку и получить техническую помощь. Самолет может также располагать собственными средствами для самолечения. «Система способна воспользоваться специально запасенными для таких случаев ремонтными материалами. К примеру, если где-то начнут возникать трещины, она вскроет соответствующие капсулы, из которых вытечет клей и зальет образовавшиеся дефекты», — так рассказывает Кэролайн Мерсер, заместитель руководителя группы по разработке Aeronautic Vehicle Integrated Health Management System («Встроенная в летательный аппарат система самолечения») в исследовательском центре NASA в Кливленде, штат Огайо.

Конечно, идея самолета, который может прямо в полете сам себя вылечить, кажется весьма остроумной и привлекательной, однако публика ждет от авиаконструкторов другого — самолета, который летал бы без всякой помощи человека. «Отнюдь не каждый мечтает пройти курс обучения в летной школе», — говорит Каппуччио из компании Lockheed Martin. Если мы действительно хотим сделать частный самолет реальностью для широких слоев, инженерам нужно напрячься и построить аппарат, который мог бы обходиться без пилота, или, по крайней мере, такой, управлять которым было бы по силам любому, кто способен получить водительские права.

Сейчас авионика достигла столь высокого уровня, что беспилотные летательные аппараты (Unmanned Aerial Vehicles — UAV) в стандартных условиях легко могут самостоятельно взлетать, проходить заданный маршрут и самостоятельно же приземляться. Системы управления PAV вполне могут эволюционизировать из подобных же аппаратов. К примеру, беспилотным аппаратом Global Hawk компании Northrop Grumman управлять не намного сложнее, чем браузером интернета. «Вам не потребуется практически никаких пилотажных навыков, — говорит Рик Людвиг, директор отдела беспилотных аппаратов Northrop Grumman, — просто берете мышку, подводите курсор к тому месту на карте, куда вы собираетесь лететь, и нажимаете клавишу. Дорогу в нужную точку ваш самолет найдет сам».

Конечно, далеко не каждая из описанных здесь технических идей найдет свою дорогу в открытое небо, и не нужно удивляться, если вперед вырвутся совсем другие решения, которые сейчас трудно даже предвидеть. Если кто-нибудь уже завтра попытается продать вам самоуправляемый летательный аппарат, не советую даже торговаться — прежде чем все детали этой машины срастутся воедино, должно пройти еще довольно много времени — не меньше двух десятилетий. Но когда это произойдет, мы станем свидетелями самой потрясающей эпохи в истории авиации с тех времен, когда Орвилл Райт впервые совершил свой короткий полет.

«Сейчас следует ждать радикальных подвижек в общественном сознании, — говорит Брайен А. Сили из фонда CAFE. — Когда удобство, практичность и ценовая доступность сделают PAV привлекательным для широких масс, произойдет настоящая революция, подобная той, что произошла с распространением сотовых телефонов. Через 20−30 лет наши способности передвигаться по воздуху переживут взрывоподобное развитие».

Самолет будущего

Самолеты класса PAV появятся в небе лет через двадцать, а пока каждому дозволено гадать, на что они будут похожи. Чтобы получить хотя бы смутное представление о том, чего нам ждать, мы обратились к Остину Майеру, создателю программы X-Plane — авиационного симулятора, дающего возможность сконструировать и облетать свой собственный аппарат. Майер обратился к сообществу энтузиастов на интернет-сайте X-Plane.com и предложил показать, на что они способны, если использовать параметры, соответствующие двигателям, авионике и несущим конструкциям, которые можно ожидать в 2020 году. Участникам эксперимента был отпущен весьма сжатый срок — всего три недели — на разработку и летные испытания виртуального аппарата, однако они отнюдь не ударили в грязь лицом. Здесь мы приводим несколько самых интересных конструкций.

AADX450TJ

Этот реактивный низкоплан с Т-образным горизонтальным оперением разработал конструктор Джейсон Чандлер. Элегантные линии его фюзеляжа наглядно демонстрируют, на что способны современные композитные материалы. Аэродинамически совершенный, этот самолет будет хорошо приспособлен и для частного использования, и для работы в роли районного такси.

Longsoar

Этот двухбалочный самолет с двухкилевым хвостовым оперением, сконструированный Широ Акаиши, похож на транспортный самолет C-82 Packet, но кили скошены внутрь. Благодаря высокой тяге и экономичности этот самолет должен хорошо себя показать в дальних перелетах на высоких скоростях.

Flying Wing

Проект Пата Келба напоминает знаменитый YB-49 Джека Нортропа, хотя его нельзя назвать настоящим летающим крылом из-за маленьких управляющих плоскостей на законцовках. В симуляторе аппарат ведет себя хорошо, но испытывает проблемы с управлением по курсу, характерные для всех летающих крыльев.

X-Ion-T

Свою конструкцию Крис Армстронг оптимизировал для низкоскоростных полетов. Самолет получился легким и маневренным. Над кокпитом расположен большой стеклянный фонарь, а винт сделан толкающим, чтобы ничто не заслоняло обзор вперед. Машина предназначена для любителей красивых ландшафтов.

Трансформация в воздухе

Перед нами два самолета в одном — пятиметровый летательный аппарат с дистанционным управлением производства компании Lockheed Martin (разработан отделением Skunk Works в Палмдейле, Калифорния). Он использует складные крылья на двух рядах петель, что позволяет радикально менять форму прямо в полете. При полностью расправленных крыльях аппарат имеет оптимальную форму для долгого патрулирования на больших высотах. Когда крылья складываются и их внутренние секции прижимаются к фюзеляжу, самолет становится скоростным штурмовиком для уничтожения наземных целей. В конструкции аппарата использованы полимеры Veritex и Veriflex с памятью формы для обеспечения обтекаемого профиля. Этот аппарат разбился прямо на земле, при рулежке во время прошлогодних испытаний, однако он уже отремонтирован и готов к следующим испытательным полетам, которые пройдут нынешним летом. Когда-нибудь подобные же технические решения воплотятся и в самолетах класса PAV, сделав их более гибкими в преодолении неблагоприятных погодных условий, и позволят дилетантам летать не хуже профессионалов. Пока еще эти исследования направлены только на военные цели, однако принципы трансформации крыла могут глубоко повлиять и на гражданскую авиацию, не исключая и PAV.

Как птица в полете

Возможно, форма самолетов будущего будет меняться во время полета. Прошлой осенью инженеры из маленькой калифорнийской компании NextGen Aeronautics закрепили полутонное крыло в аэродинамической трубе Центра им. Лэнгли в Виргинии. Когда огромные вентиляторы погнали через трубу воздух на почти звуковой скорости, спрятанные в толще крыла приводные механизмы начали сжимать и растягивать сложную решетчатую алюминиевую конструкцию, а вместе с ней и обшивку, изготовленную из эластичного силикона. Законцовки крыльев двигались вперед и назад, изменялся размах и хорда крыльев. «Мы могли изменять площадь крыла больше чем на 50%, — говорит президент и основатель фирмы NextGen Джайант Н. Кадва. — Пять лет назад никто бы и не поверил, что это возможно. А скоро мы сумеем изменять и форму самого профиля крыла». Такая трансформация крыла открывает возможность использовать один самолет в различных целях. Военные хотели бы получить аппарат, который может выступать в роли высотного разведчика, а потом превращаться в скоростной штурмовик (крылья изменяемой стреловидности, как у F-14 Tomcat, имеют другое предназначение — оптимизировать поведение самолета на различных скоростях и режимах полета). «Самолеты рассчитываются под полеты на одной высоте и на одной скорости, — объясняет Кадва. — Однако при изменении условий полета хорошо было бы, если бы самолет тоже мог плавно менять форму, непрерывно поддерживая оптимальный аэродинамический режим». К примеру, при взлете и посадке или когда обстановка диктует в целях безопасности соблюдать минимальную скорость, желательно иметь крылья с большим удлинением и максимальной подъемной силой. Зато в крейсерском полете на высокой скорости стреловидное крыло позволит существенно экономить горючее. Как летящая птица постоянно подстраивает крылья, встречая порывы ветра и улавливая восходящие струи воздуха, самолет будущего должен будет непрерывно менять форму крыльев и управляющих плоскостей, а также тягу своего двигателя.

Без пилота в будущее

Тактико-технические характеристики беспилотного вертолета Northrop Grumman RQ-8A Fire Scout

Длина: 6,98 м

Диаметр ротора: 8,38 м

Высота: 2,87 м

Масса аппарата: 661 кг

Максимальная взлетная масса: 1200 кг

Скорость: 231 км/ч

Потолок: 6100 м

Продолжительность автономного полета: 5 часов

Двигатель: 420-сильный турбовальный Rolls-Royce/Allison 250-C20W

Огненный скаут

Беспилотный вертолет Fire Scout можно запрограммировать для доставки снаряжения в труднодоступные места. Он способен самостоятельно взлетать и приземляться.

Вас приветствует автопилот

Гражданская версия сможет перевозить грузы и выполнять функции курьера. В будущем им можно будет доверить перевозку людей, хотя специалисты выражают сомнение: «Поди найди пассажиров, которые согласятся сесть в вертолет, где в пилотской кабине никого нет».

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№46, август 2006).

Комментарии

1 комментарий