Когда мы слышим словосочетание «железная птица», то большинство из нас воспринимает его как метафору самолета, крылатой машины. Однако в реальности в самолете не так много железа, а на сленге профессиональных авиастроителей «железной птицей» называется нечто другое. То, что никогда не поднимается в небо.

Сегодня работа авиаконструкторов, конечно же, сильно отличается от того, что было десятилетия назад. Фактически, прежде чем воплотиться в «металле», будущий лайнер уже живет в виде виртуальных 3D-моделей узлов и деталей, а также математических моделей всех происходящих в нем и вокруг него процессов. И все же спроектировать самолет на компьютере, изготовить детали по трехмерным чертежам, осуществить сборку и тут же отправить машину в испытательный полет пока никто не решается. Математика должна встретиться с реальной «физикой» еще на земле, и для этого создаются специальные испытательные стенды, которые и называют «железными птицами». По сути «железная птица» представляет собой имитацию силовых конструкций планера, на которых смонтированы приводы подвижных элементов, таких как шасси, аэродинамические рули, механизация крыла. Также в стенде реализована система управления всеми этими системами.

Опыт мировых грандов

В принципе, «железные птицы» появились еще до эпохи всеобщей компьютеризации проектирования. Компания Airbus стала применять подобные стенды в начале 1970-х годов, в период работы над своим первенцем — широкофюзеляжным лайнером А300. И хотя с тех пор системы CAD-проектирования развились до небывалых высот, конструкторы по‑прежнему исходят из того, что просчитать все возможные последствия силовых нагрузок на планер в виртуале не удастся. Поэтому на специальных стендах самолетам гнут крылья. Поэтому строят «железных птиц».

В ходе работ над новейшим «карбоновым» A350 стенд соорудили на главной площадке Airbus в Тулузе. Кроме того, отдельные элементы «железной птицы» были изготовлены на заводе в английском Филтоне (система выпуска шасси) и в Германии (имитация крыла и его подвижных частей). Оба этих стенда соединялись с главной «птицей» с помощью высокоскоростного интернет-канала.

«Железные птицы» используются и главным конкурентом Airbus — американской корпорацией Boeing. При работе над Boeing 767 — последним из американских широкофюзеляжных лайнеров, где передача команд от органов управления к исполнительным механизмам еще осуществлялась исключительно с помощью тросов, — стенд выкладывался близко к форме самолета. А вот для Boeing 787 Dreamliner, в котором уже полностью реализована электродистанционная система управления (fly-by-wire), был разработан Integration Test Vehicle. Элементы ITV, в отличие от традиционной «железной птицы», располагались более свободно и одновременно более компактно, так как имитировать полную конструкцию планера не потребовалось. Конструкторы Boeing создавали стенд в сотрудничестве с поставщиками комплектующих, а эти компании в свою очередь строили собственные стенды, воспроизводящие те элементы «железной птицы», за которые они отвечали.

Как уже говорилось, «железная птица» в традиционном исполнении воспроизводит лишь силовые конструкции планера. На ней нет обшивки, в ней отсутствует макет салона, и вообще стенд лишь очень отдаленно внешне напоминает самолет. Однако известны исключения. В ходе разработки регионального лайнера C919 китайская компания COMAC обнародовала фото своей версии «железной птицы». Она выглядела почти как настоящий самолет и включала в себя макет салона.

Специалисты с стороны
В то время как в России «железными птицами» занимались сами самолетостроители, в зарубежной практике их монтаж часто проводят специальные фирмы.

Необычная задача

«Железные птицы» традиционно создавались и нашими авиастроительными КБ, но вот в новейшие времена ситуация несколько изменилась. Первой по‑настоящему постсоветской разработкой в области гражданской авиации стал, как известно, Sukhoi Superjet 100. Как было заявлено представителями «Гражданских самолетов Сухого», для нового регионального лайнера «железная птица» не строилась. Возможно, это было связано с тем, что «Суперджет» имет в своей основе значительное количество импортных комплектующих и узлов, которые уже достаточно отработаны производителями. Впрочем, знающие люди в отрасли говорят, что, вероятнее всего, в роли «железной птицы» выступал один из первых собранных испытательных образцов, который, возможно, так и остался наземным стендом и в небо не поднимался.

Совсем другая история с МС-21 — перспективным российским среднемагистральным лайнером. Поскольку это детище корпорации «Иркут» уже в гораздо большей степени можно считать российской разработкой, «железную птицу» решено было строить, причем не на базе «Иркута», а на базе московского Государственного научно-исследовательского института авиационных систем (ГосНИИАС). Этот знаменитый институт был создан правительственным постановлением за подписью И.В.?Сталина сразу после окончания Великой Отечественной войны и весь советский период занимался системами авиационного вооружения и авионикой для военных самолетов. Как рассказал «ПМ» научный руководитель ГосНИИАС академик Евгений Федосов, к гражданской тематике ГосНИИАС подключился только в 1990-е — в основном по причине отсутствия финансирования военных заказов. Тогда появился проект оснащения советского/российского лайнера Ил-96 американской авионикой Rockwell Collins и силовыми установками Pratt?&?Whitney (PW2337). В ходе работы над проектом ГосНИИАС впервые столкнулся с необходимостью сертифицировать отечественный самолет, получивший название Ил-96М в соответствии с американскими стандартами, которые для наших авиастроителей оказались буквально новой вселенной. Сертификат был получен, но в связи с кризисом 1998 года все работы по российско-американскому проекту были свернуты. Ил-96М в производство так и не пошел. Однако приобретенный опыт уже позволил институту принять активное участие в работах над «Суперджетом», и наконец перед ГосНИИАС встала новая амбициозная задача — создать «железную птицу» для МС-21.

Полёты наяву
С помощью «железной птицы» можно не только тестировать работу отдельных узлов, но и совершать «полеты», как на авиатренажере, отрабатывая систему управления в целом.

Ветер и торсионы

«Мы располагали математическими моделями всех общесамолетных систем, — говорит академик Федосов, — но опыта реализации их «в железе» у нас не было. Поэтому в строительстве «железной птицы» большую роль сыграли специалисты «Иркута». «Иркутом» была предоставлена б? льшая часть оборудования и ПО. В итоге мы получили стенд, на котором можем отрабатывать не только работу гидравлических приводов, но и всю идеологию управления этими системами».

«Железная птица» для испытаний по проекту МС-21 установлена в просторном помещении, явно специально подготовленном для строительства стенда. В некоторых местах пола сделаны углубления — если бы их не было, некоторые элементы было бы сложно разместить по высоте. В выкрашенных в серый цвет металлических фермах не сразу узнаешь очертания конструкций планера.

«Вот, например, передняя опора шасси, — объясняет Сергей Черных, начальник отдела испытаний самолетных систем. — Для первого полета по нормам летной годности мы должны отработать 500 циклов уборок-выпусков без единого отказа. Мы должны также убедиться, что в случае возникновения проблем корректно срабатывает сигнализация».

В реальности выпуск шасси происходит не в тиши испытательной лаборатории, а на открытом воздухе. При боковом ветре на раскрывающиеся створки действует нагрузка, которую тоже необходимо учесть в ходе тестов. На площадке нет никаких аэродинамических труб, зато предусмотрены специальные устройства — загружатели, имитирующие в данном случае давление ветра.

Конструкцией «железной птицы» предусмотрены также имитаторы аэродинамических нагрузок на рули и элементы механизации крыла (закрылки, предкрылки, интерцепторы). Например, при отклонении руля закручивается торсион, эмулируя тем самым сопротивление воздушной среды.

При расположении элементов стенда приходилось идти и на определенные компромиссы. Например, при испытании гидравлических систем важно, чтобы трубы, в которых находится жидкость, имели размеры, точно соответствующие тем, что предусмотрены для реального самолета. Однако растянуть трубы по всей длине не позволяют габариты помещения. Чтобы сократить расстояния, трубы закручивают в кольца, при этом диаметр колец должен быть достаточно большим, чтобы не приводить к повышению гидравлического сопротивления в системе. Другой компромисс: из-за ограничений по высоте основные стойки шасси вынесены из-под крыла в отдельные блоки. Чтобы компенсировать изменение перепада высот, пришлось менять диаметр гидравлического трубопровода.

Речь постоянно идет о гидравлике, и мы заодно поинтересовались, а не предусмотрен ли в новом самолете перевод части гидравлических приводов на электрические актуаторы, что вроде бы соответствует современным тенденциям в авиастроении. Как выяснилось, такие новшества были признаны для МС-21 нецелесообразными. Главной сложностью являются большие токи, которые требуются для приведения в действие электроприводов. На борту нужны очень мощные (а значит, тяжелые) генераторы, а вес проводов, согласно расчетам, оказался бы больше веса гидравлических трубопроводов. Кроме того, не решена проблема сильных наводок, возникающих при больших токах, и воздействия этих токов на электронную аппаратуру. «Железная птица» — это не просто лаборатория для проверки отдельных электрогидравлических и механических систем. Прообраз лайнера испытывается на земле как единое целое. Управление происходит из кабины, которая, в отличие от реальной, обладает упрощенным функционалом, однако вполне пригодна для выполнения виртуальных полетов в режиме взлета, посадки, движения на эшелоне: на разных высотах, при разных ветровых нагрузках, в условиях комплексных отказов. Разница с авиатренажером заключается в том, что на виртуальные команды «железо» откликается реальным движением и испытывает физическое воздействие имитаторов аэродинамических нагрузок.

Птица — навсегда!

Впрочем, наземная версия кабины МС-21 с полной реализацией всех систем управления тоже существует. Она находится в другом помещении ГосНИИАС и является центром управления стенда по интеграции всех электронных бортовых систем самолета — так называемого стенда прототипирования. В него интегрированы не только системы непосредственного управления самолетом, но и авионика, управление кондиционированием, топливной системой и многое другое, однако, в отличие от «железной птицы», никакого физического отклика действия пилота не вызывают. Полеты на нем происходят в генерируемой компьютером среде. Впрочем, оба стенда соединены высокоскоростным каналом передачи данных и могут участвовать в совместных программах испытаний.

Можно подумать, что «железная птица» — это что-то, создаваемое на очень короткий промежуток времени, до тех пор, пока не появится первый летный образец разрабатываемого лайнера. Однако это не так. В том же Airbus все «железные птицы», созданные под их модели пассажирских самолетов, работают до сих пор. Фактически жизнь «железной птицы» не может закончиться раньше, чем последний образец самолета, под который создавался стенд, не будет снята с эксплуатации. На «птице» станут отрабатывать последующие модификации лайнера, также стенд будет использоваться для разбора авиапроисшествий, вызванных отказами техники.

Факт 1: стенд прототипирования

Фото
Для непосвященных стенд прототипирования выглядит, пожалуй, интереснее, чем «железная птица». На нем с помощью больших жидкокристаллических панелей полностью воспроизведены индикаторы и инструменты управления, которые будут и в настоящей кабине МС-21. Задача стенда — отработка управления всеми системами, находящимися на борту самолета, проверка работы программного обеспечения, установленного на бортовые вычислители. Однако все физические явления (действие механизмов, аэродинамическая нагрузка) здесь эмулируются виртуально.

Факт 2: стенд мало напоминает самолет

Фото
В «железной птице» нет нужды полностью воспроизводить функционал пилотской кабины, однако этот стенд позволяет протестировать системы управления летательным аппаратом, что называется, «в металле». В покрашенных серым конструкциях не сразу можно опознать будущие элементы лайнера. Оранжевым цветом окрашены имитаторы силовых нагрузок.

Факт 3: разместить стенд непросто

Сложная система
В полную версию «железной птицы» могут включаться не только гидравлические системы, но и сами авиадвигатели. В других случаях используют компьютерную симуляцию работы силовых установок.
Довольно просторное помещение в ГосНИИАС пришлось серьезно адаптировать для размещения элементов «железной птицы». Были сделаны даже углубления в полу, чтобы соблюсти требуемое положение разных частей стенда по высоте.

Статья «Полёт на железной птице» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2016).