Обзор развития авиационной техники
Авиация - это в первую очередь - авиационная техника, а значит - самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты (летающие машины) тяжелее воздуха, которые поднимаются в воздух за счет подъемной силы элементов конструкции (крыло, лопасти), созданной набегающим воздушным потоком. Авиация - это также наука и производство (авиационная промышленность, авиационная технология), которые создают авиационную технику, и обеспечивают ее всем необходимым.
Техническое совершенство авиации (также как и техническое совершенство двигателей) прямым образом зависит от общего состояния науки, техники и промышленности (технологии), экономики, и косвенно отражает уровень развития страны - ее мощь и могущество.
Самолет и вертолет - это транспортные или иные средства тяжелее воздуха, предназначенные для перемещения (полетов) по воздуху и базированию (хранению) на твердой поверхности. Самолеты и вертолеты относятся к классу основной авиационной техники. Кроме самолетов и вертолетов, к авиации также относятся другие летающие машины (летательные аппараты), навигационное оборудование, а также специальные машины, вспомогательная техника для обслуживания и иных целей, радиоэлектронное оборудование и множество других машин и устройств, которые прямо или косвенно связанны с авиацией.
В самолетостроении можно условно выделить следующие категории летающих машин.
Гражданская авиация: сверхзвуковые пассажирские самолеты, широкофюзеляжные и узкофюзеляжные магистральные пассажирские самолеты, самолеты региональных воздушных линий, административные самолеты, транспортные гражданские самолеты и гражданский авиационный транспорт, самолеты специального назначения (авиация для сельского хозяйства, гидросамолеты, самолеты пожарой авиации, самолеты для разведки полезных ископаемых и аэрофотосъемки), и другая авиационная техника.
Военная авиация: стратегическая авиация (стратегические бомбардировщики, стратегические самолеты-разведчики, стратегические топливозаправщики, стратегические воено транспортные самолеты), самолеты воздушной системы дальнего обнаружения и наведения - АВАКС (авиационная система дальнего радиолокационного обнаружения целей и наведения самолетов-перехватчиков, самолетов-истребителей, других боевых самолетов или ракет, самолеты контроля и управления воздушным пространством), самолеты завоевания превосходства в воздухе (истребители, перехватчики), боевая тактическая авиация, боевые тактические самолеты (многоцелевые самолеты, самолеты-бомбардировщики, самолеты-штурмовики, самолеты-разведчики, военотранспортные самолеты и др.), самолеты и вертолеты армейской авиации (включая транспортные самолеты и вертолеты), малозаметные самолеты и вертолеты (малозаметные летательные аппараты, самолеты использующие стелс технологии), патрульные самолеты, беспилотные самолеты (беспилотные летательные аппараты) и другие виды (типы) авиационной техники.
Авиация специального назначения: патрульная авиация, спортивная авиация, гидросамолеты, самолеты пожарной авиации, самолеты для разведки полезных ископаемых и аэрофотосъемки, беспилотные самолеты (летательные аппараты) и другие типы авиационной техники.
Беспилотная авиация (не пилотируемая авиация), летающие роботы: самолеты, вертолеты и летательные аппараты, пилотирование которых осуществляется без присутствия пилотов (людей) на борту летательного аппарата.
Экспериментальная авиация: экспериментальные самолеты и летательные аппараты для проведения научно-исследовательских работ и изучения поведения в полете летательного аппарат.
Авиация, как часть аэрокосмической промышленности, использует самые лучшие достижения науки, самые новые технологии, самые передовые технические решения. Авиационная промышленность - это наукоемкое производство.
Развитие авиации и аэрокосмической промышленности дает импульс для развития огромного количества смежных отраслей промышленности, таких как: машиностроение, двигателестроение, станкостроение, приборостроение, радиоэлектроника, металлургия, химическая промышленность и другие. Развиваются огромные направления фундаментальных и прикладных наук: физика, химия, геология, астрономия и большое количество производных от этих наук.
Развитие авиации требует особого развития культуры производства, а значит и гармоничного развития культуры общества. От уровня развития авиации и всей аэрокосмической промышленности (т.е. от уровня аэрокосмической технологии) зависит уровень развития общества в целом, а это значит, что развитие авиации влияет на:
- на экономику и проблемы недостатка природных ресурсов;
- на состояние окружающей среды (экологию);
- на уровень развития промышленности;
- на всевозможные кризисы (энергетический кризис, экономический кризис, кризис в промышленном производстве, экологический кризис, кризисные процессы, сопутствующие им проблемы и возможные последствия от кризисов);
- на техническую и экономическую мощь государства и на др. повседневные проблемы.
Для успешного развития авиации и всей аэрокосмическойпромышленности необходимо проводить разнообразные исследовательские работы по различным направлениям.
Широкий круг исследований в таких областях, как: аэродинамика, динамика полета, прочность и строительная механика, аэроупругость, термодинамика, теория надежности и живучести, автоматизированные системы управления, контроля и безопасности, системы обеспечения жизнедеятельности, теория проектирования авиационных конструкций, методы летных испытаний и по ряду др. направлений, позволяют авиации улучшать и совершенствовать свои технические, экономические и эксплуатационные характеристики (параметры).
Знание принципов проектирования летательных аппаратов и авиационных конструкций является существенным дополнением в процессе проектирования, но не освобождает от знания фактов и законов природы, и от результатов обработки статистики.
Процесс проектирования летательных аппаратов включает решение следующих задач:
- Определение облика (аэродинамической конфигурации, компоновки, вида) летательного аппарата: конфигурации; размеров; необходимых параметров для достижения заданных заказчиком характеристик при условиях экстремальных значений критериев эффективности.
- Изготовление аэродинамически подобных моделей самолетов, вертолетов, летательных аппаратов, макетов и стендов для экспериментальных исследований, исправление проектного решения и апробирования (проверки и уточнения, коррекции, доработки) проектировочных решений.
- Выполнение технико-экономических исследований.
- Выполнение инженерных расчетов (расчеты аэродинамики и динамики полета с учетом обеспечения необходимой устойчивости и управляемости самолета, вертолета, летательного аппарата; расчеты на прочность, живучесть, надежность; весовые расчеты; расчеты по оптимизации и эффективности основных функций летательного аппарата и ряд других важных расчетов).
- Непосредственно сам процесс проектирования и другие важные работы и исследования.
На базе работ Ро́берта Уи́ллиса и Франца Рёло́ искусство проектирования превратилось в научную дисциплину (вторая половина XIX в.), которая включает в себя огромные сведения из различных наук. В развитие науки проектирования авиационных конструкций (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов и др. летающих машин, их узлов и элементов) огромный вклад внесли работы профессоров А.А. Бадягина, С.М. Егера, М.Н. Шульженко и др., а также Э. Торенбика, Д. Кюхемана и многих других специалистов, исследователей и ученых.
Среди всевозможных задач общего проектирования летательных аппаратов выделяются его основные направления: аэродинамическое проектирование, схемно-компоновочное проектирование, весовое проектирование, конструктивно-силовое проектирование. Между этими направлениями проектирования существуют прямые и обратные связи.
Кроме указанного деления на функциональные составляющие по признаку специализации (аэродинамика, компоновка, прочность и т.п.), процесс проектирования самолетов (вертолетов, летательных аппаратов и др. летающих машин) разделяется на периоды, которые различаются: - задачами; - характером выполняемых работ; - технологией и методами проектирования.
К ним относятся следующие этапы проектирования:
- определение требований к изделию (разработка технического задания на проектирование изделия);
- предэскизное (предварительное) проектирование изделия (разработка технического предложения);
- эскизное проектирование (техническое проектирование) изделия (разработка эскизного проекта изделия);
- рабочее проектирование изделия (разработка рабочего / детального проекта изделия).
Развитие методов оптимизации, глобальное применение вычислительной текники и использование систем автоматизированного проектирования (САПР), параллельное проектирование конструкций и технологии их серийного изготовления, прогнозирование, стремление максимального снижения затрат и издержек производства и эксплуатации авиационной техники - сильно изменили весь процесс проектирования, подняли его на новый качественный уровень.
Но никакая автоматизация процессов проектирования и конструирования не в состоянии исключить творчества и индивидуальности конструктора (инженера-конструктора). Об этом свидетельствует появление новых методов аэродинамического проектирования. Эти методы включают в себя новые технические и новые технологические решения, и позволяют в совокупности повысить эффективность новых авиационных машин в 1.20-1.90 раза в зависимости от компоновки и глубины проработки проекта.
Важно то, что эти новые методы можно использовать уже сегодня не только в авиации, но и при проектировании других машин и механизмов, а через 7 - 10 лет предложить на рынок серийные изделия - самолеты, вертолеты, летательные аппараты и другие летающие машины, выполненные с учетом новых методов проектирования, которые включают в себя новые технические и новые технологические решения с использованием новых технологий.
Системы автоматизированного проектирования могут только помочь человеку, но не могут заменить его, особенно в принятии решений. Но системы автоматизированного проектирования играют очень важную роль - эти системы позволяют использовать способы многовариантной разработки проектов, сделать сравнительный анализ по заданным критериям, и на базе этих критериев предложить наилучшие варианты технических решений.
Процесс проектирования превратился в системное проектирование (системный анализ), где любая составляющая некоторым образом влияет на все остальные части и систему в целом. То есть создаются связи между тем, что необходимо, и тем, что целесообразно и технически возможно.
Кроме того, системы автоматизированного проектирования позволяют:
- стабилизировать сроки проектирования (не превышать их выше лимитированных);
- более качественно прорабатывать проектируемые варианты конструкции;
- взять на себя рутинную работу;
- выполнить численное моделирование;
- провести численный эксперимент.
Все это позволяет снизить стоимость проектирования, и обеспечить достоверные и предсказуемые результаты и параметры авиационных машин (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов и др. авиационной техники).
Самый важный аспект в повышении эффективности авиационной техники - фундаментальные разработки и исследования в таких областях, как: аэродинамика, динамика полета, прочность и строительная механика, аэроупругость, термодинамика, теория надежности и живучести, системы управления (включая авионику и приборное оборудование), системы обеспечения жизнедеятельности, теория проектирования авиационных конструкций, технология авиастроения (самолетостроение, вертолетостроение), авиационные конструкционные материалы, технологии и методы летных испытаний, авиационные двигатели и двигателестроение,и др. направления.
Таким образом, для повышения эффективности авиационной техники, необходимо выполнить огромный объем работ, который требует постоянного внимания, организации, систематизации и значительных затрат ресурсов (времени, людей, материальных средств). От того, насколько эффективно будут использоваться эти ресурсы, и будут зависеть достижения во всей авиационной отрасли.
Также очень важным аспектом в развитии авиационной техники - является создание авиационных двигателей нового поколения, или вообще новых типов авиационных двигателей, особенно с использованием новых прогрессивных технологий.
Так, при появлении надежных реактивных газотурбинных двигателей возможности авиации значительно возросли. Изменился весь облик самолетов, повысились их технические параметры, увеличилось количество функциональных возможностей авиационной техники. Были созданы новые классы самолетов:
- сверхзвуковые самолеты;
- гиперзвуковые самолеты;
- сверхвысотные самолеты;
- самолеты с коротким взлетом и посадкой;
- самолеты с вертикальным взлетом и посадкой;
- и другие классы самолетов и летательных аппаратов.
В авиационной промышленности (в авиастроении) задействованы огромные интеллектуальные ресурсы: одновременно, со стремлением прекратить прирост численности персонала, наблюдается увеличение доли высоко квалифицированных специалистов. Так, в авиационной промышленности Франции число инженеров и научных работников увеличилось с 14,2% (1979 г.) до 20,6% (в 1988 г.). Аналогичная тенденция прослеживается и в других ведущих авиационных фирмах и компаниях.
Высокоразвитая авиационная промышленность выгодна еще и по той причине, что авиационная отрасль (авиационная индустрия) впитывает почти все технические новшества (новейшие технологии), особенно такие как: информатика, высокотемпературная сверхпроводимость, двигатели, силовые установки и энергетические установки (двигатели различного назначения, силовой привод, системы, узлы и агрегаты), дизайн и конструирование, сверхпрочные материалы, системы управления и контроля, системы обеспечения жизнедеятельности для человека, системы безопасности и другие технические и технологические новшества. Как правило, достижения в авиационной промышленности (в авиационной индустрии) находят применение во многих др. отраслях (др. индустриях).
Совершенствуясь эволюционно, за счет улучшений: - в аэродинамике; - в конструкционных материалах; - в силовых установках и в энергетических установках (двигатели различного назначения, силовой привод, системы, узлы и агрегаты); - в бортовом радиоэлектронном оборудовании (БРЭО); - в новых технологиях, возможности авиации и летательных аппаратов могут быть повышены на десятки процентов (хотя вклад каждого направления невелик, но суммарный эффект может оказаться очень значительным).
Одновременно с этим готовится "фундамент" (базис) для расширения диапазонов применения авиации:
- расширение (увеличение) скоростного диапазона полета летательных аппаратов;
- увеличение дальности полета самолетов (вертолетов, летательных аппаратов);
- увеличение высоты полета самолетов (летательных аппаратов);
- увеличение экономичности (увеличение экономического эффекта) в эксплуатации самолетов (вертолетов, летательных аппаратов);
- увеличение грузоподъемности (полезной нагрузки) самолетов (вертолетов, летательных аппаратов);
- расширение (увеличение) возможности взлета и посадки с коротких площадок для самолетов (летательных аппаратов), или вовсе возможности вертикального взлета и вертикальной посадки для самолетов (летательных аппаратов);
- увеличение маневренности самолетов (вертолетов, летательных аппаратов);
- увеличение безопасности и надежности в эксплуатации авиационной техники (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов);
- и другие новые возможности для авиационной техники (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов).
Новые проекты и разработки позволяют авиации освоить диапазон гиперзвуковых скоростей полета, выполнять полеты в слое атмосферы земли, расположенном выше потолка современных самолетов и ниже минимальной высоты полета искусственных спутников земли (70-100 км). Возможен выход самолетов и на орбиту искусственных спутников земли (ИСЗ), что будет означать слияние авиации и космической техники. Кроме того, современные орбитальные космические станции позволяют обеспечить нормальные условия жизнедеятельности для человека в космосе, что открывает и для авиации путь в космос.
С ростом размаха работ по созданию авиационной техники (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов) увеличивается разница в уровне и возможностях авиационной отрасли (авиационной индустрии) в разных странах, уменьшается количество государств и фирм, способных разрабатывать дорогие самолеты (самолеты с большой скоростью полета и сверхзвуковые самолеты, самолеты с большой дальностью полета, самолеты с большой взлетной массой и большой полезной нагрузкой, самолеты с вертикальным взлетом и посадкой, а также самолеты с др. высокими техническими параметрами).
Появляется тенденция к международному сотрудничеству в крупных программах, в очень сложных программах и при разработках новой авиационной техники. Так например, сверхзвуковой пассажирский самолет "Concorde". В частности, 25.10.1962 г., между авиационной корпорацией «ВАС» (Великобритания) и авиационной фирмой «Сюд авиасьон» (Франция), было подписано соглашение по проектированию самолета "Конкорд" - сверхзвуковой пассажирский самолет с трансатлантической дальностью полета и вместимостью 100 пассажиров. Это соглашение предусматривало, что обе фирмы - «ВАС» и «Сюд авиасьон» - будут координировать исследовательские, проектные и конструкторские работы нескольких десятков фирм обеих стран (Англии и Франции). А затем, 26.10.1962 г., между правительствами Великобритании и Франции было подписано соглашение уже о совместном строительстве сверхзвукового самолета "Конкорд".
Другой пример. В декабре 1970 г. авиастроительными компаниями Франции (Aerospatiale), Великобритании (British Aerospace), Германии (MBB и VFW-Fokker), Нидерландов (VFW-Fokker) и Испании (CASA) был создан консорциум "Airbus", для осуществления программы исследований, разработки, производства и реализации европейского широкофюзеляжного пассажирского самолета.
И много других похожих примеров:
- авиастроительные компании «Dassault-Breguet» (Франция) и «Dornier» (Германия) объединили свои усилия при создании учебно-тренировочного самолета "Alpha Jet";
- авиастроительные компании «CASA» (Испания) и «Industry Pesawat Terbang Nusantara» (Индонезия) объединили свои усилия при создании транспортного самолета "CN.235";
- авиастроительные компании «Westland» (Великобритания) и «Aerospatiale» (Франция) объединили свои усилия по проекту "Lynx";
- авиастроительные компании «The Boeing Co.» (США) и «Sikorsky Aircraf Corp.» (США) объединили свои усилия в рамках конкурса на перспективный разведывательно-ударный вертолет LH (проект YRAH-66 "Comanche", который 5 апреля 1991 г. был объявлен победителем);
- в этом же конкурсе участвовал совместный проект авиастроительных фирм «Bell» (США) и «McDonnell-Douglas» (США);
- и много других примеров авиационных проектов и разработок авиационных систем, в которых используются объединенные усилия нескольких авиастроительных компаний.
Кроме того, в последнее время также наблюдается тенденции к слиянию различных авиастроительных фирм и компаний (корпорация «McDonnell-Douglas» была создана в 1967 году слиянием авиастроительных компаний: «McDonnell» и «Douglas Aircraft»), и даже поглощение компаний (в 1996 г. авиастроительная корпорация «Boeing» поглотила корпорацию «McDonnell-Douglas»), специализирующихся в разработке и производстве сложных авиационных систем и машин – конструкций планера самолета, конструкций самих самолетов и летающих аппаратов; конструкций двигателей и силовых установок; авионики и навигационных систем; радиолокационных станций (РЛС) и радиоэлектроники, систем отображения информации, систем радиоэлектронной борьбы, другого бортового радиоэлектронного оборудования; других сложных авиационных комплексов, авиационных систем и изделий.
При этом, возможности выбора авиационной техники (самолетов, вертолетов, летательных аппаратов, других изделий и оборудования) и разработчика компонентов авиационной техники - с каждым годом уменьшаются.
Конкуренция в авиации усиливается, развитие авиационной техники ( авиационной технологии) и ее реализация все в большей мере зависит от факторов, внешних по отношению к авиастроению: - это государственные интересы; - частные интересы; - лобби различного характера; и др. факторы, абсолютно не относящиеся к авиации.