Самолеты будущего

Ученые Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН создали крупнейшую в мире базу данных по ламинарно-турбулентному переходу на стреловидных крыльях. Эти данные помогут не только точно предсказывать, где именно гладкое ламинарное обтекание крыла разрушится и перейдет в турбулентное состояние, но и выявлять участки, где требования к гладкости поверхности крыла самолета могут быть снижены без ущерба для аэродинамических характеристик. Благодаря результатам исследований авиастроение получает новые возможности для разработки самолетов, которые будут потреблять меньше топлива, то есть станут экономически выгоднее, и меньше загрязнять атмосферу.

Физика обтекания стреловидных крыльев, характерных для современных коммерческих самолетов, существенно отличается от того, как обтекаются обычные прямые крылья. Вместо того чтобы обтекать поверхность крыла ламинарно (то есть гладко, слоисто), поток воздуха, двигающийся в пограничном слое у поверхности стреловидного крыла, склонен раньше переходить в турбулентное состояние — движение с интенсивным хаотичным перемешиванием. Причина — в специфичных для стреловидного крыла вихрях поперечного течения, которые могут порождаться малейшими шероховатостями поверхности крыла. Дестабилизируя пограничный слой, эти вихри ускоряют турбулизацию потока, что на порядок увеличивает трение поверхности самолета о воздух. В результате полет на околозвуковых скоростях требует тратить больше топлива на преодоление трения и становится менее экономичным.

Сегодня, в новых условиях жестких экологических требований, проектирование крыла коммерческого самолета превратилось в искусство компромисса. Задача инженера — не сделать крыло идеально гладким и ламинарным любой ценой, а найти баланс между аэродинамическим совершенством (низким расходом топлива) и стоимостью производства и эксплуатации самолета. Расчет положения ламинарно-турбулентного перехода на стреловидном крыле — ключевой элемент этой оптимизации, требующий не только высокой точности, но и скорости. Альтернативой дорогостоящим и медленным прямым вычислениям становятся инженерные методы (например, метод переменного N-фактора), позволяющие учитывать шероховатость аэродинамической поверхности и быстро прогнозировать положение начала турбулизации.

В этой непростой задаче поиска баланса между аэродинамическим совершенством и экономичностью на помощь приходит информация, аккумулированная учеными из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН.

В рамках проекта, поддержанного Российским научным фондом, специалисты ИТПМ провели масштабные исследования, создав крупнейшую в мире базу данных, посвященную ламинарно-турбулентному переходу на стреловидных крыльях. Эти данные позволили им не только точно предсказывать, где именно начинается турбулизация потока, но и выявлять участки, где технологические требования к гладкости поверхности могут быть снижены без ущерба для аэродинамических характеристик. 

«Глубокое понимание физических аспектов обтекания стреловидного крыла, понимание того, к каким внешним факторам ламинарное течение на таком крыле особенно чувствительно и какие типы гидродинамических неустойчивостей могут его разрушить, — вот основа для создания более эффективных аэродинамических поверхностей авиационной техники будущего», — подчеркивает руководитель проекта РНФ член-корреспондент РАН Андрей Владиславович Бойко. «Наша цель — не достижение ламинарного обтекания крыла за счет сложной и дорогостоящей полировки его поверхности, а поиск технологического компромисса, позволяющего обеспечить максимальную топливную эффективность коммерческого самолета без роста стоимости его производства и стоимости последующий эксплуатации. Мы предлагаем авиастроителям более совершенный инструмент для расчетов на ранних этапах проектирования, что открывает путь к созданию по-настоящему эффективных и экологичных самолетов будущего», — отмечает ответственный за экспериментальную часть проекта старший научный сотрудник ИТПМ СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Викторович Иванов. Таким образом, благодаря работе ученых института авиастроение получает новые возможности для разработки самолетов, которые будут потреблять меньше топлива, меньше загрязнять атмосферу и быть экономически выгоднее. Это не просто научный прорыв, это шаг к более устойчивому будущему авиации.

Никита Каньшин, ИТПМ СО РАН

Фото предоставлено исследователями