Дальше Выше Быстрее. Черемухин ГА. часть-24

Ту-204.

После создания Ту-154 и его внедрения в эксплуатацию и доводки (Ту-154 А, Ту-154 Б, Ту-154 Б-2) и в связи с началом «устаре­вания» Ту-134, стали разрабатываться различные проекты самолетов
на их замену. Работа проходила в проектно-компоновочном плане без глубоких аэродинамических исследований, главным образом, по ини­циативе Леонида Леонидовича Селякова и Глеба Васильевича Махоткина.

С ними мы подробно обсуждали каждое из предложений, вклю­чая наиболее проработанный проект Ту-134 Д — единственный проект, доложенный и обсужденный конструкторами в Малахитовом зале. Т. е. он прошел предзащиту и был одобрен.
В конце семидесятых — начале восьмидесятых годов компонов­щики (Г. В. Махоткин) и мы, аэродинамики, при активной поддержке Л. Л. Селякова стали думать и прорисовывать крылья со стреловидно­стью менее 35° (до 24°), компоновку двигателей на пилонах и механи­зацию крыла с высоким аэродинамическим качеством. С небольшим опережением, а иногда одновременно, эти направления развивались в ЦАГИ. В их работах мы черпали данные и новые идеи. Труднее всего было с моторными гондолами под крылом, так как в ЦАГИ работали над Ил-76 с высокими пилонами, а у нас по компоновке требовались низкие пилоны, и, следовательно, с большей интерференцией с кры­лом. При ясном для нас понимании, что степень двухконтурности дви­гателей должна уходить к 4—5 от 1—2 с соответствующим увеличени­ем диаметра мотогондол. Вопрос компоновки двигателей и на пилонах под крылом, и на хвостовой части фюзеляжа (Ту-134 Д) становился все более острым и значимым для аэродинамического качества.
Из-за большой загрузки цеха № 19 моделями Ту-144, Ту-22 М, уже Ту-160 и другими заказами делать продувочные модели было достаточ­но трудно, тем более, что большой поддержки у Алексея Андреевича эти проекты не получали. Несмотря на все это, Л. Л. Селяков, Г. В. Ма­хоткин и мы, аэродинамики, медленно, опираясь на опыты ЦАГИ, свои размышления и разработки, на анализ иностранных самолетов, двигались к пониманию, как надо делать современный гражданский магистральный самолет. Конечно, полного согласия у нас еще не было.
Я всегда уважал Леонида Михайловича Шкадова (ЦАГИ) и с удо­вольствием с ним работал, несмотря на отсутствие единомыслия по многим вопросам. Когда он в 1981 г. стал работать в МАП и в 1983 г. был назначен заместителем министра авиационной промышленности Ивана Степановича Силаева, то, я так предполагаю, что именно он убе­дил министра в том, что наша авиапромышленность может и должна создавать современные, конкурентоспособные магистральные самоле­ты. Я так думаю потому, что Леонид Михайлович несколько раз меня вызывал к себе для беседы на эту тему. Вероятно, именно эта линия явилась главным возбудителем реализаций задания на создание само­летов Ил-96 и Ту-204.
В КБ возник принципиальный вопрос: делать самолет двух- или трехмоторным. Назначенный главным конструктором Ту-204 Л. Л. Селяков выступал за двухмоторный, а Генеральный конструктор А. А. Ту­полев и Г. В. Махоткин — за трехмоторный, как более надежный по от­казу двигателей. Компоновка предлагалась как на самолете «Локхид» L-1011: два двигателя под крылом, третий (средний) как на Ту-154 — поскольку он устойчиво работает на больших углах атаки и не глохнет. И мотористы быстрее создадут двигатель меньшей тяги.
Я на четвертом курсе МАИ, на базе знаний по теории вероятно­сти, полученных еще в школьные времена на курсах при Московском университете, сделал курсовую работу по исследованию безопасности самолетов в зависимости от числа двигателей. Из выводов этой рабо­ты вытекало, что если самолет с тремя двигателями не может лететь на одном моторе, а двухдвигательный на одном моторе взлететь может, то его надежность выше, так как вероятность отказа одного двигателя из трех выше, чем из двух, а двух двигателей из трех выше, чем двух из двух. Если же трехдвигательный самолет может лететь на одном моторе хотя бы в конце полета, как, например, Ту-154, то «еще бабуш­ка надвое сказала!». Но необходимость ставить три двигателя такой тяги, чтобы самолет мог лететь на одном двигателе целесообразно при низком аэродинамическом качестве самолета на всех режимах. При высоком аэродинамическом качестве это только приведет к переразмеренной по весу силовой установке и переутяжелению несущей ее конструкции планера.
В первом приближении этот набор соображений и составлял пред­мет тяжелых дискуссий, в результате которых Л. Л. Селяков отказал­ся быть главным конструктором трехмоторного самолета, и Алексей Андреевич назначил на эту должность Льва Ароновича Лановского. Последний быстро понял, что два двигателя лучше. Понял это и А. А. Туполев. Помогла им в этом и коллегия МАП, где было при­нято решение ставить на самолеты Ил-96 и Ту-204 двигатели Д-90 (Соловьева), которые при установке на Ту-204 двух двигателей обе­спечивали необходимую тягу. Так что через два или три месяца после освобождения Л. Л. Селякова самолет Ту-204 стал рассматриваться как двухмоторный с двигателями под крылом (как «Аэробусы» и «Боинг»-757).
В 1971 — 1972 гг., еще при жизни Андрея Николаевича, во всем мире начали прорабатывать самолеты с крейсерской скоростью со­ответствующей числам М 0,92—0,95. Основными путями повышения крейсерского числа М тогда рассматривались: стреловидность крыла, уменьшение срединного эффекта за счет большой стреловидности пе­редней кромки центральной части крыла и применение правила пло­щадей. Конечно, эти самолеты требовали установки двигателей отно­сительно больших мощностей.
Еще тогда А. Н. Туполев поручил мне посмотреть возможность соз­дания такого самолета на базе модификации Ту-134. Нами была прора­ботана такая модификация с совершенно новым фюзеляжем и силовой установкой. У меня в кабинете долго стояла демонстрационная модель Ту-134, на которой на одной половине пластилином были воспроиз­ведены обводы предлагаемой компоновки. Посмотрев модель, Андрей Николаевич сказал: «Дорого обойдется. Спасибо».
Аэродинамически трудность такой компоновки состояла в том, что стреловидная центральная часть создавала большой подхваты­вающий момент на увеличение угла атаки, парирование которого требовало нерационального увеличения горизонтального оперения и быстродействия его отклонения. Из-за этой, так называемой ложки продольного момента, подобные компоновки многие конструкторы рисовали, но никто не реализовал.
Идея создания околозвукового самолета не переставала бередить умы. В девяностые годы академик Г. П. Свищев предлагал создать такой самолет на базе компоновки сверхзвукового самолета (СПС), но с двигателями большей степени двухконтурности, что позволяло получить приличную экономичность.
В начале XXI в. фирма «Боинг» грозилась построить такой само­лет, назвав его «Сонник Крюзер». В конце концов, решив, как сказал Туполев, что «дорого обойдется», строить не стали, и пока продолжают следовать проторенным путем, применяя суперкритические профили и реализуя возможности композитных материалов по снижению веса конструкции.
Однако и фирма «Боинг», и другие авиастроительные фирмы про­должают вести поиск компоновок пассажирских самолетов большой дальности с крейсерской скоростью, приближающейся к звуковой. Это важное направление потому, что при дальностях порядка 15—16 ты­сяч километров каждая 0,01 увеличения крейсерского числа М будет уменьшать время рейса на 9—10 минут.
За время от Ту-154 до Ту-204 ученые всего мира разрабатывали так называемые «суперкритические профили», на поверхности которых начинает образовываться волновое сопротивление (связанное с выхо­дом обтекающих скоростей на М > 1) на больших числах М, чем у при­менявшихся скоростных профилей. Так как число М, при котором на поверхности профиля возникает течение с М = 1, называется крити­ческим, то по обычной для человечества системе, все, что больше при­знанного и достигнутого, называется «сверх...», следовательно, и эти новые профили обозвали «сверхкритическими» или, на заграничный манер, «суперкритическими».
Учеными мира было предложено с десяток типов «суперкритических» профилей, но всеобщее признание получил тип профиля, разра­ботанный американским ученым Уиткомбом10. Правда, ЦАГИ утверж­дает, что они еще раньше предложили «умеренно суперкритический» профиль, но я не берусь быть арбитром.
Я напомню, что в свое время для продвижения идей по Ту-144, мы говорили: «Он же — сверхзвуковой...» Теперь, при создании Ту-204 флагом стал «сверхкритический» профиль. И как-то, на одном из за­седаний парткома, куда я был приглашен, много раз звучало «сверх­критический». Директор завода Виктор Иванович Бородько спросил меня: «Что такое «сверхкритический» профиль?» Я как-то, с моей точ­ки зрения, довольно нескладно что-то объяснил, но все кивнули голо­вой: «Мол, понятно».
Здесь я попытаюсь ответить более ясно. Вспомним, что на дозвуко­вых скоростях подъемная сила создается, главным образом, из-за раз­гона потока и снижения давления на верхней поверхности профиля (крыла).
Так вот, идея ЦАГИ и американца состояла в том, чтобы умень­шить разгон потока на верхней поверхности, сделав ее более плоской, увеличить число М полета, при котором на ней возникают сверхзвуко­вые скорости. А уменьшение подъемной силы компенсировать увели­чением давления на нижней поверхности при дозвуковом обтекании, увеличив кривизну профиля, где можно — в хвостовой части. Тем са­мым при сохранении подъемной силы можно увеличить критическое число М.
Но всегда, «когда нос вытащим, хвост увязнет». Так и здесь. У этих профилей большие пикирующие моменты (нос вниз), которые при­ходится компенсировать кабрирующими моментами горизонтального оперения (подъемная сила ГО вниз). Т.е. надо искать какие-то новые компромиссы. Кстати, чтобы уменьшить сопротивление ГО при боль­ших отклонениях (большой подъемной силы), на самолете В-767 фир­мы «Боинг» оно сделано не плоским, а с деформацией срединной по­верхности, повышающей его аэродинамическое качество.
Вспомним, что увеличение Мкрит можно достигнуть увеличением стреловидности крыла, а применение «суперкритических профилей» позволяет получить то же Мкрит при меньших углах стреловидности и за счет этого выиграть во взлетно-посадочных характеристиках и расчетной для прочности длине (размахе) крыла. Так, на Ту-204 при чуть меньших крейсерских скоростях, чем у Ту-154, за счет умеренно суперкритических профилей можно было сделать крыло со стреловид­ностью 28°, а не 35°, как на Ту-154.
Крылья магистральных самолетов для размещения необходи­мого запаса топлива, нужной строительной высоты в корне крыла и размещения механизации с осью, перпендикулярной набегающе­му потоку (наивысшая эффективность), делают в центральной части с прямой задней кромкой. Такая форма в корне противоречит полу­чению эллиптического (оптимального) распределения циркуляции (что почти тождественно распределению подъемной силы). Прямые крылья (Ту-2) делали с малым сужением центроплана именно из-за того, чтобы приблизиться к эллиптической форме крыла в плане.
Из-за такого «искажения» плана стреловидных крыльев приходит­ся специально подбирать разные по форме профили и крутку крыла по размаху. У аэродинамиков КБ и ЦАГИ по Ту-204 это было глав­ной задачей — выбор полетной формы сечений крыла. Потом еще вме­сте с прочнистами надо было переходить к строительной форме (как на Ту-144).
Выбор оптимальной полетной формы крыла делался аэродина­миками КБ (А. Б. Кощеев, И. В. Зеленов) и ЦАГИ (В. Г. Микеладзе, Г. А. Юдин, Г. А. Павловец, С. И. Скоморохов, О. В. Карась, В. Е. Кова­лев, А. Л. Болсуновский, Н. П. Бузовер и другие). Делались расчеты, изготавливались и испытывались в аэродинамических трубах модели почти тридцати вариантов крыльев. Вариант, обеспечивающий, как мы с ЦАГИ считали, крейсерское аэродинамическое качество 18 еди­ниц, мы нашли довольно быстро, но нам казалось, что при выбранном плане мы можем достигнуть и 19—20 единиц качества. Дело в том, что по результатам испытания всех вариантов крыльев с увеличением чис­ла М более 0,6 аэродинамическое качество начинало медленно падать к Мкрит, и это «падение» достигало 1—2 единиц. Мы строили разные гипотезы, связанные с особенностью обтекания суперкритических крыльев. Например, с более крутым отгибом верхней поверхности у задней кромки вниз (увеличение диффузорности) и из-за этого по­лучалось появление отрыва потока, раннего по углу атаки. Зарождение этого отрыва, как показали расчеты и визуализация обтекания моде­лей, начиналось у задней кромки профиля на переломе крыла в плане, ибо этот профиль имел наибольший коэффициент подъемной силы из всех сечений крыла. Нам так и не удалось найти компоновку супер- критического крыла без этого падения качества, и мы не по совести, а по обстоятельствам, смирились с «объективным» объяснением, что это неизбежное свойство суперкритического крыла. Но убедительно­го физического объяснения не было найдено. Несколько позже, срав­нивая крылья с разными наборами профилей, Анатолий Борисович Кощеев обнаружил, что при компоновке крыла из профилей с более острыми носками и меньшими отгибами хвостиков падения аэродина­мического качества нет, но и нет «большого» Мкрит
Сейчас, говорят, найдены пути решения этой проблемы в ЦАГИ под руководством Геннадия Андреевича Павловца и Сергея Владими­ровича Ляпунова.
Оптимизация крыла заставила нас задавать для его формообразо­вания не три исходных профиля, как ранее (корень, перелом, конец), а пять и более, т. е. еще 2—3 в корневой части и один на середине кон­соли. Это обстоятельство осложнило формообразование поверхности крыла. Пришлось переходить на передовые информационные — ма­тематические методы задания поверхности для изготовления крыла и сборочной оснастки.

* * *
Вопрос о том, кто будет разрабатывать алгоритмы системы управ­ления самолета Ту-204: отделение управления или аэродинамики — решился в пользу аэродинамиков не сразу. В конце концов Алек­сандр Сергеевич Кочергин взял на себя всю механическую часть, оставив за нами всю алгоритмическую часть. Для этого я уговорил В. Т. Климова, тогда начальника ЖЛИ и ДБ, вернуть к нам обратно Олега Юрьевича Алашеева, как моего заместителя по устойчивости- управляемости и начальника бригады непосредственно этим зани­мающейся. Я Олегу Юрьевичу, фактически ученику Г. Ф. Набойщикова, полностью доверил эту задачу, почему он и согласился ее взять.
Со стороны ЦАГИ эту работу возглавлял Юрий Федорович Шелюхин. Через некоторое время О. Ю. Алашеев уговорил Юрия Ивановича Диденко перейти к нам из ЦАГИ на должность начальника бригады устойчивости-управляемости (А-17). Вот этот «триумвират» и был главным действующим лицом при разработке, доводке и сертифика­ции Ту-204 по алгоритмам системы устойчивости-управляемости. Фи­зическим разработчиком элементов системы, обеспечивающих необ­ходимые сертифицируемые характеристики, был институт МИЭА, которым руководил Сергей Павлович Крюков. В целом, получилась трехканальная электрическая система с цифровыми вычислительны­ми машинами (ЦВМ) в каждом канале, отвечающая числу каналов ги­дравлической системы.
Я не буду рассказывать все перипетии, это много лучше могут сде­лать сами разработчики. Отмечу только то, что при разработке следую­щих самолетов должно быть изменено (устранено).
В процессе доводки и сертификации было сделано более двадца­ти вариантов этой системы, что чрезвычайно задерживало процесс сертификации самолета. Дело в том, что каждый вариант был связан с перепрошивкой каждой из трех программ (ЦВМ), потом с поло­женной проверкой их работоспособности на вибрацию, мороз и т.д. Разработчику это было выгодно, так как за каждый вариант платили. В большинство вариантов вводились не новые алгоритмы, а новые параметры (передаточные числа). Хотя, конечно, «под шумок» реали­зовывались и новые идеи и улучшения, без которых можно было бы обойтись. Я при создании управления Ту-144 уговаривал начальни­ка МИЭА, тогда еще Евгения Владимировича Ольмана, делать бло­ки с регулируемыми передаточными числами. Некоторые и были так сделаны. На Ту-204 все изменения перепаивали. И приходилось с каждым вариантом перелетывать некоторые режимы, при этом часто по одному на полет. А вот «буржуи» на опытных аэробусах А320, АЗЗО, А340 и на первом «Боинге» В-777 устанавливали в кабине специаль­ный пульт, с которого во всех ЦВМах можно было менять в полете па­раметры алгоритма управления, подбирая наилучший в одном полете. Вот я и хотел бы, чтобы у нас тоже так делали.
Когда начали делать Ту-204, то на аэробусах уже стали разрабаты­вать управление одной рукой — «миништурвалом», типа джойстика. В ЛИИ сделали из Ту-154 летающую лабораторию с такой ручкой (под левую руку у командира корабля). Облетали и сделали заключение, что с такой ручкой летать можно.
Надо обходить патенты, но мы на это не решились, а сделали свой «миништурвал» с двумя ручками и шарниром бокового движения на половине высоты. Многие летчики-испытатели выразили жесткий протест против такого штурвала. Хотя Андрей Иванович Талалакин, который первым поднимал Ту-204, никаких претензий не имел. Его об­виняли другие летчики в том, что он «загубил машину», что при управ­лении работают не те мышцы, что летчики ГВФ вообще не смогут ле­тать. Даже Л. Л. Селяков предсказывал, что с таким штурвалом будут происшествия, так как летчики при боковых перегрузках привыкли держаться за штурвал, а тут это приведет к неожиданному кренению самолета, так как штурвал «пойдет за летчиком».
Кто только не поносил Виталия Иосифовича Гониодского за эту идею, но он уже ушел из КБ Туполева.
Слава богу, конструкторы устояли и оставили этот, так называе­мый, миништурвал. Когда самолет облетывали французские летчики из фирмы «Аэрбас Индастри» [«Airbus Industries»] и «Аэроспасьяль» [«Aerospatial»], то с их стороны никаких претензий к миништурвалу не было, а претензии были только к слишком большим усилиям. А мы еще обсуждали: «Не малы ли они?», но это старый вопрос.
Оценка самолета Ту-204 французскими летчиками проходила по специальной программе, включающей ознакомление с конструк­цией самолета, серию тренировок на тренажере в Пензе и девять самостоятельных полетов на самолете, с оценкой устойчивости- управляемости, продолженного взлета (с имитацией отказа одного двигателя), выхода на границы эксплуатационной и допустимой об­ласти полета, посадки с «отказавшим» двигателем. Программа позво­ляла оценить летные качества самолета. Кроме замечания о больших усилиях были и другие, например, трудности выдерживания заданно­го крена без включения автопилота. Были замечания, указывающие на возможные трудности сертификации самолета по европейским нор­мам. В целом, оценка самолета была высокая, особенно французским летчикам понравилась автоматическая компенсация отказа двигателя на взлете отклонением руля направления и удобство автоматического выпуска механизации крыла по скорости на глиссаде при заходе на по­садку.
Я не буду обсуждать модификации Ту-204, так как моего участия в них нет, кроме укороченного варианта Ту-234, так названного еще тогда, когда темы определял А. А. Туполев. Этот самолет поддерживал­ся мною с самого начала. Исходил я из того, что он, как говорят, «один к одному» ложился в нишу Ил-62, и мог взять на себя практически все международные рейсы наших авиакомпаний. В 1995 г. его создание было, не без моей инициативы, поддержано решением НТС. Самолет сделали и поставили на 5—6 лет в ЖЛИ и ДБ, используя его как склад готовых изделий, и только в мае 2005 г., названный теперь Ту-204—300 на западный манер, получил сертификат типа. Супротивников у этого самолета много и сейчас, вероятно, потому, что если бы их было сде­лано много, то покупку нашими авиакомпаниями для обслуживания зарубежных пассажиропотоков аналогичных иностранных самолетов реализовывать стало бы труднее.