Трудный и такой долгожданный технологический прорыв МС-21

История создания российского среднемагистрального узкофюзеляжного самолёта МС-21 весьма поучительна. Разработка самолета началась в начале 2000-х в ОКБ Яковлева, которое использовало идеи и технические наработки проекта самолета Як-242, разработанного в 1995 году. Самолет создавался для замены устаревшего Ту-154 и преподносился как лайнер нового поколения, объединяющего в себе передовую аэродинамику, лучшие двигатели и системы управления, а также продвинутые решения для комфорта пассажиров.

Рабочее проектирование самолета было завершено в 2005-м, первый полет планировался на 2006 год, а в 2009-м должно было начаться серийное производство. Однако из-за недостаточного финансирования и проблем с зарубежными партнерами все сроки разработки самолета были сорваны.

Изначально, как и в ситуации с «Суперджет 100», в котором до 80 процентов комплектующих были импортными, ставка была сделана на порочную кооперацию с зарубежными поставщиками комплектующих и материалов, в том числе по двигателю и композитам для крыла. Это происходило в связи с отсутствием собственных двигателей и материалов, а также для ускорения процесса сертификации самолета, поскольку зарубежные комплектующие уже прошли эту процедуру и время сертификации самолета существенно сокращалось. Такая стратегия разработки привела к довольно плачевным результатам. МС-21 претендовал на ту же коммерческую нишу, что и Boeing 737 MAX, Airbus A220, а также китайский Comac C919, и его появление на рынке не сулило ничего хорошего конкурентам.

Иностранные партнеры по проекту гласно и негласно начали уходить из него как по действующим, так и по новым контрактам с введением Соединенными Штатами санкций против России, что привело к проблемам разработки самолета. Импортозамещением в России серьезно не занимались, и работа по самолету практически остановилась. Сроки изготовления первых образцов и начала испытаний неоднократно переносились, и очередной срок сертификации самолета был назначен на 2021 год. Работа по самолету стала серьезно продвигаться только с началом замены импортных комплектующих на отечественные.

Первоначально предполагалось, что доля отечественных комплектующих составит 38 процентов, однако в связи с проблемами по поставке импорта была поставлена задача довести этот показатель до 97 процентов к 2022 году, и она успешно решается.

МС-21 от конкурентов отличался рядом принципиальных новшеств. Более широким фюзеляжем в классе среднемагистральных самолётов (4,06 м), что позволяет делать разную компоновку самолета по уровню комфорта и вместимости, сравнимую с комфортом широкофюзеляжных самолётов последнего поколения. Крыло МС-21 впервые для машин среднемагистрального класса сделано из полимерных композитных материалов (ПКМ). В мире только три самолета с таким крылом: Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier. К тому же на МС-21 предполагалось установить более экономичные двигатели нового поколения в двух вариантах: разрабатываемый в России ПД-14 и американский PW1431G компании Pratt & Whitney.
Немаловажным фактором, влияющим на конкурентоспособность современного самолета, является его экономичность, в значительной степени зависящая от веса самолета. В этой связи разработчики самолетов прилагают серьезные усилия по снижению веса, а поскольку крыло и оперение узкофюзеляжного самолёта составляют 45 процентов от веса планера, перспективным направлением является внедрение полимерных композитных материалов и создание так называемого черного крыла.

Одним из основных преимуществ МС-21 является наличие «черного крыла», созданного из карбоновых композиционных материалов. Благодаря новой технологии удалось снизить массу крыла и при сохранении прочностных характеристик увеличить его аэродинамическое качество. «Черное крыло» обеспечивает МС-21 лучшие летные характеристики ― большую скорость и меньшие расходы топлива по сравнению с конкурентами.

При создании крыла самолета стояла задача повысить его аэродинамическое качество, что достигается конструктивными и технологическими методами. Чем эффективнее удлинение крыла, тем меньше его индуктивное сопротивление и выше летные характеристики.

Для крыла МС-21 был выбран суперкритический профиль, при котором верхняя поверхность практически плоская, а нижняя ― выпуклая. Одним из преимуществ такого профиля является возможность создать крыло большого удлинения. Типовое удлинение крыла у самолётов прошлых поколений составляло коэффициент 8–9, у современных – 10–10,5, а на МС-21 ― 11,5.

Крыло большого удлинения позволяет МС-21 на крейсерских скоростях полёта получить аэродинамическое качество на 5–6 процентов лучше, чем у новейших зарубежных аналогов, и добиться тем самым большей дальности полёта при меньшем расходе топлива.

Создать такое крыло можно только на основе полимерных композитных материалов, позволяющих изготавливать крупные силовые интегральные элементы первого уровня: секции панелей центроплана, лонжероны и обшивку крыла со стрингерами, а также силовые элементы и обшивку киля и хвостового оперения. Применение крупных интегральных структур значительно снижает трудоёмкость сборки, уменьшает количество деталей и крепёжных элементов.

Уникальность композитного крыла для МС-21 в том, что Россия создала и запатентовала новую технологию его производства. Подобной технологии нет нигде в мире. Это чисто российское ноу-хау, и появилось оно по причине санкционного давления США. Американская компания Суtec Industries и японская фирма Toho-Tenax отказались работать над проектом и поставили его под угрозу срыва.

После введения санкций для решения этой задачи российским специалистам пришлось создавать новые полимерные материалы (углеволокно и связующее звено ― эпоксидную смолу), технологию их изготовления и технологию производства крыла, а также организовать крупносерийное производство этих материалов. К этим работам были привлечены ведущие химики и технологи России, в том числе ученые и специалисты МГУ и предприятия «Росатом».

Разработкой углеволокна занялась компания UMATEX (входит в корпорацию «Росатом»), а разработкой и производством крыла ― концерн «Аэрокомпозит» в Ульяновске и компания «Технология» в Обнинске. Технология производства «чёрного крыла» МС-21 была создана специалистами «Аэрокомпозита» в тесном сотрудничестве с зарубежными производителями технологического оборудования.

С целью формирования отечественного рынка ПКМ в России было создано АО НПК «Химпроминжиниринг» ― управляющая компания дивизиона госкорпорации «Росатом» по композитным материалам, которая под брендом Umatex Group объединила научно-исследовательский центр и предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе.

Компания ведёт разработку технологий, цель которых использовать в программе МС-21 углеродное волокно, ткань и предварительно пропитанные материалы только российского производства. В 2018 году прошла сертификацию отечественная композитная нить, по прочности она не уступает американским или европейским аналогам.

Для изготовления крыла была применена инновационная технология вакуумной инфузии, запатентованная в России, впервые использующая менее энергозатратные процессы. Традиционное крыло из ПКМ выпекается из отдельных элементов при высоких температурах, по российской технологии впервые в мире производятся панели сразу на длину всего крыла и без высоких температур.

Новая технология предполагает совмещение операций пропитки углеродного волокна полимерной смолой и формования детали, что приводит к сокращению времени производственного цикла и снижению энергозатрат. Углеродная ткань формируется не методом переплетения, а при помощи скрепления углеродной нити связующим составом в единое полотно, не имеющее переплетений, что исключает механические повреждения и повышает прочность детали.

Из углеткани по выкройкам вырезаются детали и на специальной оснастке выкладываются слоями, упаковываются в специальный пакет, из которого затем откачивается воздух и постепенно подается полимерное связующее. Затем деталь «выпекается» при определенной температуре.

По традиционной технологии на «КАПО-Композит» в Казани будут изготавливаться малогабаритные детали: обтекатели, элероны, спойлеры, закрылки, а также рули высоты и направления.

Работы продвигались успешно, и в марте 2019 года концерн «АэроКомпозит» приступил к изготовлению кессона крыла и центроплана из отечественных материалов, а в июне 2021 года первые консоли крыла отгрузили на завод «Иркут». Таким образом, Россия стала полностью независима от поставок высокотехнологичных материалов для изготовления композиционных компонентов МС-21.

Проект МС-21 может кардинально изменить ситуацию с монополией Запада на технологии в гражданском авиастроении, которые не могли быть реализованы на российских самолетах, и стать локомотивом гражданского авиастроения России.

Введение санкций показало, что США действительно испугались, что у России получается собственный самолет с новейшими технологиями, которыми американцы не обладают. Попытка США остановить проект МС-21, превосходящий американских и европейских конкурентов, потерпела крах. За несколько лет Россия сумела заместить композитные материалы из США и Японии и теперь обладает запатентованными технологиями создания «черного крыла» и отечественными материалами для его изготовления.

Второй технологической изюминкой МС-21 является установка российского турбовентиляторного двигателя пятого поколения ПД-14 тягой 14 тонн, одного из самых прорывных проектов в гражданской авиации последнего времени. ПД-14 создан на базе двигателя четвертого поколения ПС-90А, выпускаемого в Советском Союзе с конца 80-х. У двигателя отличные эксплуатационные характеристики, удельный расход топлива ПД-14 на крейсерском режиме на 10–15 процентов меньше по сравнению с современными двигателями аналогичного класса тяги, а эксплуатационные расходы на 14–17 процентов ниже, чем у конкурентов. Доля импортных комплектующих в двигателе составляет всего около пяти процентов.

В настоящее время в мире только 15 процентов двигателей, находящихся в эксплуатации, относятся к пятому поколению. Всего четыре государства способны по полному циклу создавать современные турбовентиляторные двигатели: США, Россия, Великобритания и Франция. Так что Россия в числе лидеров по авиационному двигателестроению. К тому же на рыбинском предприятии «Сатурн» освоено серийное производство нового поколения лопаток турбин для авиадвигателей.

Разработка двигателя нового поколения началась в начале 2000-х для МС-21 с возможностью применения его на других самолетах. Проект реализовывался в рамках Объединенной двигателестроительной корпорации, головным разработчиком назначено КБ «Авиадвигатель» (Пермь), а головным изготовителем ― «Пермские моторы».

Наземные стендовые испытания двигателя начались в 2012 году, в 2018-м он получил сертификат типа, а в декабре 2020-го стартовали летные испытания на МС-21.

На этапе разработки двигателя ставку сделали на отечественные материалы и технологии. Были разработаны и внедрены 16 ключевых технологий: изготовления лопаток турбины из легчайшего интерметаллида титана, продвинутая система охлаждения лопаток, технология изготовления пустотелой лопатки вентилятора из титанового сплава, технология нанесения керамических теплозащитных покрытий лопаток и элементов камеры сгорания, а также электроэрозийной обработки лопаток.

При создании двигателя применялись новые российские сплавы титана и никеля. Всего в двигателе задействовано около 20 новых российских материалов разработки ВИАМ, не уступающих западным аналогам, при этом все они прошли сертификацию по международным стандартам.

Для обеспечения испытаний двигателя и его узлов были созданы современные испытательные установки, стенды и лаборатории, позволяющие произвести масштабную отработку двигателя.

Двигатель ПД-14 стал флагманом газотурбинного двигателестроения России, его планируют устанавливать также на Ил-76МД-90А. Разрабатываются также двигатели ПД-8 тягой 8 тонн для «Суперджет 100» и Бе-200, ПД-12 тягой 12 тонн для тяжелого вертолета Ми-26, ПД-18Р тягой 18 тонн для Ту-214 и Ил 96, ПД-35 тягой 35 тонн для перспективного российско-китайского CR929. Семейство двигателей на базе ПД-14 обеспечивает всю линейку существующих и перспективных российских ближне-, средне– и дальнемагистральных лайнеров и напрямую конкурирует с двигателями американской компании Pratt & Whitney.

Авионика МС-21 выполнена с учетом современных требований в основном на российской элементной базе и обеспечивает экипажу оптимальное управление самолетом. Полное импортозамещение систем управления вполне возможно, поскольку в военной авиации имеется серьезный задел, и к 2023 году планируется эту задачу решить.

По характеристикам аэродинамического качества МС-21 является наиболее совершенным самолетом в мире на данный момент, и создан он по российским технологиям. МС-21 имеет передовую аэродинамику, современную силовую установку, больший диаметр фюзеляжа и конкурентоспособную цену. Рынок среднемагистральных самолетов является самым емким в мире – около 78 процентов всех коммерческих самолетов вместимостью более 100 мест, и войти в эту нишу МС-21 вполне по силам. Он может обеспечить полноценное присутствие российского авиапрома на мировом рынке гражданских лайнеров. По прогнозам экспертов, МС-21 может занять от 5 до 10 процентов мирового рынка в своем сегменте.

Юрий Апухтин