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, développé en 1995 an. 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 an, 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.
Initialement, 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 an. Работа по самолету стала серьезно продвигаться только с началом замены импортных комплектующих на отечественные.
Il était prévu à l'origine, что доля отечественных комплектующих составит 38 pour cent, однако в связи с проблемами по поставке импорта была поставлена задача довести этот показатель до 97 pour cent à 2022 an, и она успешно решается.
МС-21 от конкурентов отличался рядом принципиальных новшеств. Более широким фюзеляжем в классе среднемагистральных самолётов (4,06 m), 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 (PKM). 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. À 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, et en mars 2019 года концерн «АэроКомпозит» приступил к изготовлению кессона крыла и центроплана из отечественных материалов, et en juin 2021 года первые консоли крыла отгрузили на завод «Иркут». De cette façon, 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 tonnes, 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, en opération, относятся к пятому поколению. Всего четыре государства способны по полному циклу создавать современные турбовентиляторные двигатели: Etats-Unis, Russie, Grande-Bretagne et France. 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» (Permanente), а головным изготовителем ― «Пермские моторы».
Наземные стендовые испытания двигателя начались в 2012 an, 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, et à 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 des endroits, 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 à 10 процентов мирового рынка в своем сегменте.
Юрий Апухтин,
