Ан-2 между прошлым и будущим малой авиации России.

Автор:
Юрий Витальевич Швед, старший преподаватель МАИ каф. 101.
e-mail: yuriy-shved@mail.ru, т. 8 903 661-61-41.

Ан-2 анахронизм, он морально устарел, и ему нужна замена. Эта фраза рефреном звучит всю его долгую жизнь, начиная с самого рождения, то есть с сороковых годов 20 века (схему самолета Олег Константинович Антонов начал продумывать и обсчитывать еще до войны, опираясь на опыт эксплуатации бипланов У-2 и французского Breguet Х1Х-А2, дорабатывал во время войны с учетом продемонстрированных возможностей механизированного крыла немецкого Fi 156 «Storch»).

Первый проект самолета типа Ан-2 был забракован экспертами в феврале 1941 года со следующей формулировкой:

«..Проект самолета в варианте транспортно-санитарного не удовлетворяет требований в части мотора и схемы. ..Для десантных целей самолет непригоден, т.к. не имеет вооружения и приспособлений для подвески военных грузов, а также малы грузоподъемность, максимальная скорость и дальность..»

Чуть позже война заставила широко применять «морально устаревший» самолет По-2 с крейсерской скоростью 111 километров в час и грузоподъемностью менее 400 кг, зато взлетающий с разбегом не более 340 метров.

В советское время попытки заменить универсальный Ан-2 более эффективными, но специализированными аналогами не увенчались успехом. В двухтысячных годах на замену Ан-2 выпускали Ан-3 с отечественным турбовинтовым двигателем со свободной турбиной компрессора ТВД-20, но не пошло. В 1994 году предприятием «Рокс-Аэро» совместно с МАПО МиГ был создан подкосный высокоплан Т-101 «Грач» с отечественным турбовинтовым двигателем со свободной турбиной компрессора ТВД-10Б, но не пошло. В 2017[1] году взлетел созданный ФГУП СибНИА им. С. А. Чаплыгина цельнокомпозитный биплан ТВС-2ДТС с американским одновальным турбовинтовым мотором TPE-331-12, но не пошло. В январе 2022 года совершил первый полет подкосный высокоплан ЛМС-901 «Байкал» с американским турбовинтовым мотором со свободной турбиной компрессора GE H80, но не пошло. Не устали?

[1] Коллеги из СибНИА просят уточнить, что ТВС-2ДТС впервые взлетел в 2015 году, а основным препятствием для производства этой машины является зарубежный двигатель из недружественной страны.

Методологический принцип научно-практического творчества, названный в честь английского монаха-францисканца и философа Уильяма Оккама, гласит: «Не следует множить сущности без необходимости». Или, говоря проще, не стоит искать сложное решение там, где есть простое. Следуя этому принципу самое простое (и наименее затратное в том числе) решение, дающее необходимый результат, является самым сильным. Олег Константинович, создавая Ан-2, вполне этому принципу следовал.

Согласно этому же принципу морально устаревшим существующее решение станет только тогда, когда ему на смену придёт столь же эффективная и при этом более простая, менее затратная альтернатива. Поэтому прошу не бросаться словами об устарелости компоновки и конструкции Ан-2, ибо они находятся на уровне желания приобрести новую и блестящую игрушку взамен старой потрепанной.

Чем полезен расчалочный биплан в 21 веке?

Идея Ан-2 – воздушная «полуторка», столь же неприхотливая и универсальная, дополняющая наземного собрата воздушными участками пути. Соответственно подбиралась ее размерность. Один двигатель упрощает и удешевляет конструкцию, а возможность сманеврировать и сесть на неподготовленную площадку делает однодвигательную компоновку безопасной. Но для такой задачи требуется механизированное крыло большой площади. Моноплан с крылом для выбранной размерности и скорости получится громоздким и неповоротливым, поскольку момент инерции крыльев растет квадратично с линейным ростом масштаба. Если же ограничить размах крыла, то индуктивное сопротивление биплана с крылом той же площади окажется меньше сопротивления моноплана. (Рис. 1).

Поэтому маневренные самолеты начала двадцатого столетия, имея слабые моторы, ограничивали размах и наращивали площадь крыльев с использованием бипланной компоновки. И этот принцип продолжает работать вне времени.

Бипланная компоновка дарит еще одно аэродинамическое преимущество. Верхнее крыло биплана нагружено сильнее, чем нижнее. Поэтому срыв потока наступает на верхнем крыле раньше, чем на нижнем. Тогда если переднее крыло установлено чуть впереди заднего, при срыве потока на верхнем крыле самолет теряет лишь часть подъемной силы и получает момент по тангажу, стремящийся уменьшить угол атаки и восстановить плавное обтекание. Если же у самолета с несущим задним крылом плоскости далеко разнесены по фюзеляжу, как у схем «утка» и «тандем», то срыв на передней плоскости приводит к резкому клевку вниз, что чревато. Моноплан в этом случае просто падает, в лучшем случае без крена и штопора.

Расположение крыльев друг над другом с распоркой между ними позволяет использовать ферменную конструкцию, когда изгибающую нагрузку в корневых сечениях берут на себя расчалки, эффективно работающие на растяжение. Да, расчалки добавляют сопротивление, но на низких полетных скоростях вред дополнительного сопротивления с лихвой компенсируется облегчением конструкции. СибНИА попробовали сделать крылья Ан-2 безрасчалочными – получились тяжелыми, пришлось переходить на пластик - получилось дороже и сложнее в эксплуатации.

Коммерческая нагрузка Ан-2 составляет 1,5 тонны, что соответствует стандартной грузоподъемности автомобиля «полуторки». Так же подобны размеры для размещения груза в машине и в самолете. Грузопассажирские микроавтобусы вмещают до 12 пассажиров, как и Ан-2. Это дает возможность организации сквозной грузопассажирской логистики по земле и воздуху без перегруза или недогруза транспортных средств.

Благодаря низкой нагрузке на крыло (максимальная – 77 кг/м²) и высокой энерговооруженности (минимально 0,18 л.с./кг, тяговооруженность 0,3) самолет имеет очень короткий разбег и крутую траекторию подъема сразу после отрыва, что сокращает длину взлетной дистанции.

Расположенный спереди воздушный винт обдувает поверхности управления, что сохраняет управляемость до очень малых скоростей. Довести Ан-2 с нормальной центровкой до режима срыва с выпущенными предкрылками невозможно (если совсем уж не зависнуть в воздухе) - плавное выбирание штурвала на себя до отказа при работе мотора на полной мощности переводит самолет в «режим парашютирования», при этом эффективность руля высоты, элеронов и руля поворота сохраняется (вплоть до скорости 45—50 км/ч). Лететь на этом режиме с выпущенной механизацией можно настолько медленно, что возможно совершить посадку без выдерживания над землей для погашения скорости, сократив длину посадочной дистанции до минимума. При этом шасси имеет достаточно большой ход, большие колеса (предельно допустимая прочность грунта для взлета и посадки Ан-2 – 3 кг/см²) и мягкую амортизацию, чтобы не ломаться при движении по неровной поверхности. А схема с хвостовым колесом имеет бо̀льшую проходимость и не сбивает с курса при разбеге и пробеге на неподготовленных раскисших площадках.

Расположенный спереди двигатель позволяет отодвинуть крыло дальше от оперения, что делает возможным уменьшить площадь последнего. При вынужденной посадке двигатель впереди принимает на себя удар и гасит собой энергию. Если бы двигатель был сзади, как у многих микросамолетов, то тормозить бы пришлось кабиной об землю с одной стороны, и об двигатель – с другой. На мухобойку похоже. «Хороший обзор спереди», увы, погубил множество жизней. Также самолет с винтом впереди гораздо легче покинуть с парашютом, как для спасения, так и для десантирования. Высокая приемистость поршневого мотора позволяет безопасно облетать внезапно возникающие препятствия, особенно на бреющем полете.

Что это дает? В 1991 году в России действовало 1450 аэропортов и аэродромов, основная часть которых обслуживалась Ан-2. 1200 из этих аэродромов сейчас не действуют, но их можно возродить, если коммерческие рейсы местных авиалиний снова станут рентабельными. Хотя типичный такой аэродром имеет грунтовое покрытие и длину взлетной полосы 450 (максимум 750) метров, собственно как раз под Ан-2. Какие еще самолеты смогут сейчас такими аэродромами пользоваться как для штатной, так и для вынужденной посадки? Достаточно превратить биплан Ан-2 в моноплан (такой как Т-101, ЛМС-901 или Cessna 208 Caravan), чтобы эти аэродромы стали ему недоступны.

Кроме того, при вынужденных посадках на Ан-2, благодаря его низкой посадочной скорости и особенностям шасси, можно без риска использовать проселочные дороги и ограниченные неподготовленные площадки. При отказе двигателя Ан-2 планирует на скорости 130 км/ч, снижаясь с вертикальной скоростью 3,5 м/с, а при посадке снижает скорость до 40–50 км/ч. Это позволяет даже при лобовых столкновениях с препятствиями обеспечить высокую выживаемость.

Одномоторный самолет, который может сесть везде, оказывается безопаснее двухмоторного, который может сесть только на длинную и подготовленную, а значит редко встречающуюся, посадочную полосу. Об этом говорит статистика летных происшествий. Из 2500 двухдвигательных самолетов малой размерности (L-410, Ан-28 и DHC-6 Twin Otter), которые эксплуатируются в России, в катастрофах было потеряно 395 машин и погибло около 2700 человек. А из 18000 выпущенных Ан-2 катастрофы коснулись чуть более 110 самолетов, что унесло жизни около 500 человек. Аварий с участием Ан-2 было более 600, но люди при этих происшествиях остались живы.

Однако в 1990 годах в российских авиационных правилах (АП-23) было записано ограничение количества пассажиров до 9 человек для однодвигательного самолёта, без всякой градации его посадочной скорости. И без всякой логики. Что, девятью пассажирами рисковать можно, а десятью – нельзя? С моей точки зрения это требование – или преступная некомпетентность, или намеренное вредительство, которое не оценено «по достоинству» до сих пор.

Тем самым рентабельность пассажирской эксплуатации Ан-2 и его одномоторных аналогов была уничтожена. Это при том, что американская одномоторная Cessna 208 Grand Caravan с 13 пассажирами вполне себе летает, благодаря послаблениям их законодательства, «для своих», по разрешению FAA FAR Part 23 (с 2017 года этот документ содержит стандарты летной годности, необходимые для выдачи и изменения сертификатов типа для в т.ч. одномоторных самолетов уровня 4, имеющих от 10 до 19 пассажиров).

Низкая удельная нагрузка на крыло и развитые поверхности управления Ан-2 помимо высоких взлетно-посадочных качеств обеспечивают большую маневренность, но из-за дополнительного сопротивления способствуют низкой крейсерской скорости, что для сельскохозяйственной обработки полей и тушения пожаров, в том числе с набором воды на бреющем полете, как раз во благо. Но как же с длительностью пассажирских полетов? Давайте сравним рейсы на максимальную для местных авиалиний дальность 900 км для двух машин – Ан-2 (крейсерская скорость 210 км/ч) и Cessna 208 Grand Caravan (крейсерская скорость 341 км/ч). Разница во времени получается 1,6 часа. И что? При этом ширина фюзеляжа Ан-2 1,8 м, а высота – 2 м, можно встать в полный рост, сходить в туалет. Ширина салона Cessna 208 Grand Caravan - 1,63 м, а его высота - 1,37 м, без туалета. Вам понравится сидеть почти 3 часа «в трубе»?

Большой размер фюзеляжа Ан-2 делает его полет более медленным, но зато вы можете перевезти в нем то, на что другие самолеты просто неспособны.

Двигатель, ох уж этот двигатель.

Звездообразный поршневой мотор воздушного охлаждения имеет большой мидель, но он все равно меньше миделя фюзеляжа Ан-2. Зато не надо возить сложную и тяжелую систему жидкостного охлаждения.

Поршневой двигатель быстро теряет мощность с высотой. Но нужна ли большая высота полета самолету местных авиалиний, пожарному, сельскохозяйственному? К тому же одноступенчатый нагнетатель АШ-62ИР позволяет Ан-2 достигать высоты в 4,5 км, разве надо больше, с негерметичным салоном?

Двигатель АШ-62ИР уже не производят. Но позвольте, в Китае их и сейчас вполне себе производят, как и сами самолеты. Никто не мешает приобрести оснастку в Китае, и возобновить производство у себя. При этом можно использовать наработки глубоких модификаций двигателя серии К9, проведенные заводом PZL Kalisz, позволившие увеличить мощность двигателя до 1170 л.с. при частоте вращения ротора 2300 об/мин.

Поршневой двигатель Ан-2 АШ-62ИР раскручивается с малого газа до взлётного за 3 секунды. Одновальный турбовинтовой двигатель TPE-331-12, установленный на ТВС-2МС, имеет приемистость 5...7 сек (за дополнительные 3 секунды самолет сблизится с препятствием на 150 метров). У турбовинтовых двигателей с осевой двухступенчатой свободной турбиной без механической связи с валом ГТД, таких как ТВД-20 (установлены на Ан-3) и Pratt Whitney Canada PT6 (установлены на Cessna 208 Caravan), приемистость еще хуже. Низкая приемистость турбовинтового двигателя делает резкие маневры на малой высоте опасными.

Установка на Ан-2 более легкого при той же мощности турбовинтового двигателя вынуждает для сохранения центровки выносить его далеко вперед. Но это приводит к тому, что из-за дестабилизирующего действия длинного носа на скоростях 130-150 км/ч машина получает недостаточную путевую устойчивость и управляемость.

Для раскрутки турбовинтового двигателя перед запуском требуется большая энергия аккумуляторов (а вручную его запустить вообще невозможно), что увеличивает их вес. После остановки такой двигатель долго остывает (что замедляет обслуживание). Кроме того, такой двигатель нельзя ремонтировать в условиях мастерских, в отличие от поршневого. Наконец, турбовинтовой двигатель существенно дороже стоит.

К недостаткам АШ-62ИР можно отнести сравнительно высокую шумность и большой для сегодняшнего времени расход горючего. Ан-2 с поршневым двигателем мощностью 1000 л.с. потребляет авиационный бензин Б-91 в количестве 1,11 кг/км (польская модификация двигателя АШ-62ИР (ASz-62) с электронным впрыском позволила снизить потребление топлива до 0,78 кг/км), ЛМС-901 «Байкал» с двигателем GE H80 мощностью 800 л.с. расходует 0,43 кг/км авиационного керосина, правда отчасти благодаря меньшему сопротивлению планера. Но большой расход бензина поршневым мотором это пол беды - производство этилированного бензина марок Б-91/115 и Б-95/130 прекращено по требованию федерального закона №34-ФЗ. В двигатели льют импортный LL-100 или автомобильный бензин АИ-95 Уфимского, Новокуйбышевского, Пермского или Рязанского НПЗ, имея при этом ограничение по высотности и ресурсу (из-за повышенной коррозии камер сгорания, днищ поршней и выпускных клапанов), поскольку высокое содержание ароматических углеводородов в автомобильном бензине создает повышенную температуру в камерах сгорания и выхлопной системе.

Вызывает вопрос, как могли выпустить приказ о запрете использования этилированного авиационного бензина, не предложив более экологичную, равнозначную по цене и надежности применения альтернативу? Почему в России не выпускается авиационный бензин для поршневой малой и беспилотной авиации? И доколе это будет продолжаться?

Что делать?

Руководство России заинтересовано, как я полагаю, в экономическом и социальном развитии в том числе удаленных регионов нашей страны. Более того, оно обязано развивать транспортную связность подопечной территории, следуя положению статьи 27 Конституции РФ. В этом же заинтересованы и сами граждане, проживающие в России. Создание условий для концентрации населения в крупных населенных пунктах понижает живучесть страны. Горожане вымрут как мамонты, если (когда) им отключат электричество и канализацию, а «дикари» этого даже не заметят. То есть задача обеспечения заселенности и транспортной доступности регионов не только экономическая, но и стратегическая. Решить эту задачу можно тем эффективнее, чем меньше звеньев будет между правительством и непосредственными потребителями. Особенно, если эти звенья не заинтересованы в поставленной цели (например, если эффективность их работы оценивается по количеству катастроф на пассажирокилометр. Тогда будет лоббироваться использование только очень больших, дорогих и надежных самолетов, летающих по ограниченному числу маршрутов. Еще хуже, если расчет ведется просто в количестве катастроф. Тогда чем меньше полетов, тем лучше, а то как бы чего не вышло). Любое добавленное звено, будь оно саморегулирующееся, или регулируемое сверху - потенциальный носитель собственных интересов и потребитель дополнительных ресурсов. Соответственно, исполнитель распоряжений правительства должен быть один, простимулированный на эффективную работу, а также с необходимыми и достаточными полномочиями, независимый от Минтранса (в его нынешней ипостаси). Каким он может быть?

Представим, что благополучие создаваемого ведомства напрямую зависит от доходов на страхование полетов. Причем расчет страховой премии ведется за каждый полет с учетом его дальности. Чем больше километража проведенных полетов и меньше страховых выплат, тем выше доход. В такой схеме ведомство будет заинтересовано и в том, чтобы полетов было больше, и в том, чтобы они были безопасны. Так почему это не использовать, ведь все равно без страховки, в том числе за возможный ущерб третьим лицам, не обойтись?

В связи с вышеизложенным, предлагаю тем, кому придется решать проблему:

1.Инициировать производство неэтилированного авиационного бензина с нужными характеристиками для поршневой авиации, организовать его централизованную закупку и распределение таким образом, чтобы цена авиационного бензина для конечных потребителей была сравнима с ценой бензина автомобильного. Если это невозможно для неэтилированного бензина, отменить запрет №34-ФЗ в части авиационного бензина.

2.Отменить Авиационные правила АП-23 в части ограничений на пассажировместимость одномоторных самолетов.

3.Обеспечить поддержание летной годности, восстановление имеющегося парка Ан-2, и при необходимости возобновление его производства за счет оснастки, приобретенной в Китае, таким образом снизив стоимость эксплуатации этого самолета.

4. Провести модернизацию необходимого количества самолетов путем оснащения их для снижения расходов на ГСМ и продления ресурса двигателя топливными баллонами (аэродинамически предпочтительно в районе центроплана над верхним крылом, в обтекателе) для газо-конденсатного топлива (например газомоторного авиационного сконденсированного топлива АСКТ (ТУ 39 1547-91) на основе бутана, https://www.gazolet.ru/).

5.Провести модернизацию необходимого количества самолетов путем оснащения их системами активной стабилизации для противодействия болтанке, а также автопилотами, доведя самолеты до уровня опционально пилотируемых, не требующих участия второго пилота. Отменить ограничение на производство коммерческих полетов с участием единственного пилота на борту. Проработать опцию возможности временного переключения пилотирования на удаленного пилота.

6.Основываясь на китайском опыте эксплуатации беспилотных воздушных судов (далее БВС) HY100 и FP-98 на базе Ан-2, модернизировать часть парка Ан-2 для беспилотной грузовой эксплуатации. Организовать регулярные грузовые маршруты БВС в удаленные населенные пункты.

7.Исключить требование к наличию сертификата типа, а также сертификата летной годности для воздушных судов малой авиации и БВС, в том числе для их коммерческого использования. Допускать к полетам на основе наличия акта соответствия воздушного судна Общим техническим требованиям к ЕЭВС (БВС) и страховки. Возражения со ссылками на рекомендации ICAO для полетов внутри России не имеют силы – внутренние документы нашей страны имеют юридический приоритет, не ICAO здесь хозяин.

8.Свести в единую систему регистрации воздушных судов, упростив ее, действующие сейчас одновременно:

a.систему государственной регистрации прав на воздушные суда,

b.несколько систем государственной регистрации воздушных судов (государственных, гражданских, сверхлегких пилотируемых гражданских воздушных судов общего назначения),

c.системы государственного учета воздушных судов (экспериментальных воздушных судов и беспилотных гражданских воздушных судов с массой до 30 кг).

Что на будущее?

Сейчас, как я попытался обосновать, эффективней всего создать условия для возрождения прибыльной эксплуатации Ан-2 в существующем виде. Но куда двигаться дальше?

Возможно, в будущей машине аналогичного назначения поршневой мотор потребует замены, но не такой, какую много раз пытались сделать. Совместить характеристики экономичности, высотности и удельного веса турбовинтовой силовой установки с приемистостью поршневого мотора может гибридная силовая установка (ГСУ), в которой турбореактивный двигатель скомпонован с электрогенератором и стартерной/буферной батареей, подающей питание на электромоторы в крыле (или электромотор с раздаточными валами на крыльевые винты), обдувающие разнесенное оперение. Это позволит быстро и значительно увеличивать располагаемую мощность на взлетных и критических режимах. Электродвигатели не требуют винтов постоянной частоты вращения, что упрощает их конструкцию.

Для соответствия предстоящим задачам может оказаться удобной тележечная схема шасси типа Me 323 и рамповая погрузка. И конечно, это должен быть биплан :).

Несколько слов хочется сказать о безопасности.

При эксплуатации маленьких самолетов особого внимания требует соблюдение центровки в допустимом диапазоне. В этой связи было бы полезно, чтобы по разнице показаний давления жидкости в амортизаторах передних и задних стоек шасси самолет мог сам рассчитать центровку и возможно отказаться взлетать при ее нарушении. Неприятности может принести даже место расположения туалета – в маленьком самолетике вставшие со своих мест и столпившиеся у туалета в хвосте несколько пассажиров могут спровоцировать свал.

Важный компонент безопасности – доведенные до автоматизма действия экипажа при проведении полета. Можно многое списать на экипаж - мертвые сраму не имут, но есть машины, пытающиеся всячески образумить «прокладку» между штурвалом и креслом, и не дать ей загубить всех, а есть провоцирующие на опасные ошибки. Плохо, если требуемые от пилота действия отличаются от типа к типу - после переучивания на новый самолет старые навыки в критической ситуации могут «всплыть» очень невовремя. Еще хуже, если требуемые действия разнятся от модификации к модификации. К примеру, на Ан-2 установлен воздушный винт правого вращения (движется по часовой стрелке при взгляде из кабины), соответственно вынесенный вверх киль получает от косой обдувки струей винта момент рысканья влево, и чтобы снять усилие с педалей, триммер руля направления отклоняют задней кромкой влево. На самолете ТВС-2МС, являющимся модификацией Ан-2, установлен винт левого вращения, и компенсировать момент рысканья необходимо отклонением триммера руля направления в другую сторону. Катастрофа самолета ТВС-2МС RA-01460 в Нарьян-Маре была спровоцирована помимо запредельно задней центровки тем, что пилот отклонил триммер в привычную сторону, которая на модифицированной машине оказалась неправильной.

Надеюсь, во вновь проектируемой машине прошлые ошибки будут учтены.

Использованная литература

1.Радченко И. В., Крамчанинов В. П., Дубринский В. П. Самолет Ан-2. / Москва, изд. Транспорт, 1974.

2.Анисенко В.Г. Крылатая легенда. Самолеты Ан-2 и Ан-3- 60-летию первого полета Ан-2 посвящается. / — К.: «АэроХобби», 2007.

3.Бурмистров В. И. Исследование эксплуатационных характеристик двигателя самолета Ан-2 при работе на автомобильном бензине. // Международный научно-исследовательский журнал, №3 (22) 2014 Часть 2, с. 11-12.