Ещё одна концепция истребителя седьмого поколения. Малозаметный сверхманёвренный беспилотник с искусственным интеллектом и коробчатым крылом
Разговоры об истребителях седьмого поколения сегодня неизбежно относятся к футурологии. Авиационная промышленность только начинает переходить от пятого поколения к шестому, поэтому никакого общепринятого набора требований к «седьмому поколению» пока не существует. Тем интереснее попытаться представить, что произойдёт после нынешней революции в боевой авиации. Возможно, главным изменением станет даже не новый двигатель, очередное снижение радиолокационной заметности или оружие большей дальности. Из самолёта может окончательно исчезнуть человек.
Именно в таком ключе интереснее всего рассматривать представленную на иллюстрациях концепцию. Перед нами не известный проект какого-либо авиационного концерна и не рассекреченный прототип, а футуристическое представление о боевой машине будущего. Однако дизайнер объединил в ней несколько вполне реальных направлений развития авиационной техники: беспилотность, глубокую интеграцию двигателя в планер, внутреннее размещение вооружения, отказ от традиционного хвостового оперения и крайне необычную систему соединённых несущих поверхностей, которую условно можно отнести к дальнейшему развитию идей joined wing и box wing.
Главное отличие от предыдущей версии нашей концепции принципиально: никакой кабины и никакого пилота здесь нет. Это боевой беспилотник, управление которым в значительной степени передано искусственному интеллекту. И именно отсутствие человека позволяет по-настоящему раскрыть преимущества столь необычной машины.
Седьмое поколение может начаться с исчезновения пилота
Первые пять поколений реактивных истребителей развивались вокруг человека. Увеличивалась скорость, появлялись радары, управляемые ракеты, электронные системы управления и технологии малозаметности, но в центре машины неизменно оставался лётчик. Даже современные F-22, F-35 и Су-57 в этом отношении концептуально продолжают традицию самолётов середины XX века.
Шестое поколение уже начинает менять эту модель. Самолёт постепенно превращается в центральный элемент большой боевой сети, взаимодействующий с беспилотными ведомыми, разведывательными платформами, спутниками и другими источниками информации. Следующий логический шаг — убрать человека непосредственно из самолёта.
И здесь появляются возможности, которых пилотируемая авиация практически лишена.
Не нужна кабина. Исчезают фонарь, кресло, приборная панель, органы управления, кислородное оборудование и система катапультирования. Освободившийся внутренний объём можно отдать топливу, оружию, электронике или системе охлаждения. Но главное — самолёт больше не требуется проектировать вокруг физиологических возможностей человека.
Пилот способен выдерживать значительные перегрузки только ограниченное время. Для беспилотника этот предел исчезает. Ограничителем становится уже не человеческий организм, а прочность планера, возможности двигателя и работоспособность электроники.
И тогда понятие «сверхманёвренность» приобретает совершенно иной смысл.
Беспилотник, который может маневрировать намного резче человека
Современная сверхманёвренность ассоциируется прежде всего с управляемым вектором тяги, большими углами атаки и такими эффектными фигурами, как «кобра» или «чакра». Однако боевой беспилотник будущего может использовать манёвренность несколько иначе.
Представим ситуацию, когда система предупреждения обнаруживает приближающуюся ракету. Искусственному интеллекту не требуется заботиться о том, потеряет ли пилот сознание. Машина способна практически мгновенно выполнить предельно энергичный противоракетный манёвр, ограниченный только конструкционной перегрузкой.
И здесь необычная аэродинамическая схема представленного аппарата становится особенно интересной.
На изображениях практически отсутствует традиционное хвостовое оперение. Зато имеется целая система несущих поверхностей, расположенных вокруг центрального корпуса. Если добавить к ним развитые аэродинамические органы управления и сопло с отклоняемым вектором тяги, теоретически можно получить чрезвычайно высокую управляемость по всем трём осям.
А в более отдалённом будущем часть традиционных рулей вообще может исчезнуть.
Управление самолётом без привычных рулей уже перестаёт быть фантастикой
На этом месте футурология неожиданно встречается с вполне реальным самолётом.
Американская DARPA вместе с Aurora Flight Sciences работает над экспериментальным беспилотным X-65 в рамках программы CRANE. Его задача — проверить Active Flow Control, то есть активное управление воздушным потоком как средство управления самолётом. X-65 имеет 14 AFC-эффекторов и 14 традиционных управляющих поверхностей, причём во время экспериментов последние можно будет блокировать и сравнивать эффективность двух систем. Сам аппарат является беспилотным. Первый полёт сейчас планируется на 2027 год.
Принцип выглядит необычно. Вместо того чтобы обязательно отклонять крупный элерон или руль направления, можно воздействовать непосредственно на поток воздуха и таким образом создавать необходимую управляющую силу. DARPA рассчитывает проверить, насколько подобная технология способна уменьшить механическую сложность самолёта и открыть конструкторам новые варианты аэродинамической компоновки.
Для нашего гипотетического беспилотника это особенно заманчиво. Можно представить комбинацию обычных управляющих поверхностей, активного управления потоком и отклоняемого вектора тяги. Искусственный интеллект каждую долю секунды определяет, какая их комбинация обеспечивает наиболее эффективный манёвр.
Самолёт фактически перестаёт иметь привычную систему управления. В распоряжении компьютера оказывается вся его поверхность.
Самая странная деталь — коробчатое крыло
Но первое, что бросается в глаза на представленных изображениях, — даже не отсутствие кабины. Гораздо необычнее крыло.
Называть изображённую конструкцию классическим box wing можно лишь условно. Традиционное коробчатое крыло представляет собой две несущие поверхности, соединённые в районе законцовок. Более широкое семейство joined-wing включает различные варианты соединённых крыльев. Исследования таких схем ведутся много десятилетий, и их потенциальные преимущества вполне реальны.
Главная идея состоит в борьбе с индуктивным сопротивлением и концевыми вихрями. Ещё Людвиг Прандтль показывал, что правильно организованная замкнутая несущая система теоретически способна обеспечить очень выгодное распределение подъёмной силы. Современные исследования рассматривают также особенности прочности, аэроупругости и компоновки таких самолётов. Однако вместе с преимуществами возникают серьёзные сложности: соединение поверхностей, масса конструкции, устойчивость, флаттер и необходимость одновременно оптимизировать множество взаимосвязанных параметров.
А теперь представим применение этой идеи не на пассажирском самолёте, а на сверхманёвренном беспилотном истребителе.
Получается чрезвычайно интересная задача.
Несущая система должна одновременно обеспечивать небольшое сопротивление на крейсерском режиме, устойчивость на сверхзвуке, высокую эффективность при маневрировании и минимальную радиолокационную заметность. Причём последнее требование особенно сложно: соединения и дополнительные поверхности, выгодные аэродинамически, совершенно не обязательно окажутся выгодными с точки зрения стелс.
Поэтому изображённая машина — скорее фантазия на тему того, во что может превратиться box-wing после нескольких десятилетий развития материалов, компьютерного моделирования и активного управления потоком, чем готовая аэродинамическая формула.
Отсутствие кабины резко упрощает задачу стелс
И здесь беспилотность даёт ещё одно огромное преимущество.
Кабина — крайне неприятный элемент для конструктора малозаметного самолёта. Сам фонарь, металлические элементы внутри, кресло, оборудование и пилот создают дополнительные проблемы при управлении отражением радиоволн. Поэтому фонари современных стелс-истребителей получают специальные покрытия.
Беспилотнику ничего подобного не требуется.
Носовую часть можно сделать совершенно гладкой и сформировать исключительно исходя из требований аэродинамики и малозаметности. Именно это мы и видим на концепте: передняя часть машины напоминает единый обтекаемый объём без фонаря.
Внутри носа могут находиться радиолокационные антенны, оптико-электронные датчики, пассивные приёмники и аппаратура радиоэлектронной разведки.
Причём будущему беспилотнику совсем необязательно иметь одну большую РЛС в носовой части. Антенны можно распределить по различным участкам корпуса и крыла, а компьютер объединит поступающую информацию.
Фактически весь планер превращается в огромный сенсор.
Малозаметность уже не только от радара
К середине XXI века одного маленького ЭПР будет недостаточно.
Самолёт станут искать одновременно радары разных диапазонов, инфракрасные станции, пассивные радиотехнические средства, космические системы и другие самолёты. Информация от них будет объединяться алгоритмами, способными находить закономерности даже в очень слабых сигналах.
Поэтому будущему стелс-беспилотнику придётся уменьшать сразу несколько видов заметности.
Представленный концепт хорошо иллюстрирует такой подход. Двигатель глубоко утоплен в корпус. Вооружение предполагается размещать внутри. Отсутствуют классические вертикальные кили. Большинство поверхностей плавно интегрировано друг в друга.
Но наиболее сложной останется задняя полусфера.
На третьем изображении хорошо заметно крупное круглое сопло. В реальном аппарате подобная конструкция могла бы стать одним из основных источников как радиолокационной, так и инфракрасной заметности. Поэтому настоящий истребитель будущего, вероятно, получил бы гораздо более сложную систему экранирования горячих элементов двигателя и снижения температуры выхлопа.
Полностью скрыть работающий реактивный двигатель невозможно. Можно лишь максимально осложнить его обнаружение.
Один двигатель вместо двух
Ещё одна интересная особенность концепта — единственная силовая установка.
Если перед нами действительно беспилотный истребитель, подобное решение выглядит гораздо логичнее, чем в случае тяжёлой пилотируемой машины.
Один двигатель означает меньшие размеры, массу и стоимость. Требуется только один воздухозаборник, сокращается объём двигательного отсека, становится проще внутренняя компоновка. При достаточно мощной перспективной силовой установке такой аппарат может получить тяговооружённость, достаточную для сверхзвукового крейсерского полёта и чрезвычайно энергичного маневрирования.
Но исчезновение пилота меняет и отношение к риску.
Потеря одномоторного беспилотника из-за отказа двигателя — серьёзная финансовая и военная проблема, но человеческой жертвы уже нет. Поэтому требования к резервированию можно выстраивать иначе.
Вполне возможно, что будущая боевая авиация вообще разделится на небольшое количество очень дорогих командных машин и значительно более многочисленные беспилотные истребители. Для последних одномоторная компоновка окажется экономически предпочтительнее.
Искусственный интеллект здесь нужен не для рекламы
Словосочетание «искусственный интеллект» сегодня используют настолько часто, что оно постепенно превращается в маркетинговый штамп. Но для подобной машины ИИ действительно становится одним из фундаментальных элементов конструкции.
Человеческий оператор физически не сможет вручную контролировать сотни параметров сложной аэродинамической системы.
Представим, что беспилотник одновременно использует элевоны, активное управление потоком и отклоняемый вектор тяги. При каждом изменении скорости, высоты и угла атаки эффективность этих систем меняется. Компьютер должен непрерывно перераспределять управление между ними.
И это лишь пилотирование.
Одновременно необходимо анализировать информацию радара, инфракрасных датчиков и средств радиотехнической разведки, обмениваться данными с другими самолётами, выбирать маршрут, прогнозировать положение противника, обнаруживать пуски ракет и применять средства противодействия.
Человек может просто не успевать принимать решения с необходимой скоростью.
Поэтому ИИ становится настоящим электронным пилотом.
При этом автономность не обязательно означает полную свободу применения оружия. Критические решения могут оставаться за человеком, находящимся на земле, другом самолёте или командном пункте. Зато непосредственно вести машину, выбирать оптимальный манёвр и обрабатывать огромные массивы сенсорной информации способен компьютер.
Сверхманёвренность плюс ИИ — крайне неприятное сочетание для противника
Именно здесь два основных качества концепта начинают усиливать друг друга.
Человек управляет самолётом с определённой задержкой. Он должен увидеть угрозу, осознать ситуацию, принять решение и выполнить действие.
Компьютер способен пройти этот цикл значительно быстрее.
Если датчики зафиксировали пуск ракеты, ИИ мгновенно рассчитывает её возможную траекторию, оценивает запас энергии, положение остальных угроз и выбирает оптимальный манёвр. Затем одновременно задействует вектор тяги, органы управления крылом, Active Flow Control и средства радиоэлектронного противодействия.
А перегрузка выбирается уже исходя не из возможностей человеческого организма.
Так может возникнуть совершенно новый воздушный бой — слишком быстрый для непосредственного человеческого управления.
Два беспилотных истребителя обнаруживают друг друга, запускают ракеты, выполняют противоракетные манёвры и перестраивают тактику за доли секунды. Человек лишь определяет общую задачу и устанавливает допустимые рамки действий.
Внутренние отсеки вооружения становятся обязательными
На первом изображении ракеты показаны под центральной частью аппарата открыто. Для малозаметной машины подобная конфигурация имела бы смысл только в момент применения оружия либо как художественная демонстрация внутренней нагрузки.
В обычном боевом режиме всё вооружение пришлось бы скрывать внутри.
И здесь отсутствие кабины снова становится преимуществом. Центральная часть фюзеляжа освобождается, поэтому значительный объём можно выделить под отсеки вооружения и топливо.
Но к седьмому поколению могут измениться и сами ракеты.
Миниатюризация электроники позволит уменьшать размеры систем наведения. Новые двигатели и энергетически более совершенное топливо потенциально увеличат дальность. Вместо четырёх-шести крупных ракет аппарат сможет нести больше компактных средств поражения.
Не исключено появление специализированных противоракет — небольших боеприпасов для перехвата приближающихся ракет «воздух—воздух».
Тогда защита самолёта станет активной.
Он будет не только уклоняться от летящей ракеты и ставить помехи, но и пытаться физически уничтожить её на подлёте.
Один беспилотник или целая стая?
Но наиболее серьёзное изменение может произойти вообще не с самим самолётом.
Сегодня истребитель рассматривается прежде всего как отдельная боевая единица. В будущем главным станет взаимодействие машин.
Представленный беспилотник может действовать не один. Несколько таких аппаратов объединяются в распределённую группу. Один включил радар и обнаружил цель — остальные остаются в радиомолчании. Другой находится ближе к противнику и передаёт координаты. Третий несёт дополнительные ракеты. Четвёртый выполняет функции постановщика помех.
Искусственный интеллект распределяет задачи между ними.
Вместо традиционной пары истребителей возникает своего рода цифровая стая, где каждый самолёт одновременно является самостоятельной боевой единицей и частью единого организма.
Уничтожение одного элемента не разрушает всю систему. Его функции автоматически распределяются между оставшимися.
И именно такая организация может оказаться куда важнее максимальной скорости или способности выполнить очередную невероятную фигуру высшего пилотажа.
Какими могли бы быть характеристики подобного аппарата
Разумеется, изображённая машина не имеет реальных заявленных ТТХ. Поэтому приведённые ниже значения — исключительно футурологическая оценка того, какими параметрами мог бы обладать подобный беспилотный истребитель примерно во второй половине XXI века.
Предполагаемые ТТХ
- Экипаж — отсутствует
- Управление — автономное с возможностью внешнего контроля
- Максимальная взлётная масса — ориентировочно 20–30 тонн
- Силовая установка — 1 перспективный адаптивный турбореактивный двигатель
- Максимальная скорость — ориентировочно М=2–2,5
- Сверхзвуковая крейсерская скорость — около М=1,5–1,8
- Боевой радиус — ориентировочно 1500–2000 км
- Практический потолок — более 20 000 м
- Максимальная конструкционная перегрузка — потенциально значительно выше ограничений пилотируемых истребителей
- Система управления — цифровая, с элементами Active Flow Control и управляемым вектором тяги
- Аэродинамическая схема — интегральная, с элементами joined/box wing
- Вооружение — ракеты «воздух—воздух», ударные средства и перспективные противоракеты во внутренних отсеках
- Система управления боем — искусственный интеллект
- Основной режим применения — автономная или сетевая работа в составе группы беспилотных и пилотируемых систем
Но будет ли седьмое поколение вообще называться истребителем?
Именно этот вопрос может оказаться главным.
Мы по привычке представляем развитие авиации как последовательность новых самолётов. На смену F-15 пришёл F-22, затем появляются машины следующего поколения, а когда-нибудь должен появиться ещё более совершенный истребитель.
Но эта цепочка может оборваться.
Седьмое поколение способно оказаться уже не отдельным самолётом, а автономной воздушной боевой системой.
Тогда характеристики конкретного аппарата становятся вторичными. Главное — сколько датчиков объединено в сеть, насколько быстро ИИ способен принимать решения, как далеко разбросаны элементы системы и насколько эффективно они могут обмениваться информацией.
Один беспилотник обнаруживает цель.
Другой выпускает ракету.
Третий обеспечивает наведение.
Четвёртый подавляет радар противника.
Причём ни один из них необязательно должен даже видеть тот самолёт, который в итоге будет уничтожен.
Коробчатое крыло может оказаться далеко не самой революционной его особенностью
Именно поэтому представленная концепция интересна. Внешне самым необычным элементом выглядит замкнутая система несущих поверхностей. Но если попробовать перенести этот самолёт из художественного рендера в середину XXI века, оказывается, что куда более серьёзная революция спрятана внутри.
Ни одна из базовых технологий сама по себе не выглядит совершенно фантастической.
Joined-wing и box-wing исследуются уже десятилетиями, причём научная литература подтверждает как их потенциальные аэродинамические преимущества, так и серьёзные инженерные сложности. (ScienceDirect) Активное управление потоком уже проверяется на полномасштабном беспилотном X-65, который должен перейти к лётным испытаниям в 2027 году. (Aurora Flight Sciences) Автономность, сетевое взаимодействие и искусственный интеллект всё глубже проникают в военную авиацию.
Фантастическим пока остаётся объединение всего этого в одной боевой машине.
Но именно таким и может оказаться настоящий технологический скачок. Не обязательно изобретать антигравитацию или двигатель, нарушающий законы физики. Достаточно соединить несколько уже зарождающихся технологий и довести каждую до зрелости.
И тогда гипотетический истребитель седьмого поколения действительно может оказаться малозаметным сверхманёвренным беспилотником с искусственным интеллектом, необычной замкнутой несущей системой и способностью самостоятельно вести воздушный бой.
Причём отсутствие пилота окажется значительно более важной революцией, чем форма его крыла.
Источники:
https://www.darpa.mil/research/programs/control-of-revolutionary-aircraft-with-novel-effectors
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0376042116300471
