Выбор концепции

Первые проработки нового среднемагистрального пассажирского самолёта на замену Ту-154 появились в ОКБ имени Туполева в 1973 году, хотя выдвигались предложения по дальнейшей модернизации Ту-154, аналогичные проекту коренной модернизации Ту-134 — Ту-134Д. В процессе работы над новым самолётом рассмотрено множество различных схем и компоновок, которые привели к трёхдвигательной схеме широкофюзеляжного самолёта, получившего обозначение Ту-204. Главным конструктором по проекту Ту-204 в январе 1979 года назначен Л. Л. Селяков. В первоначальном проекте предусматривались объёмные багажные помещения под стандартные контейнеры с грузами, машина становилась двухпалубной за счёт некоторой переразмеренности фюзеляжа (около 4,8 м), что позволяло маневрировать в эксплуатации соотношением загрузки пассажирами и грузами и оптимизировать потери, связанные с сезонностью перевозок и изменением величины пассажиропотока.

11 августа 1981 года вышло правительственное постановление о создании среднемагистрального самолёта с тремя двигателями Д-90 и современным ему уровнем расхода топлива. В 1982 году завершили постройку макета, однако этот проект не нашёл дальнейшего развития. В процессе разработки конструкторы отказались от трёхдвигательного варианта и перешли к проектированию самолёта с фюзеляжем нормальной ширины (около 4,0 м) по двухдвигательной схеме с двигателями, подвешенными на пилонах под крылом (впервые в практике КБ Туполева). Проект был полностью переработан и стал основой для рабочего проектирования Ту-204.

Разработка

В 1982 году на коллегии МАП по инициативе министра И. С. Силаева принято решение о создании среднемагистрального самолёта Ту-204 с двумя двигателями и дальнемагистрального самолёта Ил-96 с четырьмя двигателями того же типа. В 1983 году Совет министров СССР издал постановление о разработке и постройке этих авиалайнеров. В постановлении указывалось, что создаваемые самолёты по конкурентоспособности не должны уступать западным образцам. В связи с этим объявили конкурс на выбор типового двигателя для новых пассажирских самолётов между СНТК им. Н. Д. Кузнецова и МКБ П. А. Соловьёва. Конкурс с проектом двигателя Д-90 (будущим ПС-90А) выиграло конструкторское бюро П. А. Соловьёва.

В КБ Туполева руководителем темы стал Л. А. Лановский, которого в 1985 году назначили главным конструктором Ту-204. При проектировании Ту-204 впервые широко использовали разработанную в КБ Туполева универсальную систему «Диана» для общего силового расчёта конструкции методом конечных элементов. Эта система позволила осуществить расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкции, собственных форм и частот колебаний, динамической реакции и механики разрушений.

Применение вычислительной техники дало возможность оптимизировать конструктивно-силовую схему, провести автоматизированный весовой контроль, а также программировать процесс механической обработки деталей на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Благодаря использованию программы проектирования внешних обводов удалось обеспечить аналитическую плавность поверхности крыла при его весьма сложной аэродинамической форме, а также повысить точность провязки стапельной оснастки для отдельных агрегатов и подвижных элементов по сравнению с традиционным плазово-шаблонным методом.

При отработке аэродинамической компоновки особое внимание уделили выбору обводов крыла, как основному элементу, обеспечивающему аэродинамическую эффективность самолёта в целом. При определении формообразования крыла использован комплекс расчётных программ АПАК, а также параметрические испытания 26 моделей вариантов крыльев в аэродинамических трубах ЦАГИ.

С целью снижения массы разработчики приняли решение о широком внедрении в конструкцию самолёта композитных материалов на основе угле-, стеклоорганопластиков и гибридных материалов. Совместно с ВИАМ выполнен большой объём экспериментальных работ по исследованию композитных материалов на образцах и опытных изделиях, в результате чего разработана и внедрена директивная технология изготовления композитных деталей Ту-204. Масса применённых на самолёте композитных материалов составила 14 % от массы конструкции.

При разработке конструкции внедрены и другие технологические новшества: использованы длинномерные монолитно-сборные панели, панели крыла без стыков обшивок, крупноразмерные листы обшивок фюзеляжа и усовершенствованные крепёжные детали, в том числе титановые. Использование длинномерных полуфабрикатов и крупногабаритных листов позволило существенно уменьшить количество стыков на фюзеляже, в результате чего снизилась масса конструкции и улучшилось качество внешней поверхности самолёта. Особое внимание уделили повышению коррозионной стойкости конструкции. Усовершенствована схема теплозвукоизоляции, в нижней части гермокабины установлены дренажные клапаны, и усилено лакокрасочное покрытие. В конструкции применены новые материалы с улучшенными характеристиками вязкости, малоцикловой усталости, низкими скоростями роста трещин, а также высокопрочные с хорошими усталостными характеристиками.

К моменту окончания проектирования самолёт решили серийно строить на Ульяновском авиационно-промышленном комплексе (УАПК) им. Д. Ф. Устинова (с 1992 года ЗАО «Авиастар-СП»). Первый Ту-204 построен в Москве опытным производством АНТК им. А. Н. Туполева совместно с УАПК.

Испытания

Для проведения ресурсных и прочностных испытаний использовались два специально построенных самолёта. Ещё на этапе проектирования перешли от расчётов на статику к расчётам на ресурс и живучесть, что привело к снижению действующих напряжений. Экспериментальный «крест» (крыло — фюзеляж) после всех статических испытаний и искусственного доведения трещины до расчётного (нормированного) размера выдержал нагрузку в 140 % от расчётной.

Бортовые системы отрабатывались на стендах, а на моторно-испытательном комплексе смонтировали и испытали полноразмерную топливную систему.

Первый полёт опытного Ту-204 состоялся 2 января 1989 года на аэродроме «Раменское». Первая машина была оборудована средствами экстренного спасения экипажа, в пассажирском салоне установили большое количество различной контрольно-записывающей аппаратуры, которая должна была контролировать работу всех систем и агрегатов самолёта. Освоение серийного производства авиалайнера в Ульяновске началось ещё в 1987 году, поэтому в сертификационных испытаниях кроме опытной машины участвовали ещё три предсерийных самолёта, построенных УАПК.

По результатам испытаний в конструкцию самолёта был внесён ряд доработок и усовершенствований технологии производства. Большое внимание уделено отработке новых цифровых систем самолёта. В частности, разработаны 23 варианта автоматической бортовой системы штурвального управления, каждый из которых требовал не только тщательной проверки на надёжность, но и лётных испытаний. На всё это уходило время, одновременно с экономическими трудностями в стране начало снижаться финансирование программы, что растянуло сроки испытаний и получения сертификата типа на самолёт.

Полное прекращение бюджетного финансирования в начале 1990-х годов практически остановило сертификационные испытания, а самолёту ещё предстояли эксплуатационные испытания как неотъемлемая часть общего объёма испытаний пассажирского самолёта до передачи его авиакомпании.

Программа эксплуатационных испытаний включала в себя 250—400 полётов с общим налётом не менее 1000 часов. Многократные попытки КБ договориться о сокращении объёма эксплуатационных испытаний закончились безрезультатно. Отраслевые институты (ГосНИИ ГА и ГосНИИ АН) также остались без государственного финансирования и были заинтересованы в проведении максимально возможного количества полётов. Поэтому решили зарабатывать средства самостоятельно, начав перевозку грузов на этапе самих эксплуатационных испытаний.

Благодаря усилиям занимавшего в то время должность начальника ЖЛИиДБ В. Т. Климова, решение о совмещении эксплуатационных испытаний с грузовыми перевозками на самолётах Ту-204 подписано премьер-министром РФ В. С. Черномырдиным. Появилась возможность оплачивать авиационное топливо, аэропортовые сборы, метеообеспечение и аэронавигацию, а также стимулировать непосредственных участников испытаний в АНТК им. А. Н. Туполева, ЛИИ, ГосНИИ ГА, ГосНИИ АН и других организациях. Таким образом, только благодаря этим своевременно принятым мерам удалось закрыть все долги и в полном объёме завершить эксплуатационные испытания Ту-204.

Сертификат типа № 68-204 на самолёт Ту-204 с двигателями ПС-90А получен 29 декабря 1994 года.

Самолёты семейства Ту-204/214 представляют собой свободнонесущие монопланы нормальной схемы с низкорасположенным стреловидным крылом и двумя турбовентиляторными двигателями, установленными на пилонах под крылом. Крыло большого удлинения образовано сверхкритическими профилями, имеет отрицательную аэродинамическую крутку, положительный угол поперечного V (4°) и установлено под углом 3° 15’ к строительной горизонтали фюзеляжа. На концах крыла установлены вертикальные концевые крылышки (ВКК) — специально спрофилированные аэродинамические поверхности (винглеты) для снижения индуктивного сопротивления.

Механизация крыла состоит из предкрылков вдоль всей передней кромки и двухщелевых закрылков. Шасси — убирающееся, трёхопорное, с носовой стойкой. Силовая установка состоит из двух ТРДД ПС-90А или RB211-535E4 (модификации Ту-204-120).

Ту-204 — один из немногих пассажирских самолётов, который на практике подтвердил возможность безопасного завершения полёта со всеми неработающими двигателями. 14 января 2002 года самолёт Ту-204-100 № 64011 авиакомпании «Сибирь», следовавший рейсом Франкфурт — Новосибирск, в сложных метеоусловиях выработал всё топливо за 17 км от аэропорта Омска и совершил успешную посадку с двумя неработающими двигателями. При посадке никто не пострадал, а самолёт вскоре вернулся в эксплуатацию.

Система кондиционирования воздуха

Система кондиционирования воздуха (СКВ) состоит из:

Воздух в систему кондиционирования отбирается от компрессоров двигателей или ВСУ. Предусмотрена возможность подключения наземного кондиционера.

Система отбора воздуха обеспечивает подачу воздуха на наддув, охлаждение или обогрев гермокабины, на обогрев ВСУ, на аварийный наддув гидробаков, а также подачу воздуха на стартер воздушного запуска двигателя.

Регулирование температуры воздуха в кабине экипажа и пассажирских салонах производится автоматически в соответствии с установкой задатчиков температуры.

Система управления

Система управления электродистанционная, имеет четыре контура:

Перемещение рулевых поверхностей осуществляется гидравлическими приводами системы управления рулями (СУР). На самолётах семейства установлена разработанная с участием ЦАГИ автоматизированная система штурвального управления (АСШУ), входящая в систему управления рулями. Обеспечивая стабильность характеристик управляемости, система управления повышает безопасность полёта и существенно облегчает работу экипажа. Комплекс СУР с АСШУ выполняет следующие функции:

Штурвальное управление по тангажу и крену осуществляется от Y-образных миништурвалов, а по курсу — от педалей. Конструктивно миништурвал и педали установлены на посту управления, обеспечивающем размещение внутренней проводки управления в минимальных габаритах. Посты управления механически связаны друг с другом. На случай заклинивания предусмотрена возможность рассоединения механической проводки между постами управления рукояткой «РАСЦЕП» с выбором приоритета управления электродистанционных контуров АСШУ с рабочего места левого или правого лётчика.

Система управления обеспечивает алгоритмическую защиту от касания хвостом полосы, а также в случае отказа двигателя автоматически отклоняет руль направления для парирования разворачивающего момента.

Система электроснабжения

Источниками электроэнергии являются генераторы (по одному на каждом двигателе), генератор ВСУ, аккумуляторы, а также работающие от гидросистемы аварийные привод-генераторы. На самолётах некоторых модификаций установлены генераторы переменных оборотов — постоянной частоты.

Основная система электроснабжения переменного трёхфазного тока напряжением 115/200 В стабильной частоты 400 Гц.

Вторичная система электроснабжения переменного тока напряжением 115/200 В стабильной частоты 400 Гц.

Вторичная система электроснабжения постоянного тока напряжением 27 В.

Оборудование

Комплексная информационная система сигнализации (КИСС) обеспечивает выдачу на многофункциональных жидкокристаллических индикаторах текущей информации о параметрах работы двигателей, о параметрах и состоянии бортовых систем, а также об отказах в системах с рекомендациями по необходимым действиям экипажа. КИСС выдаёт также предупреждающую и аварийную звуковую сигнализацию. Одновременно КИСС собирает информацию для многоканальной системы регистрации параметров (МСРП), которая фиксирует параметры полёта и передаёт информацию в систему сбора и локализации отказов (ССЛО).

Информация, необходимая для пилотирования самолёта, выдаётся системой электронной индикации СЭИ на двух парах многоцветных жидкокристаллических индикаторов (комплексно-пилотажном индикаторе (КПИ) и комплексном индикаторе навигационной обстановки (КИНО), расположенных горизонтально на приборной панели пилотов. На индикаторы СЭИ также выводится видеоизображение с камер внутреннего наблюдения.

Пилотажно-навигационное оборудование обеспечивает автоматическое самолётовождение по заданным в плане полёта траекториям при полётах по оборудованным и необорудованным международным и внутренним воздушным трассам с выполнением требований RNP (англ.)рус. и RVSM.

В состав цифрового комплекса пилотажно-навигационного оборудования входят:

Все параметры полёта, навигационная и метеорологическая обстановка выдаются на экраны системы электронной индикации. Информация на экранах может выдаваться как в метрической, так и в британской системе единиц.

Резервные пилотажные приборы — указатель скорости, вариометр, барометрический высотомер, авиагоризонт, радиомагнитный индикатор, магнитный компас.

Автоматическое управление самолётом осуществляется вычислительной системой управления полётом (ВСУП) и вычислительной системой управления тягой (ВСУТ).

ВСУП формирует сигналы автоматического управления самолётом и командных индексов электронных индикаторов для директорного управления, а также другую информацию в смежные системы.

ВСУТ формирует сигналы для управления тягой и перемещения рычагов управления двигателями в зависимости от конфигурации самолёта и заданных экипажем или ВСУП параметров полёта.

Бортовые системы сопрягаются между собой с помощью широко распространённого интерфейса ARINC 429, что упрощает модернизацию оборудования, в том числе путём применения импортных комплектующих.

Топливная система

Топливо на самолёте размещено в кессон-баках, образованных загерметизированной силовой конструкцией планера самолёта.

Расположение баков:

Суммарная масса топлива составляет 35 710 кг. На некоторых специальных модификациях самолётов Ту-204/214 устанавливаются дополнительные топливные баки в фюзеляже.

Для уменьшения сопротивления в крейсерском режиме полёта применена автоматическая перекачка топлива после взлёта в хвостовой бак, размещённый в киле самолёта. Это позволяет смещать центр масс самолёта на 10 % средней аэродинамической хорды, тем самым уменьшая потери на балансировочное сопротивление.

Гидравлическая система

Гидравлическая система выполнена в виде трёх независимых подсистем.

Основными источниками гидравлической мощности в гидросистемах являются насосы переменной производительности с приводом от двигателей самолёта.

Резервными источниками гидравлической мощности являются электрические насосные станции — по одной в каждой гидросистеме.

Аварийным источником гидравлической мощности является турбонасосная установка, которая выпускается в поток воздуха автоматически при отказе двух двигателей и после отключения двух генераторов, а также в ручном режиме. На ульяновских Ту-204 она расположена на правом борту, а на казанских Ту-214 — на левом.

Рабочая жидкость — НГЖ-5У, Skydrol LD-4 или Skydrol 500 B4. Рабочее давление в гидросистеме — 210 кгс/см2.

Противообледенительная система (ПОС)

От обледенения защищены носки воздухозаборников двигателей, обтекатели вентилятора, лобовые стёкла кабины экипажа, приёмники полного давления, датчики аэродинамических углов.

Крыло и оперение мало подвержены нарастанию льда и противообледенительной системой не оснащены. Среди современных магистральных самолётов Ту-204 — единственный, крыло которого не требует наличия противообледенительной системы. В ходе испытаний подтверждена безопасность полётов без противообледенительной системы на несущих поверхностях и получены российский и европейский сертификаты.