Типы авиационных двигателей.
Неоднократно в своих рассказах я упоминал авиадвигатели, но ведь при таком разнообразии летательных аппаратов неизбежно и разнообразие двигателей. Поэтому, я думаю, пришла пора этот вопрос рассмотреть поближе.
Типы авиационных двигателей. На самом деле их существует не так уж мало и всю информацию о них в одной статье уместить было бы неправильно. Получилось бы слишком длинно. Поэтому я подумал: пусть будет цикл статей о типах авиадвигателей. В нем каждому типу будет посвящена одна статья, со всеми необходимыми подробностями. А эта, первая, будет общая, так сказать ознакомительная :-)… Я тут попытался изобразить схемку, надеюсь она вам поможет :-). Итак, начнем…
Авиадвигатели можно подразделять по разному, но мне больше нравится их деление по отношению к атмосферному воздуху. То есть они делятся на такие, которым атмосфера для работы необходима и такие, которым она в принципе не нужна, более того даже снижает их эффективность.
Вторые – это ракетные двигатели, а первые назовем атмосферными (воздушными) . Любой из авиадвигателей использует химическую реакцию окисления топлива или, говоря человеческим языком, горения. Для окисления (горения) в воздушных двигателях используется атмосферный окислитель – кислород, а в ракетных он не нужен, потому что запас окислителя (как и топлива) имеется на борту. Более того для создания самого процесса движения воздушный двигатель так или иначе взаимодействует с атмосферой, либо посредством винта, либо воздух становится рабочим телом двигателя. В ракетном двигателе рабочее тело – это газы, получившиеся при сгорании топлива.
Жидкостный ракетный двигатель. Правда неавиационный ��
Ракетные двигатели делятся на твердотопливные ( РДТТ ) и жидкостные ( ЖРД ). В первых и топливо, и окислитель в готовом виде спрессованы в корпусе в специальную шашку. А во втором они подаются определенным образом в жидком виде в камеру сгорания.
Воздушные двигатели делятся на реактивные (их еще называют в соответствии с темой воздушно-реактивными, ВРД ) и винтовые . В первых тяга образуется за счет выхода из сопла реактивной струи, а во вторых за счет взаимодействия с воздушной средой вращающегося воздушного винта.
Еще один поршневой двигатель :-). Фирма Siemens.
Винтовые, в свою очередь, могут быть винто-моторными, то есть, попросту говоря, поршневыми (о них мы уже не раз упоминали и еще не раз вспомним :-)) или турбовинтовыми (ТВД). ТВД – это по сути своей ТРД, у которого львиная доля мощности срабатывается на турбине для вращения воздушного винта, который укреплен на валу перед компрессором (через редуктор).
Турбовинтовой двигатель ТВ3-117ВМА-СБМ1.
АН-140. На этом самолете установлены двигатели ТВ3-117ВМА-СБМ1.
Реактивные двигатели – это, в первую очередь турбореактивные (ТРД). О них вы уже знаете из этой статьи. Далее, развитие ТРД – двухконтурный турбореактивный двигатель (ДТРД или ТРДД ). Это двигатель в котором помимо основного тракта (контура) добавлен еще один контур, в котором воздух прогоняется передними ступенями компрессора (их еще назвают вентилятором) поверх основного контура прямо в сопло. Эти двигатели славятся большой экономичностью.
Как простой ТРД, так и двухконтурный могут быть форсированными. Бывает, что необходимо дополнительное увеличение мощности (часто кратковременное). А так как в газах, прошедших турбину, обычно есть еще достаточное количество кислорода, то организуют дополнительный подвод топлива в затурбинное пространство, его поджог, и получается форсажная камера. С ее помощью мощность двигателя можно значительно увеличить (обычно более, чем на треть). Получаем ТРДФ или ТРДДФ . Такой прием чаще всего применяется на военных самолетах.
Еще два вида реактивных двигателей – это прямоточный и пульсирующий воздушно-реактивные двигатели ( ПВРД и ПуВРД ). Это те самые реактивные двигатели, у которых нет турбины, как, впрочем, и компрессора. То есть у них нет вращающегося вала. Это очень специфичные малоприменяемые, однако достаточно интересные двигатели. О них я расскажу в отдельных статьях.
Основные типы авиационных двигателей я перечислил. Однако обязательно надо сказать, что в науке о тепловых машинах существует понятие газотурбинного двигателя (ГТД). И вобщем-то, строго говоря, ТРД – это разновидность ГТД . И первоначально был разработан именно ГТД, как полезный механизм, но не для авиации. В ГТД практически нет выходящей реактивной струи. Вся его мощность превращается турбиной в мощность на валу двигателя, а этот вал вращает нужные человеку агрегаты. В нашем авиационном случае он вращает винт, и чаще всего это несущий винт вертолета. Такие двигатели так и называются: вертолетные ГТД. Или еще по-другому турбовальные двигатели (от слов турбина, вал). В этом же ключе к ГТД можно отнести и турбовинтовые двигатели(ТВД), так как реактивной тяги у них сохранилась только очень малая часть.
Вертолетный ГТД (турбовальный) Д-136. Устанавливается на вертолеты МИ-26
В заключение скажу, что есть еще, скажем так, экзотические виды двигателей. Это такие, как, например, ракетные двигатели на ядерном или электро-ядерном топливе, турборакетные или ракетно- прямоточные двигатели и т.д. Такие двигатели обычно либо в практической (или даже теоретической) разработке, либо в единичных опытных образцах, будущее которых туманно. Я даже не стал включать их в схему. В дальнейшем, если будет к ним интерес и достаточно информации, я о них напишу.
Вот, пожалуй, и все. С вводной темой «Типы авиационных двигателей» мы покончили. Теперь черед более детальных и обязательно более интересных статей �� о каждом типе в отдельности.
This entry was posted in АВИАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ and tagged авиационный двигатель. Bookmark the permalink.
Авиа двигатели. Типы двигателей используемых в авиастроении
Именно благодаря использованию авиа двигателей, прогресс развития современной авиации продолжает развиваться. Первые самолёты которые не были оснащены двигателями практически не получили своего практического применения, так как не могли перевозить более одного человека, да и значительные расстояния преодолеваемые такими воздушными судами большими никак не назовёшь.
Все авиа двигатели принято разделять на 9 основных категорий.
- Паровые авиа двигатели;
- Поршневые авиа двигатели;
- Атомные авиа двигатели;
- Ракетные авиа двигатели;
- Реактивные авиа двигатели;
- Газотурбинные авиа двигатели;
- Турбовинтовые авиа двигатели;
- Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;
- Турбовентиляторные авиа двигатели.
Паровые авиа двигатели
Паровые авиа двигатели практически не нашли своего практического применения в авиации из-за низкого КПД своей работы. Главным принципом работы парового авиационного двигателя является преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение винтов за счёт энергии пара.
Стоит отметить, что первоначально паровые авиа двигатели предполагалось использовать на заре авиации, когда источник пара был наиболее доступным, однако из-за массивности своей конструкции паровые двигатели не смогли поднимать воздушные суда.
Поршневые авиа двигатели
Поршневой авиа двигатель представляет собой обычный двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяемого газа превращает поступательное движение поршня во вращательное движение винта. Такие авиа двигатели нашли своё применение, и применяются и по сегодняшний день из-за простоты своего функционирования и недорогостоящего изготовления.
КПД поршневого авиационного двигателя, как правило, не превышает 55 %, однако это ничуть не смущает современных авиаконструкторов, так как у этого двигателя имеется высокая надёжность.
Атомные авиа двигатели
Первые атомные авиа двигатели начали появляться в середине минувшего века, когда начались мирные исследования атома. Основным принципом работы атомного авиационного двигателя является осуществление контролируемой цепной ядерной реакции, что позволяло выдавать огромную мощность, при сравнительно небольшом уровне затрат.
Атомные авиа двигатели практически одновременно появились и в США и в СССР, однако сама идея того, что самолёт, пусть и с весьма компактным атомным реактором на своём борту может упасть и это впоследствии приведёт к катастрофе, заставила отказаться от этой идеи.
В США атомный авиационный двигатель применялся на самолёте Convair NB-36H, а в СССР на самолётах Ту-95 и Ан-22.
Ракетные авиа двигатели
Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.
Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.
Реактивные авиа двигатели
Реактивные двигатели весьма распространены на сегодняшний день в авиации и авиаконструкторском деле. Принцип работы этих авиа двигателей основывается на то, что необходимая тяга для воздушного судна создаётся за счёт преобразования в кинетическую энергию реактивную струи внутренней энергии авиационного топлива.
Реактивные двигатели весьма надёжны и эффективны и потому в ближайшее время стоит ожидать их дальнейшего совершенствования и развития.
Газотурбинные авиа двигатели
Принцип работы газотурбинного авиационного двигателя основывается на сжатии и нагреве газа, энергия которого впоследствии преобразуется в механическую работу, заставляя вращаться газовую турбину. Первые двигатели данного класса появились в Германии ещё в начале 40-х годов прошлого века, и на сегодняшний день они по-прежнему продолжают широко применяться в военной авиации, в частности устанавливаются на самолётах Су-27, МиГ-29, F-22, F-35 и т.д.
Газотурбинные авиа двигатели весьма эффективны на сравнительно небольших скоростях перемещения воздушных судов, и потому их применение в гражданской авиации также весьма обоснованно.
Турбовинтовые авиа двигатели
Турбовинтовые авиа двигатели представляют собой своеобразную разновидность газотурбинный авиационных двигателей, принцип действия которых основывается на том, что энергия горячих газов преобразуется во вращение винта, а около 10% от совокупной энергии превращается в толкающую реактивную струю.
Турбовинтовые авиа двигатели имеют хороший КПД и надёжны, что делает их эффективными и применимыми в гражданской авиации на многих воздушных судах.
Пульсирующие воздушно-реактивные авиа двигатели
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не нашли применения в современной авиации из-за неудовлетворительной своей эффективности. Главной особенностью их функционирования является то, что работают они на принципе воздушно-реактивного двигателя. С той лишь разницей, что топливо в камеру сгорания подаётся периодически, создавая своеобразные импульсы, позволяющие двигать объект в заданном направлении.
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели эффективны лишь при однократном своём использовании, в последующих же случаях, их использование снижает и саму надёжность и увеличивает затраты.
Турбовентиляторные авиа двигатели
Принцип работы турбовентиляторных авиационных двигателей сводится к тому, что подаваемый за счёт вентилятора воздух. Обеспечивает полное сгорание топлива за счёт избытка кислорода, что делает такие авиа двигатели и более эффективными и в тоже время наиболее экологически чистыми. Применяются подобные турбовентиляторные авиа двигатели как правило на крупных авиалайнерах, так как практически всегда у них имеется большая конструкция за счёт необходимости нагнетания дополнительного объёма воздуха.
Как работает двигатель самолета: из чего он состоит и как устроен
Конструктивные особенности летательных аппаратов, применяемых в авиационной сфере сегодня, обеспечивают оптимальные условия для стабильных и безопасных полетов на высокой скорости. Прародитель реактивных и турбореактивных силовых установок — коловратный движок с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, который был изобретен еще в XVIII веке. Конфигурации систем, в основе которых лежит схожий принцип, позволяют максимально эффективно использовать входящие воздушные потоки, необходимые для вращения турбин. За счет чего запускаются и на чем работают двигатели, которые установлены на современных пассажирских самолетах, из чего они состоят и как устроены, какие бывают виды с точки зрения функциональных и технических характеристик? Давайте разбираться.
Общее представление
Силовая установка — обобщающее понятие, используемое для обозначения сложных устройств, благодаря которым летательные аппараты могут не только подниматься в воздух, но и преодолевать огромные расстояния с минимальными временными затратами. У планеров, летающих только за счет аэродинамической подъемной силы, подобные системы изначально не предусмотрены, тогда как для условных авиалайнеров их наличие является необходимым фактором. Если говорить о том, как делают двигатели, какая мощность, сила тяги, предельная высота и масса будут у самолета — нельзя не отметить, что стоимость разработки и изготовления может составлять до половины от общей цены создания очередного лайнера. В том числе ввиду того что на сегодняшний день технологии и компетенции в области гражданского двигателестроения имеются у относительно небольшого числа стран.
Конструктивные особенности
Конфигурация силовых установок, в которых внутренняя температура во время эксплуатации может превышать пороговые значения в две тысячи градусов Цельсия, отличается особой сложностью. В первую очередь из-за необходимости использования при создании деталей материалов, устойчивых к возгоранию и экстремальному термическому воздействию. Вопросам, связанным с изготовлением турбореактивных моделей, посвящена отдельная научная область.
Конструкция ТРД предусматривает наличие нескольких элементов, каждый из которых выполняет заданный функционал. Для полноценного функционирования системы нужны вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло.
Вращающиеся многолопастные модули особой формы втягивают воздушные потоки с максимально возможной скоростью и эффективностью, выдерживая повышенные нагрузки, благодаря выбору титана в качестве основного материала. Задача вентиляционного элемента — не только обеспечивать подачу, но и прокачивать воздух между деталями и оболочкой, создавая эффект охлаждения и препятствуя разрушительному воздействию экстремальных температур от сгорающего топлива.
Рядом с вентилятором расположен высокомощный компрессор, благодаря которому возникает возможность перенаправить массу, находящуюся под давлением, внутрь камеры сгорания. Результатом становится образование обогащенной смеси, при поджигании нагревающей все вокруг до 1500-2000 градусов. В данном случае достаточным сопротивлением к термическому воздействию обладает керамика, чаще всего выступающая материалом изготовления основного преобразующего модуля.
Дальнейшее направление работы двигателя самолета — турбина. Специальное устройство, конфигурация которого предусматривает использование многочисленных элементов в виде лопатки, принимает на себя давление, нагнетаемое потоком, за счет чего возникает вращение вала с установленным вентилятором. Фактически речь идет о замкнутой системе, где для полноценного функционирования достаточно только воздуха и топлива.
Завершающей фазой первого цикла становится поступление смеси в сопло, где формируется реактивная струя: разрушению корпуса и плавлению манжеты препятствует параллельное нагнетание холодной воздушной массы. Оптимальным вариантом считается подвижная модификация, способная не только расширять и сжимать выходное отверстие, но и корректировать угол, задавая таким образом нужное направление и повышая общие характеристики маневренности.
Базовые принципы
Итак, еще раз кратко о том, как выглядит и работает двигатель самолета, и что служит рабочим телом в конструкции. Движение обеспечивается за счет формируемой силовой установкой турбореактивной тяги, мощность которой позволяет легко поднять и разогнать до нужной скорости массивное строение. Отдача струи газа, вылетающей из сопла, фактически толкает летательный аппарат в нужном направлении, используя воздух в качестве основания.
Для большинства систем, используемых в современной авиации, характерно наличие компьютерного модуля Full Authority Digital Engine Control System, сокращенно — FADEC. Функциональной задачей устройства выступает анализ ключевых параметров, характеризующих рабочее состояние, условия внешней среды и поступающие от органов управления сигналы, а также контроль за приводами, так или иначе, способными оказать влияние на силовую установку.
Цифровой блок охватывает буквально все аспекты работы, полностью отвечая за эксплуатационные циклы — схема не предусматривает интеграции резервного контура или дополнительных тяг для регулировки газа. Помимо входящей информации, относящейся к управленческому процессу, система также:
- Анализирует данные о воздушной скорости, давлении и температуре.
- Контролирует показатели датчиков обжатия шасси для оценки возможности задействования реверса.
- Вносит корректировки исходя из объема поступающего воздуха, и выполняет иные задачи.
Какие двигатели ставят на современные самолеты
Существует несколько вариантов, различающихся между собой конструктивными и эксплуатационными особенностями.
Классические
Работают в соответствии с вышеописанным принципом. Подходят для использования на судах разных модификаций и активно применяются в гражданской авиации.
Турбовинтовые
Выполняют основную функцию немного иначе. Конструкция не предполагает механической связи газовой турбины и трансмиссии, поэтому движение летательного аппарата обеспечивается реактивной тягой лишь отчасти. Основной объем энергии, вырабатываемой в результате горения топливной смеси, силовая установка направляет через редуктор на привод винта, что делает конфигурацию более экономичной, но ограничивает верхний потенциал скоростных характеристик.
Турбовентиляторные
Говоря о том, на каких типах двигателей летают самолеты, нельзя не упомянуть и о комбинированных системах, объединяющих в себе отдельные элементы турбореактивных и турбовинтовых устройств. Отличительная особенность — увеличенные габариты лопастей вентилятора, который, как и винтовая часть, работает на дозвуковых скоростях. Снижение интенсивности воздушного потока обеспечивается обтекателем, внутри которого размещается лопастная конструкция. Подобные модификации экономичнее в плане расхода топлива, а также демонстрируют повышенный КПД, что делает целесообразной их применение на пассажирских авиалайнерах и грузовых судах с увеличенной вместительностью.
Прямоточные
Воздушно-реактивные установки не предусматривают наличия в конфигурации подвижных элементов. Втягивание воздуха происходит естественным путем за счет размещения возле входного отверстия элемента, снижающего уровень аэродинамического сопротивления — обтекателя. С момента поступления потока процесс становится аналогичным классической схеме.
Характеристики мощности
Разобравшись в том, что такое тяга, и какие модели двигателей стоят на самолетах сегодня, можно отметить, что некоторые из этих летательных аппаратов оснащаются турбовинтовыми установками. Их конфигурация заметно проще, чем у турбореактивных, из-за чего возникает логичный вопрос — для чего вообще нужны более сложные модификации? Ответ очевиден: мощностные показатели, демонстрируемые ТРД, в десятки раз выше, аналогичных результатов, достигаемых винтовыми конструкциями. Увеличенная сила способствует повышению предельно допустимой массы и скорости. Единственным ограничением в данном случае остается температура газов за камерой сгорания, поднять которую пока что не позволяют свойства материалов, доступных для изготовления конструкционных деталей.
Как заводят двигатель самолета
В процессе запуска необходимо решить три основных задачи: придать достаточную скорость вращения турбине высокого давления, обеспечить подачу топлива и создать искру для его возгорания.
Раскрутка турбинной части до интенсивности в районе 50% от предельных оборотов позволяет устройству продолжить работу самостоятельно. Первоначальный импульс может быть обеспечен электрическим стартером либо направленным воздушным потоком, генерируемым пневматикой, которая, в свою очередь, берет воздух под повышенным давлением из вспомогательной силовой установки или иного источника.
Стандартный алгоритм действий предусматривает следующую последовательность:
- Перевод в положение «ON» переключателя и тумблера.
- Автоматическое открытие FADEC кранов пневматической и топливной систем.
- Запуск турбины и подача искры на свечи зажигания.
- Старт второго двигателя после выхода на нужные обороты.
- Отключение стартового модуля ввиду выполнения им основной задачи.
В отдельных ситуациях может возникнуть потребность в создании эффекта вращения без перехода в активную рабочую фазу. Подобная практика, к примеру, актуальна при проведении диагностических процедур, а также во время промывки внутренней конфигурации керосином после продолжительной консервации. Для этого используется отдельное положение переключателя — CRANK, при котором общий цикл остается неизменным, но отсутствует искра на свечах зажигания.
Как осуществляется управление
Вне зависимости от того, какое максимальное количество двигателей в гондолах крепится к крыльям самолета — это, как правило, зависит от типа конфигурации и целевых задач конкретной модели — для каждого из них должен присутствовать свой управляющий рычаг. Принцип взаимодействия максимально упрощен: отталкивая рукоятку в направлении от себя, пилот увеличивает скорость вращения и мощность реактивной тяги, притягивая — заставляет силовую установку работать медленнее. Учитывая отсутствие прямой связи с топливным дросселем, потенциальный риск чрезмерной или недостаточной подачи горючей смеси исключается полностью — сжечь или заглушить двигатель вручную не получится. Кроме того, за рабочим состоянием и предельными температурами во время полета следит FADEC.
В сегменте «малого газа» размещается упор, поэтому для разблокировки режима реверса потребуется вытянуть специальную скобу. Реверсное функционирование предполагает использование вспомогательных створок, которые отводят поток в обратном направлении и тем самым помогают самолету постепенно замедлиться и остановиться.
Любопытно, что при продолжительном использовании возможно даже движение воздушного судна на ВПП задом — однако в этом случае возникает риск попадания внутрь силовых установок, висящих под крыльями, различного мусора, что обусловливает отрицательные рекомендации. Также стоит отметить работу FADEC, который проводит автоматический анализ положения рычагов, и в режиме реального времени сопоставляет результаты с параметрами датчиков обжатия шасси. Благодаря этому, случайный запуск реверса во время нахождения судна в воздухе в принципе невозможен.
Конфигурация предусматривает наличие особого аварийного режима, для включения которого необходимо приложить к рычагам определенное усилие и перевести их дальше базового взлетного положения. Применение допускается в случае отказа одного из двигателей на взлете и обусловливается необходимостью компенсации потерянного ресурса для набора приемлемой и безопасной высоты.
Индикаторы и сигнальные модули
Сведения о показателях текущей работы отображаются на фронтальной панели в центральной части дисплея, а также на отдельной странице, где представлен расширенный набор характеристик. В перечень данных, которые выводятся на постоянной основе, входят:
- Уровень оборотов вентилятора, определяющий мощность тяги.
- Температура образующихся выхлопных газов, служащая ограничителем топливной подачи для автоматической системы, предупреждающей плавление деталей турбины.
- Заданное значение интенсивности вращения — промежуток разгона от малого газа до режима взлета составляет несколько десятков секунд, что обусловливает разницу между фактическими и целевыми показателями.
- Характеристики рабочего состояния независимых турбинных установок высокого давления, важные с точки зрения процедуры запуска.
- Текущее потребление топлива, выбранная программа работы двигателя, а также признаки включения реверса.
На отдельной странице также могут быть отражены вспомогательные данные, характеризующие состояние масла, уровень вибраций, расход горючего с момента последнего запуска, показатели давления в пневматической системе и т. д.
Нелокализованный разлет осколков
К числу факторов, оказывающих заметное влияние на выбор конструкции при создании специализированного бортового оборудования для воздушных судов, в том числе относят данное явление, возникающее в случае взрыва силовой установки. Считается, что в подобной ситуации осколки компрессорных и турбинных лопаток будут иметь запас энергии, достаточный для разрушения любых механических преград, в том числе — деталей и элементов, обеспечивающих функционирование всей системы.
Безопасное завершение полета при возникновении нелокализованного разлета окажется возможным при условии наличия резервных проводов, расположенных на расстоянии, исключающем одновременное повреждение осколками основного и запасного каналов. Практика показывает, что современные технологии и материалы, используемые в авиационной промышленности, сводят к минимуму вероятность подобных инцидентов — однако консервативный подход требует учета в архитектуре противодействия любым потенциальным рискам.
Подведем итоги
Современные технологии позволяют создавать мощные силовые установки, обеспечивающие максимальную эффективность эксплуатации воздушных судов. Чтобы понять, как перезапустить двигатель самолета или как называется тот или иной модуль, необходимо уделить время изучению особенностей наиболее распространенных конфигураций.
На каких двигателях полетят новые российские самолеты
Как рождается двигатель для гиперзвукового самолета? Когда МС-21 полетит с российским ПД-14? Почему испытатели всегда и все пытаются сломать? Об этом корреспондент «РГ» беседует с генеральным директором Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова Михаилом Гординым.
Александр Корольков/РГ
Но начался разговор с одной из самых горячих тем последних дней: столкновение самолета А321 с птицами и экстренная посадка с неработающими двигателями на кукурузное поле.
Михаил Валерьевич, как вы прокомментируете случившееся?
Михаил Гордин: Безусловно, мы следим за ситуацией, насколько это возможно. Хотя, конечно, комментарии до объявления официальных результатов считаю преждевременными. В комиссию по расследованию таких летных происшествий специалисты ЦИАМ обычно не входят. Когда будут результаты, мы обязательно с ними будем ознакомлены для использования в дальнейшей работе.
Испытания любого авиационного двигателя на птицестойкость — сертификационное требование
Испытания любого авиационного двигателя на птицестойкость — сертификационное требование. По современным правилам, все двухдвигательные самолеты могут спокойно продолжать полет с одним двигателем. Но что при этом опасно? Что при разрушении двигатель повредит летательный аппарат. К катастрофе могут привести вылет за пределы двигателя не локализованных в его корпусе фрагментов или возгорание. Опасен также обрыв двигателя из-за разрушения его крепления к самолету, недопустимое загрязнение идущего в кабину воздуха. Поэтому при попадании в двигатель крупной одиночной птицы он должен быть безопасно выключен.
Особая опасность — стайные птицы. Они могут попасть одновременно в несколько двигателей, которые при этом должны сохранить необходимую тягу. Поэтому нормы летной годности предусматривают испытания двигателя при попадании в него как одиночной крупной птицы, так и стайных птиц разных размеров.
У неспециалистов возник еще вопрос: почему двигатель нельзя защитить от птиц чем-то вроде сетки?
Михаил Гордин: Конструкция двигателя должна обеспечить его птицестойкость в соответствии с требованиями, а как это обеспечивается — другой вопрос. Сетку поставить, конечно, можно. Но тогда снизится мощность двигателя, ведь он пропускает через себя огромный объем воздуха. Любой фильтр — это преграда, а, значит, потери. Кроме того, разрушение сетки также может привести к повреждению деталей проточного тракта двигателя.
Испытание на прочность
Если продолжить разговор об испытаниях: вы испытываете на конструкционную прочность материалы, из которых делается двигатель ПД-14 для нашего новейшего МС-21. Какие экстремальные условия задаете?
Михаил Гордин: По максимуму. К примеру, рабочая температура никелевых суперсплавов может быть +1100°C и выше. Материал растягивают, сжимают и много чего с ним делают, пока образец не сломается. Проводятся кратковременные и длительные испытания, изучают образование и развитие трещин. Ломается все. Вопрос: как быстро и при каких нагрузках?
Двигатель — самое наукоемкое механическое устройство по плотности инноваций и высоких технологий на кубический сантиметр
Ответ важен еще и потому, что новые материалы, прошедшие квалификационные испытания при сертификации ПД-14, будут применяться и в других изделиях. За создание самих новых материалов отвечает Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ). Мы же занимаемся испытаниями образцов и конструктивно-подобных элементов для того, чтобы подтвердить характеристики материалов уже в готовых изделиях, а также «вооружить» конструкторов нормами прочности, которые они смогут использовать в будущих конструкциях.
Какие вообще новые материалы используются для перспективных российских двигателей?
Михаил Гордин: Для вала двигателя — высокопрочная сталь, которая может выдерживать высокие нагрузки. Для горячей части — лопаток, дисков — новые никелевые жаропрочные сплавы, теплозащитные покрытия. Для относительно холодных деталей компрессора, корпуса и т.д. — различные титановые сплавы. Применение новых материалов стало одним из условий создания перспективных двигателей. Все конструирование в авиации — это борьба с весом. Наша задача в том, чтобы самолет нес максимально полезную нагрузку. Поэтому мы максимально должны облегчить двигатель.
У стенда для испытаний двигателя-демонстратора перспективных электрических технологий. Фото: Александр Корольков/РГ
А насколько вес двигателя помогают снизить композиты?
Михаил Гордин: Это зависит от размерности двигателя. Для больших — до полутонны. Возьмем, к примеру, углепластиковую лопатку вентилятора. Она на 40% легче применяемой в настоящее время пустотелой титановой, по прочности — такая же. На углепластиковой лопатке используется передняя кромка из титана, которая помогает выдерживать ударные нагрузки. Углепластик и металл вместе — достаточно сложная конструкция, для создания которой необходим большой объем знаний. Но цель та же — снижение веса.
Все подобные научно-технические новации уже используется при создании двигателя?
Михаил Гордин: Конечно. Сейчас реализуется программа создания двигателя ПД-35. В ней определены 18 критических технологий, и одна из них — полимеркомпозитная лопатка вентилятора. Мы вместе с АО «ОДК-Авиадвигатель», головной организацией по разработке ПД-35, и ПАО «ОДК-Сатурн» активно работаем над этой технологией. У нас изготавливаются пока лопатки в размерности ПД-14. Потом мы будем проводить с ними различные испытания, чтобы выбрать конструктивно-технологическое решение для ПД-35.
ПД-14 делают конкретно под самолет МС-21?
Михаил Гордин: Этот двигатель делается под ближнесреднемагистральные самолеты — класс тяги примерно 14-15 тонн. МС-21 сейчас проходит летные испытания с американским двигателем. Но со следующего года на него начнут устанавливать отечественные ПД-14. Это первый с 1992 года (после ПС-90А) полностью российский турбовентиляторный двигатель для гражданской авиации.
Скажите, а сверхтяжелый двигатель ПД-35 для каких самолетов создается?
Михаил Гордин: Работы по программе перспективного двигателя большой тяги ПД-35 — это прежде всего наработка компетенций в новом для России сегменте гражданских реактивных двигателей большой тяги — от 24 до 50 тонн. До сертификации еще далеко, пока все на этапе научно-исследовательских работ. Мы в этой программе соисполнитель, головной исполнитель — АО «ОДК-Авиадвигатель». Разрабатывается демонстратор газогенератора и полимеркомпозитная вентиляторная лопатка. Потом будет двигатель-демонстратор размерностью примерно 35 тонн тяги. На основании этой работы уже можно будет заложить опытно-конструкторскую разработку для двигателя до 50 тонн. 35 тонн — это двигатель примерно для самолета типа Боинг-777.
Для широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета он подойдет?
Михаил Гордин: Двигатель большой тяги позволит уйти от четырехмоторной схемы на самолетах Ил-476, Ил-478, Ил-96-400, а также может стать базовым двигателем для перспективного авиационного комплекса военно-транспортной авиации.
В небо — с умом
Эксперты убеждены: электрический самолет будет революционным скачком в самолетостроении. А если говорить о моторах — какой?
Михаил Гордин: Да, электрификация самолетов — это наиболее значительное новшество в авиации после внедрения реактивного двигателя. Мы отказываемся от гидравлики и пневматики и разрабатываем ключевые технологии, которые будут положены в основу создания отечественного самолета с гибридно-электрической силовой установкой.
Например, в электрическом двигателе, входящем в состав гибридно-электрической силовой установки, может применяться эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Его основа — проводники, охлаждаемые жидким азотом, который при очень низкой температуре (-196°C) обладает эффектом практически нулевого сопротивления. В результате достигается высокий коэффициент полезного действия и существенно уменьшаются массогабаритные характеристики двигателя.
В теории схема гибридно-электрической силовой установки дает прирост в топливной и экологической эффективности, но это нужно подтвердить на практике.
Насколько я знаю, в мире почти никто не имеет реальных работ в этом направлении?
Михаил Гордин: Завершенных — нет. Но работы по освоению электрических технологий для авиации ведутся в разных странах. Для самолето- и двигателестроения это совершенно новая история, абсолютно передовая. И здесь Россия в тренде. На первом этапе у нас — создание уникальной гибридно-электрической силовой установки мощностью 500 кВт (679 л.с.) с использованием сверхпроводников. На следующих этапах появится сверхпроводящий генератор. По планам, в 2019-2021 годах мы испытаем электродвигатель, в 2022-м — генератор.
Что потом? Думаю, первый полностью электрический самолет с гибридно-электрической силовой установкой на 180 пассажиров полетит не ранее 2050 года. В среднесрочной перспективе возможно создание серийной электрической силовой установки для самолетов на 2-4 пассажира и гибридной — на 9-19 пассажиров. Сейчас мы спроектировали, изготовили и проводим испытания электродвигателя. При мощности 60 кВт (80 л.с.) он весит немногим более 20 кг.
У вас много перспективных разработок. А что за «умный» двигатель? Действительно ли можно научить мотор выполнять команды по заданной математической модели?
Михаил Гордин: По крайней мере мы пытаемся. В любой технике, в том числе и в двигателе, со временем что-то изнашивается. Это неизбежный процесс. Но имея определенную математическую модель и способы измерения, можно подстраивать алгоритмы управления двигателем под его текущее состояние. Это интеллектуальная система управления.
30-е годы. Испытание на открытом стенде первого советского поршневого двигателя М-34 с водяным охлаждением. Фото: Предоставлено «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
Проект по интеллектуализации двигателя очень важный и интересный. Он хорошо ложится в концепцию «более» электрического и полностью электрического летательного аппарата. Пока все на стадии демонстратора. Это именно исследовательская работа, создание научно-технического задела, новых знаний и технологий, которые конструкторы смогут использовать при проектировании перспективных двигателей различных концепций. В планах на ближайшие два года — разработать демонстратор и провести его испытания на стендах.
Запрограммировать и сделать «умным» можно любой двигатель?
Михаил Гордин: Не любой. Но, допустим, на мощном двигателе ПД-35 будет такая система. Уже сейчас наши наработки используются в АО «ОДК-Климов» для вертолетов и в АО «ОДК-Авиадвигатель». Они уже есть на двигателе ПД-14. Кстати, ПД-14 в своем классе конкуренции ничуть не «глупее», чем, к примеру, американский PW 1400 или европейский LEAP. И даже умнее.
Полетим на гиперзвуке
ЦИАМ участвует в международном проекте HEXAFLY-INT по созданию самолета на водородном топливе. Конструкторы обещают скорость 7-8 тысяч км/ч. Для такой супермашины нужен и супермотор?
Михаил Гордин: В проекте участвуют несколько стран. Головной исполнитель от России — ЦАГИ, мы соисполнители. Проект научно-исследовательский. Его суть — понять, возможно ли придумать конструкцию, которая будет летать и возить пассажиров со скоростью 7-8 Махов. Как любят говорить: из Лондона до Сиднея за три часа. Исследуются различные концепции, в том числе воздушно-реактивный прямоточный двигатель, который может быть использован для поддержания гиперзвуковой скорости. Это ниша ЦИАМ. Мы испытываем прототип такого двигателя.
Прототип кто делал?
Михаил Гордин: Он разработан европейцами, а изготовлен у нас на опытном производстве. И уже испытан. Результаты будут переданы в международную группу.
И как вы оцениваете первые результаты?
Михаил Гордин: Хорошо оцениваем.
Исчерпаны ли возможности традиционных газотурбинных моторов?
Михаил Гордин: Нет. В технологическом плане они совершенны, тем не менее исследования и разработки, научные и конструкторские, продолжаются. Уверен, появятся новые модели, еще более экономичные: за счет повышения КПД, облегчения веса, интеллектуализации. Вроде простая вещь — на 10% снизить расход топлива. На самом деле это огромный объем работы. С каждым годом все сложнее и сложнее находить дополнительные резервы для повышения весовой эффективности и КПД. Борьба идет за каждый процент.
Если говорить об аддитивных технологиях: на каких этапах их применение наиболее целесообразно?
Михаил Гордин: Прежде всего — на этапе проектирования и доводки. Когда создаешь новый двигатель, некоторые детали в единичном экземпляре намного быстрее сделать с помощью 3D-печати. В серийном производстве и при ремонте — не факт. Необходимо оценивать экономическую эффективность их использования. Аддитивные технологии всегда будут в серии по себестоимости дороже, чем традиционные. Я, например, не верю в двигатель, целиком распечатанный на 3D-принтере.
Самолет и его элементы — планер, фюзеляж — проектируются под перегрузки 9-10 g. А турбинная лопатка двигателя испытывает нагрузку в многие тысячи g!
Кроме этого возникает вопрос надежности. Про обычный металл мы знаем все: статистика огромная, понимаем, как он ведет себя в разных ситуациях. По использованию аддитивных технологий объем знаний пока намного меньше. Здесь важны и характеристики порошка или проволоки, и технология получения детали. Нужно несравнимо больше времени на различные испытания, чтобы быть уверенным: детали будут иметь необходимую надежность.
Могут ли цифровые технологии совсем вытеснить физические эксперименты?
Михаил Гордин: Принципиально невозможно. Критерием истины все равно останется физический эксперимент. Другой вопрос, что цифровые технологии, методы математического моделирования, скорее всего, приведут к сокращению объема испытаний. И ускорению проектирования. Это уже происходит.
То ли Глушко, то ли Туполев сказал: с хорошим двигателем и ворота полетят. Согласны?
Михаил Гордин: А еще говорят: в самолете все сопротивляется, только двигатель тянет. К таким выражениям отношусь с юмором. Но двигатель действительно самое наукоемкое механическое устройство по плотности инноваций и высоких технологий на кубический сантиметр. Для сравнения: самолет, особенно истребитель, и его элементы — планер, фюзеляж — проектируются под перегрузки 9-10 g. А турбинная лопатка двигателя испытывает нагрузку в многие тысячи g! То есть она должна быть очень легкой и в то же время выдерживать сумасшедшую нагрузку. Поэтому — суперматериалы. Поэтому — масса расчетов. Поэтому — сложная математика. В двигатель нельзя заложить чрезмерный коэффициент запаса, потому что он будет очень тяжелый, и ничего никуда не полетит.
Да, с хорошим двигателем даже ворота полетят. Но главное — его надо разработать до того, как приделать к воротам.
Рожденный ездить будет летать?
Ваши специалисты занимаются адаптацией мотора автомобиля «Аурус» для нужд малой авиации. Зачем?
Михаил Гордин: Мы взяли базовый автомобильный двигатель — лучший и самый мощный, что есть в России. В чем основная задача? Мы на примере этой работы покажем возможность создания на базе автомобильного двигателя авиационного варианта, продемонстрируем преимущества создания такого адаптированного двигателя по срокам и стоимости. Базовый автомобильный двигатель — более 600 лошадиных сил, мы его дефорсировали до 500. Это та мощность, на которой этот двигатель должен надежно работать на авиационных режимах.
Так не проще ли сразу делать «крылатый» мотор?
Михаил Гордин: Не проще и намного дороже. Надо признать: самолетов никогда не будет столько, сколько автомобилей. Поэтому у авиадвигателя всегда будет меньшая серия. И он всегда будет дороже. А тут есть возможность на предприятиях, которые освоили производство двигателей для машин, наладить их производство для авиационного применения. Что значит серия? Резко снижаются себестоимость, сроки изготовления. Причем все может быть произведено в России по уже освоенным технологиям.
Конечно, у авиадвигателей свои особенности, требования и ограничения. Нужно решить ряд научно-технических проблем. Что мы и делаем.
А в мире двигатели для машин летают?
Михаил Гордин: Летают. Есть австрийский авиационный двигатель АЕ-300, который был создан на базе дизеля от автомобиля «Мерседес». Есть другие примеры. Мы здесь не первые в мире, но в России точно первые.
30-е годы. После государственных испытаний. Второй справа сидит «автор» мотора М-34, ученик Жуковского, генеральный конструктор Александр Микулин. Фото: Предоставлено «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
Хочу подчеркнуть: проект не ограничивается одним двигателем. На примере уже готового мы отрабатываем саму возможность адаптации. Научная работа будет закончена испытаниями на летающей лаборатории. Только летный эксперимент подтвердит, что технология стала авиационной. При продолжении финансирования полный цикл — адаптация и летные испытания — займет примерно три года.
Летающая лаборатория — какая?
Михаил Гордин: Она может быть на базе серийного двухдвигательного самолета, где один из двигателей заменяется на опытный. Может, это будет третий двигатель, который ставится дополнительно. Есть летающая лаборатория Ил-76, возможно, появится такая на базе Як-40. Существует еще несколько проектов летающих лабораторий на базе серийных самолетов, одну из силовых установок которых можно заменить экспериментальной. Двигатель будет проверяться и на земле, и в воздухе на всех рабочих режимах полета.
Эксперты утверждают: создание двигателя занимает намного больше времени, чем самолета. Это так?
Михаил Гордин: Цикл создания газотурбинного двигателя до серийного образца — 10-15 лет, самолета — 7-10. Для поршневого, конечно, меньше, но тут основная сложность — агрегатчики. Дело в том, что в какое-то время поршневая авиационная тематика просто выпала из поля зрения разработчиков летательных аппаратов. И, соответственно, пропали те, кто изготавливает компоненты, узлы и агрегаты. Так что сегодня работой над адаптацией автомобильного двигателя мы возобновляем и кооперацию. Доверие к техническим решениям восстанавливается непросто.
Импортные составляющие есть?
Михаил Гордин: Пока есть. Но в целом все локализуемо в России.
И для каких самолетов годится такой мотор?
Михаил Гордин: Для самолетов сельхозавиации с полезной нагрузкой до 1 тонны, самолетов местных линий — на 7-9 мест, большой беспилотной авиации. Он может стоять на учебно-тренировочном самолете типа Як-152. Задач для него много.
Но у нас сегодня, к сожалению, ситуация, когда двигатель в основном делается «под самолет». Это вызывает определенные технические сложности. И по весу, и по габаритам. Должно быть наоборот: создается двигатель, и на его основе проектируется летательный аппарат.
Кто может стать конкурентом для такого мотора?
Михаил Гордин: С технической точки зрения в таком классе мощности — и газотурбинные двигатели, и дизельные. 500-600 лошадиных сил — это как раз тот стык, где поршневая тематика начинает конкурировать с газотурбинной. Кроме того, наш двигатель будет работать на бензине, в том числе автомобильном. Логистика по его эксплуатации и мероприятия по обеспечению качества должны быть встроены в систему малой авиации. Это отдельная тема.
Если говорить о коммерческой конкуренции, то здесь в конкурентах только «иностранцы». Эта работа потому и заказана нам государством, что на отечественном рынке авиадвигателей такого класса нет.