Как сделать самолеты еще менее прожорливыми?

Стандартом современной гражданской авиации являются турбовентиляторные двигатели. По сути это разновидность двухконтурного турбореактивного двигателя, общий принцип работы которого достаточно прост. При полете самолета набегающий воздух всасывается внутрь двигателя компрессором низкого давления (имеющего привод от вала турбины). Далее часть воздуха направляется внутрь двигателя и участвует как окислитель в сжигании топлива, а другая часть идет в обход камеры сгорания и вырывается назад через сопло, создавая реактивную тягу.

Реактивную тягу также создает струя раскаленных газов, выходящая из сопла двигателя. Отношение объемов воздуха, прокачиваемых через внешний контур и через камеру сгорания, называется «степенью двухконтурности». Двигатели, у которых степень двухконтурности высока и составляет от 2 до 10, называют турбовентиляторными, а имеющее сравнительно большой диаметр первое колесо компрессора низкого давления — вентилятором.

Преимущества турбовентиляторного двигателя также хорошо известны. Во-первых, если б? льшая часть реактивной тяги создается продуваемым воздухом, а не реактивными газами, повышается топливная эффективность, а значит, экономичность и экологичность всей силовой установки. Во-вторых, на выходе из сопла (или сопл) холодный воздух смешивается с горячими газами, снижая общее давление смеси. Это делает двигатель менее шумным.

Но совершенству нет предела, и как только цены на нефть, а значит, и на авиационный керосин начинают расти, авиаперевозчики и авиаконструкторы сразу задумываются о том, как бы сделать самолеты еще менее прожорливыми.

Одно из направлений поисков — повышение термоэффективности двигателей, то есть увеличение КПД за счет роста температуры и давления в камере сгорания и сопле. Естественный барьер на этом пути — прочность и термоустойчивость конструкционных материалов, из которых делают лопатки турбин, стенки камеры сгорания и сопла, так что прорыв здесь возможен прежде всего благодаря прогрессу в области создания материалов с более оптимальными свойствами.

Другое направление — повышение КПД, а значит, и экономичности двигателя путем увеличения степени двухконтурности. Если на килограмм сожженного топлива мы сможем продуть через двигатель еще больше воздуха, создающего реактивную тягу, но не принимающего участия в сжигании керосина, можно нарастить мощность силовой установки, не увеличивая расход топлива. Или уменьшить расход топлива, сохраняя прежнюю тягу.

Лежащее как бы на поверхности решение — увеличение диаметра вентилятора — имеет серьезные «но». Большой вентилятор повлечет за собой увеличение размера и веса мотогондолы, и тут о себе во весь голос заявят два главных врага авиаконструктора — вес и лобовое сопротивление. На преодоление этих двух факторов потребуется дополнительная мощность двигателя, и может получиться так, что весь экономический эффект от роста степени двухконтурности сойдет на нет. О том, как справиться с этой проблемой, конструкторы думают уже несколько десятилетий.

В середине 1980-х в небе над калифорнийской пустыней Мохаве можно было видеть очень странный летательный аппарат. Вернее, сам аппарат имел знакомые очертания пассажирского лайнера MD-80, вот только один из его двигателей был обычным «турбовентилятором», а другой имел на заднем конце двухрядный винт. Разумеется, никто бы не пустил такой гибрид в рейс, и над пустыней взлетала и садилась всего лишь летающая лаборатория MD-81, на которой испытывался двигатель GE-36 типа Ultra High Bypass (UHB, ультравысокая двухконтурность), произведенный корпорацией General Electric. Другое название силовой установки — Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтекателя»). Собственно, этим о конструкции двигателя все сказано. Для радикального повышения степени двухконтурности вентилятор значительно увеличили в диаметре, при этом ради снижения веса и лобового сопротивления с него сняли кольцевой обтекатель.

Нетрудно заметить, что в этом случае вентилятор фактически становится воздушным винтом (в случае с UDF- толкающим), а двигатель, который на Западе называют propfan, а в нашей литературе винтовентиляторным, обнаруживает родство со старым добрым турбовинтовым мотором.

То, что турбовинтовые двигатели экономичнее турбореактивных, было известно и ранее. В гражданской авиации от них почти повсеместно отказались лишь по двум причинам. Первая — высокий уровень шума, создаваемого винтом. Вторая — скоростные ограничения. Дело в том, что при увеличении скорости вращения винта до такого значения, при котором концы лопастей приближаются к скорости звука, эффективность винта резко падает и дальнейшее повышение числа оборотов не дает адекватного прироста тяги. Таким образом, скоростной барьер турбовинтовых самолетов — примерно 650−700 км/ч.

UDF компании GE-36 как раз имел задачу преодоления скоростных ограничений для винтовых моторов, что позволило бы ему на равных конкурировать с турбовентиляторными двигателями. Этому способствовали, во-первых, саблевидные лопасти винта — такая форма позволяет справляться с возникающим при сверхзвуковом движении кончиков лопастей «волновым кризисом». Кроме того, в конструкции был применен биротативный винт (он же вентилятор). Это означало, что пропеллер состоял из двух рабочих колес (по восемь лопастей на каждом), вращавшихся в противоположные стороны. Биротативная схема значительно повышает эффективность винта — масса отбрасываемого назад воздуха увеличивается и соответственно растет тяга. Испытания показали, что двигатель новой конструкции по показателям топливной эффективности может на 30−35% превзойти «турбовентиляторы».

Интерес к энергосберегающим технологиям в авиадвигателестроении проснулся не случайно. В 1970-х мировую экономику лихорадило из-за энергетических кризисов, вызванных событиями на Ближнем Востоке, которые привели к заметному росту цен на нефть, съедавшему прибыли авиакомпаний. Инициатором разработки экономичных двигателей выступило агентство NASA, которое предложило свою конструкцию винтовентиляторного двигателя, а также сподвигло на свершения уже упомянутую General Electric и ее конкурента Pratt&Whitney. P&W в сотрудничестве с компанией Allison Engines предложила силовую установку под названием Pratt & Whitney/Allison 578-DX. В ней также использовался толкающий винт с саблевидными лопастями, однако механизм привода пропеллера более напоминал традиционные турбовинтовые двигатели (вращение передавалось с вала компрессора низкого давления через редуктор, а у GE винты были связаны непосредственно с валом компрессора низкого давления и с вращающимся в противоположном направлении статором того же компрессора). В 1986—1987 годах двигатель GE был протестирован на летающих лабораториях MD-81 и Boeing 727. P&W обкатывал свою конструкцию на том же MD-81.

Однако летные испытания винтовентиляторных двигателей совпали по времени с серьезным падением цен на топливо, и соображения экономичности отошли на второй план. А на первый вышла проблема акустического загрязнения. Никому не хотелось без особого резона возвращаться в эру винтовой авиации с ее ужасным шумом. И агентство NASA завершило программу жирной точкой.

Петух клюнул два десятилетия спустя, когда в последний докризисный год цены на нефть добрались до $180 за баррель, и примерно тогда же гранды мирового двигателестроения заговорили о винтовентиляторах вновь.

General Electric расконсервировала испытательные стенды, на которых тестировались GE-36. К делу вновь подключилась NASA (обеспечивая 50% финансирования), и было объявлено о том, что новый прототип двигателя с открытым вентилятором (по мотивам GE-36) пройдет испытания в аэродинамической трубе. В проекте (а конкретно в разработке лопастей биротационного винта) принимает участие французская промышленная группа SAFRAN в лице двигателе-строительного подразделения Snecma). GE и SAFRAN давно сотрудничают в рамках совместного предприятия CFM. Кстати, сообщалось и о том, что Snecma привлекала в качестве партнера по разработке перспективных двигателей для гражданской авиации российских ученых из Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова (ЦИАМ).

О собственном проекте винтовентиляторного двигателя с открытым биротативным вентилятором (open rotor) объявила и корпорация Rolls Royce.

Можно было бы с уверенностью говорить о возрождении винтовой авиации, если бы не одно «но»: за прошедшие десятилетия требования к уровню шума для гражданских авиадвигателей только ужесточились. Смогут ли винтовентиляторные двигатели вписаться в эти жесткие стандарты?

И представители партнерства NASA-GE-SAFRAN, и конкуренты из Rolls Royce в один голос заявляют, что оптимизация шумовых характеристик новых двигателей для них первостепенная задача. Технологические тонкости этих изысканий пока публике не предъявлены, но общее направление более-менее ясно. Шум винта находится в прямой зависимости от скорости вращения пропеллера, а также длины и ширины лопастей. Значит, лопасти следует сделать короче и тоньше. При высокой эффективности биротативного винта с большим количеством саблевидных лопастей он может обеспечивать достаточную тягу, имея меньшую скорость вращения. Применение редуктора позволит лопастям не раскручиваться до сверхзвуковых скоростей, что значительно уменьшит шум.

Конечно, неверно было бы сказать, что гранды мирового авиапрома связывают будущее авиации исключительно с винтовентиляторными двигателями. Существуют и альтернативные конструкции, также направленные на повышение топливной эффективности при снижении шумовых характеристик. Корпорация Pratt&Whitney, в 1980-х конкурировавшая с GE в области двигателей с открытым толкающим ротором, сегодня двигает на рынок несколько иной перспективный продукт. Он называется PurePower PW1000G и по сути является турбовентиляторным двигателем классической схемы, где вентилятор заключен в кольцевом обтекателе. При этом с целью повышения степени двухконтурности диаметр вентилятора существенно увеличен. Но, как известно, при увеличении длины лопаток вентилятора растет линейная скорость на их концах, что делает двигатель слишком шумным. Решить эту проблему за счет снижения скорости вращения вала турбины низкого давления (именно он вращает вентилятор) нельзя, так как это скажется на термоэффективности двигателя и приведет к снижению КПД. Выход был найден в планетарном редукторе, поставленном между валом турбины и вентилятором. В итоге вентилятор вращается медленнее и по уровню шума вписывается в современный стандарт (20 дБ).

Еще одна из существующих концепций повышения степени двухконтурности двигателя предусматривает установку внутри кольцевого обтекателя аналога биротативного пропеллера.

Победит ли какая-то из ныне конкурирующих конструкций или им уготовано мирное сосуществование — очевидно, что в основе их всегда будет оставаться компромисс между топливоэффективностью и уровнем шума. А цены на нефть, как всегда, сыграют здесь не последнюю роль.