Турбовинтовентиляторный двигатель НК-93: никому не нужный уникум
НК-93
Жажда керосина
Для начала истории про уникальный турбовинтовентиляторный авиадвигатель НК-93 необходимо разобраться, чем же эта конструкция отличается от остальных изделий. Тем более что в полном наименовании двигателя фигурирует еще и словосочетание «биротативный винтовентилятор». Без предварительной подготовки не понять, зачем вообще строили такую машину, как НК-93.
В авиационном двигателестроении все конструкторские мысли вращаются вокруг двух категорий – экономичность и крейсерская скорость полёта. Безусловно, важными являются и безопасность, и надежность, и шумовой эффект, и массогабаритные параметры изделий. Но с этим уже научились более или менее хорошо справляться, и серьезного прогресса ждать уже не приходится.
А вот с расходом горючего еще можно что-то придумать. Самыми экономичными являются турбовинтовые двигатели, которые львиную долю тяги создают за счет винта. Королем всех моторов подобного типа, безусловно, является отечественный НК-12, устанавливаемый преимущественно на стратегический ракетоносец Ту-95. Это самый мощный и самый экономичный в мире турбовинтовой авиационный двигатель. Еще его можно встретить под крылом военно-транспортного Ан-22 «Антей».
О том, насколько турбовинтовой двигатель экономически выгоднее (если так вообще можно говорить о военной технике) турбореактивного, говорят параметры двух сходных по задачам Ту-95 и Ту-160. Первый при практической дальность в 13,5 тыс. километров берет на борт около 80 тонн горючего, а Ту-160 вынужден взлетать со 148 тоннами керосина и при этом летать на 12,3 тыс. км. Но главный минус НК-12 скрывается в его относительной тихоходности – даже самый быстрый в мире из серийных турбовинтовой Ту-95 не разгоняется больше 900 км/ч.
Все дело в резком снижении тяги воздушного винта при достижении сверхзвуковых скоростей вращения. Этот же эффект, получивший имя «эффект запирания», поставил крест на дальнейшем наращивании скоростей полета вертолетов – дальнейший прогресс возможен только с применением толкающих винтов. Проблему частично можно решить увеличением диаметра винтов, но все возможно в разумных пределах. У Ту-95 воздушный винт АВ-60 диаметром 5,6 метра, а винт АВ-90 военно-транспортного «Антея» уже 6,2 метра. И все знают, какой шум создают эти машины на взлете – даже для военной техники такой эффект на пределе дозволенного.
Но не стоит считать, что тема турбовинтовых моторов для авиации на грани закрытия – современный военно-транспортный А400М оснащается четырьмя Europrop International TP400-D6, которые производители называют вторыми по мощности в мире после российского НК-12. Поэтому открытые воздушные винты под крыльями всех типов самолетов мы будем видеть еще долго.
Принципиальная схема турбовинтового (выше) и турбовентиляторного авиадвигателей.
В ситуации, когда скорость критична, приходится ставить турбореактивные авиационные двигатели. Принцип работы прост – в камере сгорания топливо в смеси с воздухом совершает полезную работу и через лопасти турбины передает вращение компрессору. Последний еще больше накачивает воздух для камеры сгорания. Такие моторы способны разогнать носителей до нескольких скоростей звука, но и расход топлива у изделий просто ни в какие ворота. Это если сравнивать с турбовинтовыми одноклассниками.
Для снижения расхода горючего придумали турбовентиляторные авиадвигатели. С большой натяжкой конструкцию можно назвать гибридом из турбореактивного и турбовинтового мотора. Турбовентилятор создает тягу не только за счет истекания горячей газовой струи из сопла, но и за счет вращения вентилятора в голове двигателя. Характерным признаком двигателей такой схемы являются большие размеры – у самого мощного в мире турбовентилятора General Electric GE9X диаметр воздухозаборника равен 4,5 метра.
Если совсем упростить, то воздушный винт у таких двигателей превращен в вентилятор и закапотирован в обтекаемый корпус, чтобы избежать осложнений при сверхзвуковом вращении лопастей. Так ещё и тише оказалось, что немаловажно для гражданской авиации.
Большая часть разрабатываемых в России авиадвигателей относится к типу турбовентиляторных – ПД-8, ПД-18 и ПД-35. Здесь важно понимать, что коэффициент полезного действия любого турбовентилятора напрямую зависит от степени двухконтурности. То есть от отношения массы воздуха, который нагнетает вентилятор через внешний контур (воздух здесь не сгорает) к массе воздуха, сгорающего во внутреннем горячем контуре.
Например, у сверхзвукового АЛ-31Ф для Су-27 степень двухконтурности мизерная – 0,59, а у сугубо гражданского Pratt & Whitney PW1000G равна рекордным 12. У первого на каждый килограмм воздуха, проходящего через горячую зону, приходится 0,59 кг воздуха, проходящего по внешнему контуру. У PW1000G все наоборот – на каждый килограмм воздуха, проходящий через камеру сгорания, сразу 12 килограмм нагнетается вентилятором по внешнему контуру.
Сейчас в мировом авиационном двигателестроении граница между турбореактивным и турбовентиляторным изделием фактически стерлась – различить конструкции можно только по степени двухконтурности. Условно скажем, что все моторы со степенью двухконтурности более двух единиц можно смело называть турбовентиляторными. И чем больше турбовентилятор похож на турбовинтовой, тем больше его КПД. Но неизбежно возрастает лобовое сопротивление, а с ним падает и скорость.
Собственно, вокруг баланса этих параметров и бьются сейчас конструкторы по всему миру. Это своеобразный мейнстрим авиационного двигателестроения.
Винтовентилятор
Несмотря на устоявшуюся структуру рынка, инженеры не перестают экспериментировать. Что будет, если баланс турбовентиляторного двигателя сместить поближе к турбовинтовому? Получится винтовентиляторная конструкция, с которой все очень непросто. Даже внешне непросто отличить обычный турбовинтовой двигатель от турбовинтовентиляторного. Вот, например, Д-27 от Запорожского КБ «Прогресс». И рядом упоминаемый выше европейский Europrop International TP400-D6 от грузовика А-400М.
Авиамоторы TP400-D6 (выше) и Д-27 соответственно самолетов А-400М и Ан-70.
Казалось бы, отличия если и есть, то они минимальные. Но не перепутайте, украинский (точнее, еще советский) относится к турбовинтовентиляторным, а многонациональный TP-400-D6 – к турбовинтовым. Разница в форме лопастей воздушных винтов.
Теория гласит: винт может считаться винтовентилятором, только когда лопастей у него от 8 до 20, а сами они очень похожи на сабли, то есть «с переменной по размаху лопасти стреловидностью передней и задней кромок». Большое количество лопастей и форма позволяет достигать скоростей полета в 800–900 км/ч без пресловутого «эффекта запирания», о котором шла речь выше.
Во-первых, больше лопастей позволяют уменьшить окружную скорость при неизменной тяге, а, во-вторых, саблевидная форма лопастей улучшает обтекаемость при высоких скоростях полета. Если говорить совсем сухими формулировками, то у ДТ-27 максимально возможный пока КПД воздушного двигателя – более 0,9.
1993 год. Д-27 под крылом Ил-76ЛЛ.
Д-236, установленный на летающей лаборатории Як-42ЛЛ
Количество и характерная форма воздушных винтовентиляторов Д-27 позволяет агрегату выйти на новый уровень КПД
При этом расход горючего сравним с турбовинтовым двигателем, то есть гораздо ниже, чем у турбовентиляторного. У ДТ-27 удельный расход топлива составлял на крейсерском режиме не более 0,13 кг/э.л.с./ч, а у самых экономичных в мире турбовинтовых Europrop International TP400-D6 и НК-12 – около 0,16.
Кстати, если бы не майдан 2014 года, то в российском небе уже давно бы летали транспортные самолеты Ан-70, оснащенные четырьмя винтовентиляторными ДТ-27. Весной 2013 года объявили об успешных стендовых испытаниях винтовентилятора СВ-27, а посол на Украине Зурабов обещал закупить до 60 самолетов для российского военного ведомства.
Вот на этом факте стоит отдельно зафиксироваться – российские сертификационные органы десять лет назад фактически одобрили допуск инновационного авиадвигателя к полетам. Мы еще вернемся к данному факту.
Экспериментальные винтовентиляторные General Electric GE36 (выше) и PW–Allison 578-DX.
Всего известно о трех схемах винтовентиляторных моторов – с тянущим и толкающим движителем, а также с закапотированным. ДТ-27 и его экспериментальный предшественник Д-236. Американцы в середине 80-х успешно экспериментировали с толкающей схемой на демонстраторах технологий PW–Allison 578-DX и General Electric GE36. И советский, и американские моторы оснащались двумя винтовентиляторами, размещенными друг за другом и вращающимися в разные стороны. Это и есть компоновка «биротативный винтовентилятор».
Изделия у PW и GE получились славные – удельный расход упал на 20 процентов в сравнении с аналогами. Но к концу 80-х годов сложились не выгодные для двигателей такого типа условия – ужесточающиеся требования к шумности и низкие цены на нефть. А шум опытные двигатели PW–Allison 578-DX и General Electric GE36 издавали немаленький. Причем децибелы зашкаливали и в салоне, несмотря на то, что конструкторы вынесли двигатель в хвост, да еще и развернули под толкающий винт.
В итоге американцы отправили проекты в отставку. Эпизодически интерес к винтовентиляторам просыпается с ростом цен на керосин, но в ближайшем будущем на это не стоит рассчитывать. Сейчас над турбовинтовентиляторным двигателем с открытым ротором всерьез работает компания Safran – в 2017 году завершены предварительные испытания концепта. Потуги есть и у CFM International с его 12-лопастным прототипом «экологически чистого» авиадвигателя.
Современные винтовентиляторные авиадвигатели с открытым движителем толкающего типа. Сверху от Safran, ниже – от CFM International
Вот теперь пришло время перейти к главному герою нашего повествования – биротативному турбовинтовентиляторному авиадвигателю НК-93.
Главным отличием от всех вышеописанных схем является закапотированный винтовентилятор. У переднего винта восемь лопастей, у второго – десять, и приводятся они в движение отдельным валом от планетарного редуктора с семью сателлитами. Работы по НК-93 начались в самарском НТК им. Кузнецова в конце 80-х годов, и предназначался он для тяжелого военно-транспортного Ил-106.
Самолет предполагался на замену устаревшему даже для того времени Ан-22 «Антей». Тяга мотора составляет 18 тонн – примерно столько же сейчас развивает на стенде пока еще предсерийный турбовентиляторный ПД-18. Только удельный расход горючего у пермского мотора около 0,55 кг/э.л.с./ч, а у НК-93 – 0,22.
Конструкторам удалось заметно снизить уровень шума, присущий всем винтовентиляторам, прежде всего за счет капотирования. Он в любом случае ниже, чем у украинского аналога Д-27, который был допущен к полетам в России в 2013 году.
НК-93 под крылом Ил-76ЛЛ на авиасалоне МАКС-2007. Источник: sell-off.livejournal.com
У НК-93 одни сплошные плюсы – степень двухконтурности 16,6, отчего на турбину приходится лишь 17 процентов тяги, остальное за винтовентиляторами. Несмотря на не родившийся Ил-106, в Самаре продолжали работы по мотору в инициативном порядке.
С 2006 по 2008 год испытательная лаборатория Ил-76ЛЛ пять раз поднималась воздух с экспериментальным мотором под крылом. Предполагалась, что пара двигателей окажется под крылом Ту-204 и транспортного Ту-303. Четыре НК-93 планировали для лайнера Ил-96 и даже для сверхтяжелого Ан-124. Для последнего предполагали разработать версию тягой под 22–24 тонны. Но ни один заказчик не проявил интерес к революционной во многом конструкции.
Конечно, были и минусы. Например, почти трехметровый диаметр воздухозаборника. Это, безусловно, создаст компоновочные сложности для конструкторов, но они не критичные – в мире летают самолеты с еще большими двигателями. Об этом упоминалось выше.
Гражданские разработчики МС-21 и CR929 просто испугались инновационного НК-93. Их можно понять – машины ориентируются на мировой рынок, который очень консервативен.
В итоге с нуля разрабатывают серию ПД-8, ПД-10, ПД-14 и ПД-35, для которых этот самый рынок также будет закрыт в ближайшем будущем.
Можно ли было адаптировать и масштабировать НК-93 за упущенное время и потраченные миллиарды? Почему в свое время украинский Д-27 фактически допустили до эксплуатации в России, а аналогичный, хотя и более мощный отечественный НК-93, нет? Очередные риторические вопросы, ответы на которые если мы и узнаем, то не скоро.
Информация