Авиадвигатель с открытым ротором: упущенный шанс России
Примеры размещения перспективного турбовинтовентиляторного авиамотора.
Открытый ротор
Мечты менеджеров от авиационной отрасли удержать в рамках приличия очень непросто. За рубежом всерьез считают, что к 2050 году мировая авиация станет углеродно-нейтральной, то есть самолеты вообще не будут вырабатывать лишний углекислый газ. Точнее, эмиссия никуда не исчезнет, но она компенсируется новыми видами топлива, а также прямым улавливанием углекислого газа из атмосферы.
История немного попахивает абсурдом – за последние пять лет мировая авиация на треть увеличила объемы выбросов CO2. Несмотря на это, Международная организация гражданской авиации (больше известная как ИКАО) в сентябре прошлого года приняла резолюцию об обнулении эмиссии углекислого газа.
Сейчас это кажется немного фантастичным, особенно в свете Российской спецоперации и международных санкций. Проще говоря, какое это имеет отношение к современной России?
Дело в том, что пресловутая углеродно-нейтральная авиация, в каком бы виде она не предстала, рано или поздно захватит мировые аэропорты. И может сложиться, что отечественные МС-21 и SSJ-100 New лет через пятнадцать-двадцать не будут пускать даже в аэропорты Китая и Турции. Двигатели окажутся слишком «грязными». Останется только закупать авиатехнику за рубежом, что очень маловероятно, либо запускать перевозчиков из дружественных стран.
ИКАО не в один момент планирует отказаться от выбросов углекислого газа – очередные ужесточения норм планируются в 2026 и 2037 году. Заглядывать в будущее – дело неблагодарное, но воздушные перевозки растут на 3–5 процентов каждый год, что к 2050 году увеличит выбросы углекислого газа из авиадвигателей в 3–3,5 раза относительно 2020 года.
Всерьез рассматривать двигатели на углеродно-нейтральном водороде и электромоторы с пропеллерами не стоит – это слишком революционные конструкции. Будущее определенно за эволюционными решениями, которые позволят хотя бы частично приблизиться к фантазиям ИКАО. Одним из таких, безусловно, является турбовинтовентиляторный авиамотор или propfan, представляющий собой сложный продукт эволюции турбовинтового мотора.
Ключевой особенностью «открытого ротора» от CFM International считается неподвижный второй ряд лопастей
Исторически появление propfan связано с нефтяным кризисом 70-х годов, подтолкнувших моторостроителей к поиску экономичных схем. Открытый винтовентилятор отличается от классического турбовинтового мотора большим числом лопастей и особой формой.
Если совсем по учебнику, то винт можно считать винтовентилятором, если лопастей больше восьми, и они по очертаниям походят на сабли. Это позволяет уменьшить обороты, дабы не достигать сверхзвуковых скоростей, ведущих к «эффекту запирания», то есть к резкому падению КПД. За счет наращивания числа лопастей нет нужды увеличивать диаметр винта, что благотворно для компоновки самолета.
На бумаге открытый вентилятор позволяет экономить при всех прочих равных до 20–30 процентов горючего. Только достигается это большим уровнем шума. Для примера отлично подходит турбовинтовентиляторный Д-27, разработанный в конце 80-х годов в запорожском КБ «Прогресс», который в 2005 году едва получил Сертификат тип по шуму на местности. Двигатель предполагалось монтировать под крылом транспортного Ан-70.
Ни самолета, ни мотора уже давно нет в живых. Как нет в живых и НК-93 – закапотированного турбовинтовентиляторного авиамотора, разработанного для перспективного военно-транспортного Ил-106 в самарском НТК им. Кузнецова.
Со стороны может показаться, что двигатель относится к турбореактивным, просто с большой степенью двухконтурности. Но это не так – у переднего вентилятора восемь лопастей, а у второго – десять, что автоматически переводит изделие в разряд турбовинтовентиляторных.
НК-93 (сверху) и Д-27
Гигантский капот, окружающий вентилятор, должен был снизить уровень шумов.
Основная проблема мотора с тягой в 18 тонн – это трехметровый диаметр, заставляющий серьезно пересматривать конструкцию самолета.
Как бы то ни было, в России сейчас не ведется опытно-конструкторская работа по НК-93 или его аналогу, не говоря уже о переосмыслении конструкции когда-то отечественного Д-27. Тема открытого ротора, open fan или propfan не выходит за пределы теоретических изысканий.
В то время как за рубежом ей уделяется большое внимание.
RISE
Требования к снижению расхода топлива и, как следствие, к сокращению эмиссии углекислого газа, заставили за рубежом вспомнить об открытом роторе.
С лета 2021 года франко-американская компания CFM International работает над проектом Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE). Цель амбициозная – снизить на 20 процентов расход горючего по сравнению с самыми экономичными аналогами в классе. Инженеры предлагают к разработке модульное изделие, способное работать на водороде, а также с приводом вентилятора от электромотора.
Разработчики отказались от биротативной схемы, лежащей в основе всех ранее разработанных propfan и open fan. Пара вентиляторов на одной оси мотора вращались в разные стороны, что увеличивало тягу, но заметно повышало аэродинамические шумы.
Так было и у Д-27, и у закапотированного НК-93, и у опытных американских GE36 и P&W Allison 578-DX.
Небольшое отступление.
CFM International создана в 1974 году двумя компаниями – американской GE Aviation и французской Snecma, которая является дочерней конторой Safran. У французов всегда была особая тяга к экзотическим решениям, и «открытый вентилятор» не стал исключением.
Испытания биротативного «открытого вентилятора» от Safran в 2017 году. В серию не пошел, хотя и обеспечил 15 % экономии топлива
В 2017 году Safran закончил работы по толкающему турбовинтовентилятору проекта SAGE 2. Конструкцию признали удачной, но конъюнктура рынка не обещала рыночного успеха – до углеродно-нейтральных решений ИКАО было еще далеко. Хотя 15 процентов сэкономленного керосина впечатлили многих.
И вот CFM International возвращается к теме, но на этот раз решено было отказаться от толкающей схемы и второго вентилятора на оси. На месте второго ротора стоят неподвижные направляющие лопасти, способные лишь изменять свой шаг. По задумке это должно заметно снизить возмущения воздушного потока позади несущего винта.
Стендовые испытания авиамотора проекта RISE планируют начать уже в 2026 году.
Открытый вентилятор планируют диаметром четыре метра. Это, к слову, привет всем скептикам, которые похоронили отечественный НК-93 с его трехметровым поперечным срезом. Дескать, авиамотор никуда бы не влез. Французы с американцами думают иначе. По расчетам, мотор RISE с тягой в 13,6 тонны должен обеспечить носителю те же самые 0,8 Маха, что и традиционные турбореактивные двигатели с большой степенью двухконтурности.
Летающей лабораторией для RISE должен стать гигант А-380
Самое необычное в истории – это предполагаемый носитель перспективного авиамотора.
CFM International договорились с Airbus, и те отрядили моторостроителям целый А-380. Это четырехмоторный двухпалубный гигант, носящий титул самого большого в мире пассажирского самолета. Хотя уже и не выпускающегося серийно. Под его крылом планируют повесить первый опытный авиамотор и подняться в небо. Примерно так же НК-93 осваивал работу в воздухе с отечественной летающей лабораторией ИЛ-76ЛЛ в Жуковском.
По непонятным причинам от летающего стенда Boeing 747 авторы проекта отказались. Хотя «джамбоджет» также с четырьмя моторами, что гарантирует безопасность при отказе опытного изделия. Говорить о применении «открытого вентилятора» на широкофюзеляжных самолетах преждевременно – для этого ему просто не хватит тяги. К типичным потребителям можно отнести региональные Fokker и Bombardier.
Концептуально рассматривается размещение огромных моторов не под крылом, а спереди немного выше кромки крыла. Либо в хвосте, что особенно выгодно в плане снижения шумов в пассажирском салоне. Разумеется, самым предпочтительным является схема с высоко расположенным крылом, как у семейств Ан и Ил-76.
Как видно, носителями перспективного авиамотора вполне могут стать и военно-транспортные самолеты
Несмотря на изначально гражданскую сущность авиадвигателя, RISE явно найдет свое место под крыльями военно-транспортных самолетов. Тем более, если разработчикам удастся сдержать обещания о скоростях полета. От 20-процентной экономии горючего при всех прочих равных не откажутся даже военные.
Россия упустила шанс оказаться в мировых лидерах разработки турбовинтовентиляторных авиамоторов. На Западе явно перехватывают инициативу в достаточной узкой специализации, которая в будущем может захватить весь рынок.
Но не все потеряно – до планируемого принятия в серию RISE еще лет восемь-десять. За это время есть все возможности догнать и достичь паритета с Западом. И санкции российским инженерам здесь играют только на руку.
Информация