Авиационные двигатели представляют собой, пожалуй, самый сложный компонент любого летательного аппарата
Их технология производства отличается большой сложностью, а время от начала разработки до начала серийного производства может превышать и 10 лет. Рассмотрим наиболее перспективные проекты в военном двигателестроении.
Перспективные двигатели для истребительной авиации
Современная истребительная авиация является сверхзвуковой, более того, для пятого поколения истребителей необходима также возможность выполнения полета на бесфорсажной сверхзвуковой крейсерской скорости. Естественно, это требует применения более мощных и эффективных двигателей. На истребителях как четвертого, так и пятого поколения на сегодняшний день применяются двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД) c низкой степенью двухконтурности с форсажем. Рассмотрим перспективные силовые установки для истребителей.
«Изделие 30» для Су-57
Один из самых сложных и перспективных проектов в российском двигателестроении – разработка двигателя «второго этапа» для истребителя пятого поколения Су-57. Силовая установка, которая должна после 2020 года заменить АЛ-41Ф1 (двигатель, очень близкий к АЛ-41Ф1С, который устанавливается на серийные Су-35С), пока разрабатывается под временным названием «изделие 30». По доступной информации, разработку ведет ОКБ им. Люльки – московский филиал ПАО «ОДК-УМПО» («Уфимское моторостроительное производственное объединение»).
Из информации, в течение последних лет появляющейся в СМИ, известно, что двигатель, как и АЛ-41Ф1, имеет управляемый вектор тяги, а тяга на форсаже достигает 17 000 – 18 000 кгс, против 15 000 кгс у АЛ-41Ф1. В целом характеристики двигателя должны превосходить таковые у АЛ-41Ф1 на 20–25%, кроме того, можно предположить, что будет проделана работа и по снижению заметности в радиолокационном и инфракрасном спектрах [1]. Сочетание этих факторов должно позволить Су-57 достичь требуемых критериев истребителя пятого поколения.
«Трехконтурные» адаптивные двигатели в рамках программы Adaptive Engine Technology Development (AETD)
Еще в 2007 году стартовала программа министерства обороны США Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT), в которой участвовали General Electric (GE) и Rolls-Royce. В 2012 году ADVENT была завершена и перешла в программу Adaptive Engine Technology Development (AETD), в которой вместо Rolls-Royce оказалась Pratt & Whitney (P&W). С 2016 года с обеими компаниями были подписаны контракты на выполнение работ в рамках программы Adaptive Engine Transition Program (AETP). Обе компании получили по 1 млрд долларов, со сроком исполнения программы до 30 сентября 2021 года [2].
Перед обеими компаниями стоит цель разработать и испытать новый тип двигателей, которые в перспективе планируется устанавливать на истребителях F-35 и перспективных истребителях шестого поколения. Цель программы заключается в создании двигателя, который расходует на 25% меньше топлива и выдает на 10% больше тяги, чем доступные на сегодня силовые установки. Такое серьезное улучшение показателей достигается за счет добавления третьего контура к ТРДД, который включается в работу только в режиме экономичного полета, сильно повышая степень двухконтурности двигателя. К тому же более холодный воздух третьего контура используется для снижения температуры газов, покидающих двигатель, и, соответственно, снижения заметности в инфракрасном диапазоне. В боевом режиме достигается повышенная мощность двигателя за счет перехода на традиционный двухконтурный режим с низкой степенью двухконтурности.
Двигатель Adaptive Cycle Engine (ACE), или XA-100, который разрабатывается GE, согласно официальной информации, позволяет снизить потребление топлива на 25%, повысить максимальную дальность полета на 35% и увеличить тягу на 20% [3].
Что касается двигателя P&W под названием XA-101, он представляет собой глубокую модернизацию силовой установки F135, которая используется на истребителях F-35. В двигателе для программы AETP применяется внутренний контур (газогенератор) F-135 практически без изменений, идет разработка остальных компонентов, в том числе и третьего контура [4].
Отметим, что в открытых источниках информации о разработке аналогичных технологий в России пока нет.
Китайские проекты
В Китае, где активно развивается военное авиастроение, разработаны два истребителя пятого поколения – J-20 и J-31. Оба самолета поначалу полагаются на российские двигатели – АЛ-31Ф и РД-93, однако в перспективе должны получить китайские двигатели – WS-15 [5] и WS-19 [6] соответственно. Открытой информации о них немного, но ожидать какого-то технологического прорыва не стоит – это будет скорее локальным успехом и сокращением отставания от России и Запада.
 |
| Авиационный высокотемпературный турбореактивный двухконтурный двигатель АЛ-41Ф1 («Изделие 117») с форсажной камерой и всеракурсно управляемым вектором тяги «первого этапа» для истребителя пятого поколения ПАК ФА на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2011. (Doomych). |
| Источник: http://supercoolpics.com/ |
Прямоточные воздушно-реактивные двигатели
Несмотря на свою кажущуюся простоту, прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) – одно из самых многообещающих направлений развития военного двигателестроения. Прежде всего это касается ПВРД со сжиганием топлива в сверхзвуковом воздушном потоке или гиперзвуковых ПВРД (ГПВРД), а также двухрежимных вариантов – со сжиганием топлива как в дозвуковом, так и сверхзвуковом потоке воздуха. В первую очередь «чистый» ГПВРД интересен для установки на крылатые ракеты – в таком случае до минимальной для начала работы двигателя скорости ракету может довести твердотопливный ракетный ускоритель.
Российские работы в этой области засекречены, имеется лишь небольшое количество упоминаний в открытых источниках. Согласно им, авиационная гиперзвуковая крылатая ракета ГЗУР (гиперзвуковая управляемая ракета) получит ПВРД «Изделие 70», разработанный ПАО «ТМКБ «Союз» [7]. Он должен обеспечить полет ракеты на дальность 1500 км на скорости 6 M. Согласно данным того же источника, серийное производство ГЗУР должно начаться в 2020 году. О характеристиках двигателя ничего не известно.
С другой стороны, научный руководитель Государственного научно-исследовательского института авиационных систем академик Евгений Федосов в интервью «Интерфаксу» в 2017 году упоминал тему ГПВРД и сказал, что пока успехи в этой области не достигнуты [8]. Похожее мнение высказал и советник главы корпорации НПО «Машиностроения» по науке Герберт Ефремов в январе 2018 года [9]. Однако функционирование стандартного ПВРД на скорости 6 M видится маловероятным. Еще меньше известно о двигателе для противокорабельной ракеты «Циркон» разработки НПО «Машиностроения» [10]. Информации о реальных сроках готовности этой ракеты также нет.
Что касается стран Запада, там работы ведутся в более открытом режиме. Пока все известные работы были исключительно исследовательскими и направлены на изучение как тематики непосредственно ГПВРД, так и поведения летательных аппаратов на гиперзвуковой скорости в целом. На сегодняшний день ведутся работы в рамках программы Hypersonic Air-breathing Weapon Concept (HAWC), финансируемой DARPA и ВВС США [11]. Этим проектом занимаются как Lockheed Martin, так и Raytheon, получив контракты на 171,2 и 174,7 млн долларов соответственно. Еще 14,3 млн долларов было выделено в военном бюджете на 2019 год [12]. Работа заключается в создании прототипа гиперзвуковой крылатой ракеты с ГПВРД, другие детали пока неизвестны.
Есть проекты и в других странах, но менее конкретные и с размытыми перспективами. К примеру, европейская компания MBDA ведет исследования в направлении создания гиперзвуковой крылатой ракеты ASN4G, но ее появление «в металле» ожидается не ранее 2030 года [13]. Ведет работы и Индийская организация космических исследований: в 2016 году прошли успешные испытания ГПВРД – два двигателя были выведены на необходимую стартовую скорость с помощью ракеты-носителя Advanced Technology Vehicle (ATV) и успешно отработали в течение 5 секунд [14].
Комбинированные двигатели
Перспективная задача создания гиперзвуковых и атмосферно-космических самолетов требует разработки соответствующих двигателей. На гиперзвуковых скоростях использование традиционного ТРД/ТРДД невозможно, при этом применение исключительно прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПРВД) также не представляется возможным – он неэффективен на дозвуковых и низких сверхзвуковых скоростях. В связи с этим целесообразна разработка комбинированных двигателей – «турбопрямоточных» или же «турборакетных». Опыт создания и реального применения «турбопрямоточных» двигателей имеется в США – пара Pratt & Whitney J58 позволяла самолету-разведчику SR-71 разгоняться до скорости 3,2 М.
Сейчас в США на ранних стадиях ведутся работы по созданию как гражданских [15], так и военных гиперзвуковых самолетов. Как Boeing, так и Lockheed Martin стремятся создать гиперзвуковой самолет-разведчик, фактически «наследника» SR-71. В рамках программы DARPA Advanced Full Range Engine (AFRE) [16] идут работы по созданию комбинированного двигателя, включающего в себя два компонента – ТРД и двухрежимный ПРВД, со сжиганием топлива в дозвуковом воздушном потоке и со сжиганием топлива в сверхзвуковом воздушном потоке. На скорости, достаточной для запуска ПРВД, воздушный поток полностью перенаправляется во внешний контур, минуя газогенератор (турбина полностью отключается) и напрямую попадая в камеру сгорания ПРВД, расположенную за турбиной (вероятно, в форсажной камере). В англоязычной литературе такой двигатель получил название turbine-based combined cycle (TBCC). Работу ведут Boeing в сотрудничестве с Orbital ATK (ныне является частью Northrop Grumman) c 2016 года [17] и Lockheed Martin (отдел Skunk Works) с Aerojet Rocketdyne с 2009 года [18], [19].
Еще один перспективный тип комбинированного двигателя – это «турборакетный» двигатель. Такой двигатель, в отличие от «турбопрямоточного», может работать как в атмосфере, так и в безвоздушном пространстве. Наиболее интересным проектом в этой области является британский двигатель SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), разрабатываемый частной компаний Reaction Engines Limited [20]. Фактически в нем сочетаются три компонента – ТРД, ПВРД и ракетный двигатель.
Механизм работы двигателя достаточно сложный: воздух после попадания в воздухозаборник моментально охлаждается до –140 °С (примерно с 1000 °С) в теплообменнике. Происходит это за счет опосредованной передачи тепла от жидкого водорода (является топливом SABRE) через гелий, который находится в промежуточной петле. Нагревшийся гелий в дальнейшем применяется для обеспечения работы турбины компрессора, а водород сжигается как в камерах сгорания (всего их четыре), так и в дополнительных прямоточных камерах сгорания (на охлаждение гелия требуется больше водорода, чем для сжигания в основных камерах сгорания), расположенных кольцеобразно вокруг основных. На высоте 28,5 км и скорости 5,14 M двигатель переходит в ракетный режим – воздухозаборник закрывается, а в камеру сгорания начинает поступать жидкий кислород. За счет этого должен обеспечиваться вывод на орбиту одноступенчатого космического аппарата SKYLON [21].
Первые стендовые испытания двигателя планируется провести в 2020 году [22]. На раннем этапе подобные работы проходят и в России – в филиале Военной академии РВСН имени Петра Великого (Серпухов) ведутся работы над двигателем для перспективного воздушно-космического самолета [23].
Источники
https://bmpd.livejournal.com/3002080.html
https://www.defense.gov/News/Contracts/Contract-View/Article/822083
https://www.geaviation.com/military/engines/ge-adaptive-cycle-engine
http://newsroom.pw.utc.com/2017-09-18-Pratt-Whitney-Continues-Adaptive-Engine-Breakthroughs-with-Latest-Tests
https://theaviationist.com/2016/11/01/chinas-new-j-20-mighty-dragon-stealth-fighter-officially-unveiled-and-ready-to-enter-active-service
https://theaviationist.com/2017/10/25/chinese-stealth-goes-operational-carrier-program-and-export-initiatives-accelerate
https://bmpd.livejournal.com/3016213.html
http://www.interfax.ru/interview/577399
https://iz.ru/695749/sergei-valchenko/massovogo-giperzvukovogo-oruzhiia-ne-stoit-ozhidat
http://www.npomash.ru/press/ru/tribuna110310.htm
https://www.darpa.mil/program/hypersonic-air-breathing-weapon-concept
https://breakingdefense.com/2018/03/dod-boosts-hypersonics-136-in-2019-darpa/).
https://www.defensenews.com/industry/2017/12/08/former-procurement-official-joins-mbda-as-france-eyes-new-munitions/
https://www.isro.gov.in/launchers/isro%E2%80%99s-scramjet-engine-technology-demonstrator-successfully-flight-tested
http://aviationweek.com/commercial-aviation/boeing-unveils-hypersonic-airliner-concept
https://www.darpa.mil/news-events/2016-06-24
http://aviationweek.com/defense/boeing-unveils-hypersonic-son-blackbird-contender
http://aviationweek.com/defense/boeing-unveils-hypersonic-son-blackbird-contender
https://www.popularmechanics.com/military/aviation/news/a28577/darpa-aerojet-rocketdyne-hypersonic-jet-engine/
https://www.reactionengines.co.uk/sabre-engine/
https://web.archive.org/web/20160418035934/http://www.reactionengines.co.uk/tech_docs/SKYLON_User_Manual_rev1-1.pdf
https://www.reactionengines.co.uk/westcott-test-site-tf1-1-year-construction/
http://tass.ru/armiya-i-opk/3450192
Леонид Нерсисян
