Взрывной рост цен на нефть и нефтепродукты в конце 2000-х годов вновь поставил перед авиационной индустрией вопрос о повышении топливной эффективности авиадвигателей. Учитывая, что резервов для улучшения параметров термодинамического цикла (степени повышения давления в компрессоре и температуры в камере сгорания) остается все меньше, магистральным направлением становится повышение степени двухконтурности, и наиболее важным событием стало создание двигателей с редукторным приводом вентилятора. Однако еще больший эффект с точки зрения улучшения удельных показателей может дать переход к винтовентиляторным двигателям. Несмотря на существующие ограничения, у этого класса моторов огромное будущее, и России, обладающей значительным научно-техническим заделом, пока сохраняются шансы не утратить свои позиции.
Топливный кризис раскручивает винты
Главным лозунгом самолетостроителей было "Быстрее, дальше, выше", и требование обеспечить высокую крейсерскую скорость полета последовательно привело к прекращению производства магистральных самолетов, оснащенных поршневыми двигателями, а уже в 50-е годы начался постепенный переход к реактивным моторам. Однако достаточно быстро гонка за скоростью завела разработчиков в тупик: высокий удельный расход одноконтурных турбореактивных двигателей (ТРД) ограничивал их использование на самолетах, выполняющих полеты на большую дальность. Именно с требованием обеспечить возможность долететь до цели на американском континенте и вернуться на базу было связано появление турбовинтового Ту-95, судьба которого, в результате, сложилась более счастливо, чем у скоростного 3М. Но так или иначе, турбовинтовые двигатели (ТВД) оставались нишевым решением, в то время как распространение двухконтурных двигателей (ТРДД) привело к их фактическому доминированию в линейках выпускаемых магистральных и региональных самолетов.
Основное преимущество ТРДД перед ТВД очевидно - при приемлемом уровне экономичности, первый двигатель более скоростной, и при выполнении межконтинентальных полетов сокращение времени перелета оказывается важным фактором для пассажира. Кроме того, существенный рост стоимости воздушных судов повышает требования к оборачиваемости парка, то есть возможности выполнить за то же время максимальное количество рейсов. В результате между пассажирскими самолетами с ТРДД и ТВД пролегла граница: при дальности полета до 1000 километров с коммерческой точки зрения более привлекательны турбовинтовые машины, при большей дальности - турбореактивные. Однако величина 1000 километров вовсе не является постоянной, и самое заметное влияние на нее оказывают цены на авиатопливо, а также успехи двигателестроителей. Появление ТРДД с низким удельным расходом приводит к вытеснению винта. А в 1970-х годах разразился топливный кризис, который дал винтовому движителю "второе дыхание".
Первыми на новую угрозу отреагировали американские производители. В 1976 году компания Hamilton Standard представила винтовентилятор: новый движитель, отличающийся большим числом широкохордных лопастей. Благодаря использованию композитных материалов достигалась высокая массовая эффективность, долговечность и надежность, а применение новых аэродинамических профилей обеспечивало высокий КПД в широком диапазоне скоростей. Вскоре под эгидой НАСА была развернута широкомасштабная исследовательская работа, в ходе которой разработчики представили свое видение двигателей нового поколения, а во второй половине 1980-х годов были проведены летные испытания винтовентиляторных двигателей различных схем.
Так фирма Allison испытала двигатель с выходной мощностью 6000 л.с. и винтовентилятором диаметром 2,75 м. Были проведены оценки на высотах полета от 1500 до 12 000 м, и на скоростях до М=0,85, в одном из полетов достигнута скорость М=0,89. Были оценены прочностные характеристики, а также уровень шума. В целом разработчиком получены весьма обнадеживающие результаты: удельный расход топлива винтовентиляторного двигателя был на 17% ниже, чем у равнозначного по тяге ТРДД. По мнению специалистов, при применении винтовентиляторного двигателя на самолетах типа DC-9 или Boeing 727 абсолютная экономия топлива могла составить до 50%.
Также компания Allison в сотрудничестве с Pratt & Whitney создала более мощный демонстрационный двигатель - его мощность достигла 10 400 л.с., планетарного редуктора - 13 000 л. с., диаметр двух заднерасположенных шестилопастных винтовентиляторов противоположного вращения 3,54 м. Планировалось, что на базе газогенератора турбовального двигателя может быть создано целое семейство моторов с мощностью 9 000 - 16 000 л.с.
Компания General Electric также создала экспериментальный двигатель GE36, который прошел облет на MD-90 и Boeing 727. В ходе испытаний была достигнута скорость М=0,84 и высота 11 000 м. При этом на крейсерском режиме (высота 10 500 м и скорость М=0,72) расход топлива относительно штатного двигателя JT8D-17R был снижен на 47%. Особенностью GE36 является отсутствие редуктора в приводе двухрядного восьмилопастного винтовентилятора.
Не отставали от заокеанских конкурентов моторостроители Великобритании. Компания Rolls-Royce запустила работы по двум проектам двигателей с приводимыми через редуктор винтовентиляторами противоположного вращения: RB.509-11 с задним расположением винтовентиляторов и RB.509-14 - с передним расположением.
Приоритет - винтовентилятору
А что же происходило в СССР? Ведущим предприятием в области разработки воздушных винтов было Ступинское ОКБ винтостроения (ныне НПП "Аэросила"), которое уже в начале 1980-х годов имело приличный задел по многим аспектам создания винтовентиляторов. После создания воздушных винтов традиционной конструкции АВ-24Ан с регулятором Р-24Ан для самолета Ан-28 и АВ-17 с регулятором Р-17 для самолета Ан-3, предприятие начало поисковые работы, в результате которых появились прообраз винтовентилятора СВ-24 с металлическими лопастями, а также винт АВ-81 с композитными лопастями. Первый был испытан на самолете Ан-24 и показал перспективу работ в этом направлении, второй, рассчитанный на мощность 360 л.с., должен был найти применение на легких спортивно-пилотажных самолетах ОКБ Яковлева. Имея такие стартовые позиции, ОКБ винтостроения выступило с инициативой создания винтовентиляторов для перспективных транспортных и пассажирских самолетов, и на заседании Научно-технического совета Минавиапрома СССР в июле 1983 года, по сути, винтовентиляторной программе был дан "зеленый свет", а это направление получило приоритет в авиаотрасли. Вскоре был создан координационный отраслевой совет, который вел работу по 85 отдельным программам в различных отраслевых НИИ и КБ.
Первенцем в этой программе стал двигатель Д-236Т, разработанный по первоначальным требованиям к транспортному самолету Ан-70. Двигательная установка мощностью 10 000 л.с. была создана на базе газогенератора двигателя Д-36, ступинское предприятие разработало винтовентилятор СВ-36 и его регулятор РСВ-36. Был проведен комплекс наземных стендовых и летных испытаний на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ с участием отраслевых институтов ЦАГИ, ЦИАМ и ВИАМ, были отработаны основные направления концепции двигательной установки. К 1988 году намеченная исследовательская программа испытаний была выполнена, а работа была завершена на стадии создания демонстратора. Полученные результаты позволили перейти к проектированию нового двигателя мощностью 14 000 л.с., получившего название Д-27, и винтовентилятора СВ-27.
Транспортный самолет Ан-70 должен был обладать уникальным набором характеристик, среди которых обеспечение короткого взлета и посадки, достаточно высокая крейсерская скорость, большая дальность полета и полезная нагрузка. В результате анализа различных схем силовых установок была выбрана трехвальная схема двигателя с двухрядным винтовентилятором. Передний винтовентилятор имеет восемь лопастей, поглощающих максимум мощности и создающих максимальную тягу. Задний винтовентилятор имеет шесть лопастей. По сравнению с винтом СВ-36, у винтовентилятора СВ-27 лопасти выполнены из прогрессивных композиционных материалов, имеют значительно меньшую относительную толщину профиля и резко выраженную саблевидную кривизну направляющей кромки, которая имеет электрическую противообледенительную полоску и неистираемое покрытие. Винтовентилятор обеспечивает высокий КПД на высокоскоростном крейсерском режиме (0,9 при М=0,7), отличные взлетные характеристики за счет обдува крыла и большую тягу в режиме реверса, сокращающую пробег на посадке. Отдельно следует отметить существенное улучшение акустических характеристик в сравнении с традиционными винтовыми установками. Но главное - было достигнуто примерно 30% снижение расхода топлива в сравнении с ТРДД аналогичной размерности.
Казалось бы, что винтовентилятор имеет прекрасное будущее. Однако высокие цены на нефть продержались не так долго, чтобы дать двигателестроителям необходимый запас времени на создание серийных образцов. Кроме того, был достигнут прогресс в части создания высокоэкономичных ТРДД, которым удалось сохранить свои позиции. В России, получившей значительные наработки по винтовентиляторной тематике, началась перестройка, которая на 15-20 лет затормозила практически все работы в отрасли.
Несбывшиеся надежды
В результате многолетних работ в рамках отраслевой целевой комплексной программы была создана методология проектирования принципиально новых многолопастных флюгерно-реверсивных винтовентиляторов и воздушных винтов с композитными лопастями для самолетов нового поколения, развита испытательная и производственная база задействованных в ней предприятий. Была успешно решена самая сложная на тот момент задача: создана легкая и надежная лопасть из полимерных композиционных материалов. Однако оставался целый набор проблем, связанных с высоким уровнем шума: полученные образцы позволяли с запасом удовлетворить требованиям III главы ИКАО, в то время как было необходимо заглядывать в будущее и готовиться к введению требований по IV главе.
В это время "Аэросила" спроектировала новое поколение воздушных винтов, среди которых СВ-34 и АВ-140 для самолетов местных воздушных линий Ил-114 и Ан-140, уже названный СВ-27 для Ан-70 и винтовентилятор СВ-92, установленный на двигателе НК-93. Об НК-93 стоит рассказать подробнее.
Во второй половине 1980-х годов ОКБ им. С.В. Ильюшина приступило к проработке технического облика перспективного тяжелого транспортного самолета Ил-106 грузоподъемностью 80 тонн. Новый грузовик должен был иметь крейсерскую скорость 820-850 км/ч и дальность полета 5000 км. Эскизный проект самолета был завершен в начале 1990-х, однако именно в этот период Советский Союз прекратил свое существование, а вслед за ним ушли в небытие многие перспективные работы. Самолет проектировался под четыре двигателя НК-92 (позднее - НК-93) тягой по 18000 кгс со степенью двухконтурности 16,7.
В 1988 году начались работы по газогенератору, а спустя год он был испытан. Одноступенчатая турбина высокого давления приводила восьмиступенчатый компрессор высокого давления, одноступенчатая турбина среднего давления - семиступенчатый компрессор низкого давления, а трехступенчатая свободная турбина передает мощность на редуктор. Суммарная степень повышения давления в компрессоре достигала 37. Конструкция двигателя была весьма передовой на тот момент, однако многие технические решения уже были отработаны на опытных проектах, созданных КБ Кузнецова в 1980-х годах. Среди них высокотемпературная камера сгорания и турбина высокого давления, и, конечно, не имеющий аналогов в мире двухрядный винтовентилятор с поворотными лопастями, приводимый во вращение с помощью дифференциального планетарного редуктора. Количество лопастей на первой ступени - восемь, на второй - десять. Угол установки саблевидных лопастей первой и второй ступеней вентилятора может изменяться в диапазоне 110 град. Форма лопастей в совокупности с шумопоглощающими покрытиями обечайки вентилятора обеспечивали двигателю соответствие требованиям нормам главы III ИКАО. На крейсерском режиме при М=0,75 и высоте полета 11 000 м удельный расход топлива двигателя по расчетам должен был составлять около 0,49 кг/кгс·ч, а расход воздуха - 1000 кг/с. Интересной особенностью двигателя являлось отсутствие реверсивного устройства - обратная тяга достигалась поворотом лопастей винтовентилятора.
НК-93 должен был стать базовой конструкцией для семейства двигателей со взлетной тягой 78...226 кН (8...23 тыс. л.с.), однако этим планам не было суждено сбыться: в отечественном авиапроме не нашлось и нет до сих пор самолета, на который можно установить тяжелый и габаритный двигатель, а призывы не бросать перспективную разработку, звучавшие от научного и технического сообщества, были проигнорированы. Было изготовлено 10 экземпляров, проведены испытания газогенератора двигателя НК-93 в термобарокамере ЦИАМ, испытания на наземном открытом стенде. Более того, 3 мая 2007 года был выполнен полет на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ... после этого проект был фактически похоронен руководством "Объединенной двигателестроительной корпорации". Прагматичный подход победил здравый смысл. Вот что считает генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения Владимир Скибин: "Лет семь назад мы очень внимательно разбирались с двигателем НК-93... Схемные решения весьма интересны: очень высокая степень двухконтурности, низконапорный биротативный винтовентилятор с редукторным приводом. Подобными работами занимались в свое время и зарубежные фирмы, но бросили их, не справившись с шумом. Мы настаивали на том, чтобы провести летные испытания НК-93. Есть интересные вещи, которые можно использовать в дальнейшем. Целесообразно завершить испытания этого двигателя в качестве демонстратора, но это очень большая работа. Нужен заказчик, нужен интерес со стороны самолетостроителей". Продолжает заместитель генерального директора ОАО "НПП "Аэросила", главный конструктор по воздушными винтам и винтовым преобразователям Михаил Шатланов: "Пройден определенный этап моторностендовых испытаний и самый начальный и незначительный этап испытаний на летающей лаборатории Ил-76. Считаю, что после столь продолжительного и затратного пути по данному уникальному двигателю, научно-исследовательские работы не должны обрываться. Когда не получены окончательные результаты, позволяющие сделать уверенные выводы по всем аспектам технических проблем и определить облик образца для дальнейшей ОКР, понесенные затраты средств и времени оказываются просто напрасными".
Винт возвращается на сцену
Несмотря на то, что в 1990-х годах российские и украинские самолетостроители предложили еще пару проектов пассажирских самолетов, рассчитанных на установку винтовентиляторных двигателей, почти на десятилетие интерес к этой теме угас. На региональных линиях турбореактивные машины стали вытеснять своих винтовых собратьев даже в размерности 50 кресел, в новом столетии серийно выпускались только три типа турбовинтовых самолетов вместимостью 50-70 кресел. Однако очередной скачок цен на нефтепродукты возвратил двигателестроителей к вопросу о применении винтовентиляторов. Учитывая, что отечественные исследователи и разработчики, прежде всего ЦИАМ, ЦАГИ и НПП "Аэросила", не утратили научный и кадровый потенциал, целесообразно провести ревизию существующих проектов отечественного авиапрома на предмет возможности использования в них имеющихся наработок. Параллельно следует, с учетом новых возможностей в части расчетов, моделирования и проектирования, а также с применением наработок в области материалов, создать новые образцы винтовентиляторов.
По словам М.Шатланова, "сегодня стало ясно, что дальнейшее развитие мирового авиастроения немыслимо без повышения топливной эффективности двигательных установок и последние несколько лет основные двигателестроительные фирмы Европы и Америки, опираясь на прежние исследования и новые возможности расчетных методов, возобновили интенсивную работу по турбовинтовым и турбовинтовентиляторным двигательным установкам. Сегодня ведутся работы и в наших НИИ - ЦИАМ и ЦАГИ, - где первостепенное внимание уделяется разработке самых совершенных расчетных методов проектирования винтовентиляторов по аэродинамике и акустике".
Увы, работы ЦИАМ сегодня больше востребованы иностранными разработчиками. Как известно, ведущий научно-исследовательский институт участвует в общеевропейской программе VITAL, предусматривающей создание "чистого и тихого" двигателя. 53 компании и организации, включая авиадвигателестроительные фирмы, научно-исследовательские центры и университеты, поставили перед собой амбициозные задачи: снизить уровень эмиссии СО2 на 7%, массу - на 25%, уровня шума на взлете - на 6 EPNдБ. ЦИАМ ведет разработку биротативного вентилятора, высоконапорных подпорных ступеней и их корпуса совместно с компанией Techspace Aero, а также разрабатывает турбину низкого давления с противовращением совместно с компанией MTU Aero Engines. В то же время о намерении создать сопоставимый по уровню технического совершенства двигатель отечественные разработчики пока не заявляют.
Между тем, есть несколько направлений в самолетостроении, где уверенные позиции российских и украинских производителей необходимо поддержать совершенными двигателями и движителями. В первую очередь это военно-транспортные самолеты широкого диапазона взлетных весов. В текущем десятилетии фактически завершится эксплуатация легких машин Ан-26 и средних Ан-12. На смену первым, согласно Госпрограмме вооружений, должен прийти Ил-112В, в интересах создания которого в настоящее время идут работы над двигателем ТВ7-117, а также воздушным винтом: "Аэросила" в настоящее время осуществляет усталостные испытания композитных лопастей на динамических стендах и завершает работы по изготовлению опытных образцов воздушных винтов АВ-112 и гидромеханических регуляторов для лабораторных испытаний.
Что касается второго направления, то, как известно, сменить Ан-12 должен был Ан-70. После ряда заявлений, сделанных в 2009 году российской стороной по вопросу сотрудничества с Украиной по этой программе, бюджетные средства вновь стали поступать разработчикам этого лайнера, как ожидается, в 2010 году будут завершены работы по доводке винтовентилятора СВ-27 и его системы автоматического управления, а в 2011 году самолет может быть предъявлен на Государственные совместные испытания.
Однако применение винтовентиляторных двигателей не ограничивается исключительно военно-транспортными машинами. Большой потенциал их применения существует на патрульных и разведывательных самолетах. Не стоит сбрасывать со счетов и сегмент пассажирских самолетов: турбовинтовые лайнеры подтвердили свои достоинства при эксплуатации на коротких ВПП, полосах с грунтовым покрытием. Отдельным направлением работ "Аэросилы" было проектирование винтов для использования на судах на воздушной подушке, сегодня предприятием осуществляются разовые поставки воздушных винтов АВ-110, АВ-96 и АВ-98 на мощность 110, 6 700 и 10 000 л.с. соответственно. Даже такая актуальная тема, как создание скоростного вертолета, вряд ли обойдется без винтов нового поколения: помимо несущих, новые машины должны быть оснащены винтами толкающими, и они должны обладать оптимальными параметрами.
Перечень проектов, использование в которых современных винтовентиляторов может обеспечить получение конкурентных преимуществ, достаточно обширен, и сегодня у России остается возможность дать асимметричный ответ - выбрав перспективное направление и быстро развив свои компетенции в этой области, получить существенную долю на рынке. Стоит помнить опыт 1980-х годов, когда для завоевания лидирующих позиций в этой сфере была реализована комплексная программа. Также и сегодня необходимо развернуть работы широким фронтом, закрывающим проблемы разработки движителей нового поколения, отвечающим на актуальные вопросы аэродинамики, шума, прочности.
Александр Прохоров
