Ведущие европейские компании-производители и исследовательские организации уже несколько лет разрабатывают новые технологии, позволяющие создавать вертолеты, обладающие низким расходом топлива и имеющие более высокие экологические показатели. Программа, получившая название Green Rotorcraft (GRC) и реализуемая в рамках проекта Clean Sky, преследует цель по созданию демонстратора технологий к 2014-2016 гг. При этом более экологичные вертолеты должны будут появиться в Европе в 2020-2025 гг.
Проект Clean Sky финансируется в равных долях правительствами европейских стран и ведущими компаниями-производителями. Основными целями данного проекта являются значительное сокращение шумового воздействия авиационной техники, снижение выбросов углекислого газа (CO2) и оксида азота (NOx). Кроме того, должно быть снижено вредное воздействие промышленного производства на окружающую среду, должны быть внедрены новые технологии топливосбережения.
Что касается непосредственно программы GRC, то здесь разработчики намерены снизить выбросы CO2 на 40% в случае использования дизельных двигателей и на 26% при использовании турбовальных моторов. Выбросы NOx для дизельных двигателей должны быть снижены на 53%, тогда как у турбовальных моторов снижение должно составить 65%. Также ожидается снижение шумового воздействия на уровень до 50%.
Чтобы достичь этих целей в рамках программы GRC планируется повысить эффективность пропеллера, снизить аэродинамическое сопротивление корпуса, провести модернизацию полетных процедур. Кроме того, ведется разработка новых дизельных и турбовальных двигателей. В целом же уровень новых технологий должен быть повышен с TRL3 (проверка концепции) до TRL6 (демонстрация прототипа) с таким расчетом, чтобы к окончанию действия проекта Clean Sky у разработчиков были на руках продукты, готовые к серийному производству.
По мнению американских экспертов, в настоящее время Европа является лидером в разработке экологичных технологий для вертолетостроительной отрасли. При этом в США Национальное аэрокосмическое агентство (NASA) запустило проект Sub-sonic Rotary Wing (SRW), во многом схожий с программой GRC. Бюджет данного проекта составляет $28 млн в год. Правда, в отличие от GRC в рамках проекта SRW не проводятся исследования в области продления жизненного цикла вертолетов, использования интегрированных электрических систем и дизельных двигателей. С другой стороны, исследования проводятся в таких областях, как снижение уровня шума в кабине вертолета, борьба с обледенением, проведение обслуживания вертолетов в сложных условиях, разработка новых трансмиссий и корпусов, обладающих повышенной стойкостью при столкновениях. Все перечисленные исследования в рамках программы GRC не проводятся.
Действие проекта Clean Sky было рассчитано на 2008-2017 гг. Все демонстраторы технологий должны быть готовы к концу 2016 г. Как отмечают участники данного проекта, в начале у разработчиков возникали определенные трудности, но сейчас работа идет в запланированном темпе. В настоящее время отбираются самые лучшие проекты новых технологий, разработка которых должна будет начаться в 2014 г.
В 2011 г. к проекту Clean Sky удалось привлечь более 300 партнеров, 40% из которых являлись небольшими и средними фирмами, при этом 20% пришлось на научно-исследовательские организации и институты. В текущем и следующем годах в рамках программы GRC будут проведен анализ предложенных проектов, а в 2014 г. должны будут начаться испытания новых технологий.
Новые лопасти пропеллера, разрабатываемые в рамках GRC, приведут к снижению необходимой мощности во время полета на 3-8%, а во время посадки уровень шумового воздействия будет снижен на 6 дБ. В ближайшее время должны состояться испытания подготовленных проектов.
Что касается аэродинамического сопротивления, то его уровень в зависимости от конфигурации и веса вертолета должен быть снижен на 10-15% в рамках проекта GRC. Для достижения этой цели планируется провести оптимизацию различных элементов на корпусе вертолета, улучшив их аэродинамический профиль. Часть представленных разработок, как сообщается, будет протестирована на вертолетах AW101 или EC145.
В то же время, как отмечают разработчики, самым многообещающим и самым сложным проектом в рамках GRC, является использование дизельных двигателей на легких вертолетах. Современные турбированные автомобильные дизели с промежуточным охлаждением обладают достаточно низким расходом топлива и уровнем выброса CO2, однако сертифицированные в авиации моторы являются слишком маленькими и слишком тяжелыми для использования на вертолетах. В то же время по сравнению с турбовальными моторами они должны привести к снижению расхода топлива и сокращению выброса вредных веществ на 30-40%, правда, для этого необходимо улучшить их характеристики и весовые параметры.
Один из таких двигателей по контракту стоимостью €9,3 млн разрабатывает компания Austro Engine совместно с фирмой TEOS. В скором времени дизельная силовая установка мощностью 330 кВт и весом 250 кг будет продемонстрирована на легком вертолете EC120. Основными трудностями, с которыми сталкиваются разработчики при создании этого двигателя, являются снижение веса, повышение уровня надежности, а также необходимость решения вопросов, связанных с установкой двигателя на вертолете. Наземные испытания двигателя запланированы на 2014 г., а вот летные испытания еще не финансировались.
В то же время французская компания Turbomeca в ближайшей перспективе рассчитывает увеличить свой бюджет на НИОКР на 25%, создать около 100 новых рабочих мест для инженеров в рамках программы по обновлению к 2020 г. модельного ряда силовых установок для вертолетов и созданию нового гибридного двигателя. Безусловно, такие цели потребуют серьезных инвестиций, и как отмечает руководство Turbomeca, в ближайшее время расходы на НИОКР должны быть доведены до 15% от доходов компании (в 2010 г. доходы от продаж компании Turbomeca составили €940 млн).
В первую очередь, будут разрабатываться новые двигатели в семействе Arriel 2 +, которое устанавливается на вертолетах Eurocopter EC145T2 и A365N3e Dauphin. Кроме того, компания выводит на рынок новые силовые установки Ardiden 3, предназначенные для тяжелых двухдвигательных вертолетов массой от 5 до 8 т.
Кроме того, инженеры Turbomeca ведут разработку 1000-сильного демонстратора технологий TM800, который является первым шагом на пути к серийному производству силовой установки для вертолетов Eurocopter X4 Dauphin, ввод в эксплуатацию которых намечен на 2017 г.
Как считает руководство Turbomeca, вертолетный рынок достаточно медленно восстанавливается после мирового экономического кризиса, и сейчас он вернулся на уровень 2009 г. В течение 2012 г. восстановление должно продолжаться. В 2011 г. Turbomeca поставила своим клиентам 942 мотора, тогда как годом ранее было поставлено 800 двигателей. Наращивание объемов перевозок операторами винтокрылых машин также привел к увеличению объема заказов на выполнение ТОиР двигателей.
Год назад Turbomeca завершила сертификацию двигателя Arriel 2D для вертолета Eurocopter AS350B3e. Этот двигатель стал первым мотором в семействе Arriel 2+. Основной особенностью нового мотора является 50-процентное увеличение отношения мощность/вес, значительное сокращение затрат на обслуживание двигателя, причем межсервисный интервал для этой силовой установки может быть увеличен до 6000 часов. Вопреки критике со стороны некоторых экспертов, руководство Turbomeca отмечает, что Arriel 2D - это действительно новый двигатель, а не простая модернизация силовых установок прошлого поколения. Новая модель обладает увеличенной на 12% мощностью, сниженными на 10% затратами на обслуживание и пониженным расходом топлива.
Двигатели Arriel 2D оснащаются новым осевым компрессором, турбиной высокого давления с лопатками, изготовленными из новых материалов, выдерживающих более высокие температуры, и модернизированной силовой турбиной. Двигатель находится под управлением новой системы FADEC, которая позволяет записывать данные о работе силовой установки. Тем самым, можно проводить превентивное обслуживание мотора до возникновения существенных неполадок. В результате сокращается время простоя вертолета по причине ТОиР двигателя. В 2011 г. компания Turbomeca поставила 100 двигателей Arriel 2D, в текущем году планируется поставка около 200 моторов данного типа. В данном классе следующим шагом будет разработка нового двигателя после 2020 г. на базе демонстратора технологий TM800. К 2030 г. расход топлива двигателей в этом классе должен быть снижен на 35%.
В настоящее время основные усилия компании направлены на дальнейшее развитие двигателей семейства Ardiden 3, которые позиционируются компанией Turbomeca как силовые установки следующего десятилетия. Моторы мощностью 1800 л.с. на валу предназначены для использования на тяжелых двухдвигательных вертолетах. Пока что использование этих двигателей заявлено лишь на двух моделях вертолетов: это российский Ка-62, а также пассажирский AC352, разрабатываемый китайской компанией Avicopter и являющийся одной из версий двухдвигательного вертолета Eurocopter EC175.
По сравнению с моторами Pratt & Whitney Canada PT6C-67E, которые устанавливаются на вертолетах EC175, двигатели Ardiden 3 экономичнее на 11%, кроме того, их установка на вертолеты проще на 2%, поскольку силовые установки от P&W обладают более сложной конструкцией.
Компания Avicopter поначалу сделала ставку на моторы P&W, однако позже переключилась на двигатели Ardiden 3. С другой стороны Eurocopter, скорее всего, не последует примеру своих китайских коллег. По крайней мере, европейский вертолетостроитель доволен двигателями P&W, причем недавно компания объявила о том, что ей удалось улучшить некоторые характеристики вертолетов EC175 на 30% по сравнению с базовой модификацией. В частности, отмечается, что вертолеты EC175 с 16 пасс. на борту будут обладать дальностью полета до 250 км, версия, предназначенная для перевозки 12 чел., будет обладать дальностью полета до 350 км. Сейчас Eurocopter также работает над 18-местной версией вертолета EC175, который мог бы выполнять полеты на расстояние до 185 км.
Демонстрацию гибридных двигателей компания Turbomeca намерена начать в 2014-2015 гг. Сообщается, что новые силовые установки будут обладать мощностью от 2 до 3 тыс. л.с. на валу и будут предназначены для нового класса тяжелых вертолетов массой до 10-12 т. В настоящее время французская компания работает над различными технологическими решениями, которые позволят достичь поставленных целей. Однако во многом прогресс в этом направлении будет зависеть от постепенной модернизации систем хранения энергии, особенно, от снижения их массы при одновременном увеличении емкости.
По замыслу инженеров Turbomeca, гибридные двигатели должны аккумулировать энергию из различных источников во время полета вертолета. Дополнительная энергия от батарей или ВСУ требовалась бы только в критических фазах полета, таких как взлет, посадка или парение. В результате можно уменьшить размеры основного двигателя и оптимизировать его характеристики для выполнения крейсерского полета. Вес такого двигателя был бы меньше, а расход топлива, по предварительным расчетам, должен снизиться на 25%. В целом же, как считают в Turbomeca, гибридные двигатели должны хорошо зарекомендовать себя в будущем.
Обзор подготовлен по материалам Aviation Week и Flightglobal.
Артур Нургалеев
