Об экономии и эффективности, как правило, вспоминают во времена кризисов. К примеру, в памятном 2008 году ряд западных телекомпаний из-за нехватки денег пересадили свои новостные группы на вертолеты с поршневыми двигателями вместо газотурбинных.
Однако, как ни странно, это решило лишь локальные проблемы в виде экономии средств телекомпаний, да еще помогло продвинуть на рынки легкие вертолеты. И все. Ни о каком глобальном повороте в сторону энергоэффективности речи больше не заходило. А ведь именно он, поворот, вполне мог бы и средства сохранить, и добавить вертолетам так необходимую им топливную всеядность, помноженную на преимущества поршневых двигателей.
Если снять экологический "ошейник"
И дело тут не только в доступном автомобильном бензине. У авиации как кость в горле застряли ограничения на токсичность двигателей.
- По газотурбинным авиадвигателям такой вопрос стоит очень остро, - говорит Дмитрий Онищенко, заместитель декана факультета "Энергомашиностроение" МГТУ имени Баумана, доцент. - Хотя, очевидно, что это скорее политика и экономика, чем забота об экологии. При этом на поршневые двигатели особых экологических ограничений нет. Да, в ряде стран они прописаны, но гораздо менее жестко, чем нормы для автомобильных двигателей. И этот факт, несомненно, надо использовать.
Действительно, если с поршневого двигателя снять экологический "ошейник", то его характеристики станут значительно интереснее для потребителя. И главное - мощность, про которую вспоминают все, пересевшие с поршневого на более тяговооруженный газотурбинный вертолет, например, с Robinson R44 на R66.
Иллюстрацией подобного подхода к перспективе поршневых двигателей для легких вертолетов может стать концепткар компании Ferrari, построенный в 1995 году.
- Уникальность этого автомобиля в том, что его силовая установка была основана на двухтактном двигателе с непосредственным впрыском бензина в цилиндр, оснащенным турбокомпрессором с высокой степенью повышения давления, поясняет наш собеседник из МГТУ. - А ведь двухтактные двигатели на тот момент уже считались, чуть ли не отжившими свой век, к тому же "грязными" реликтами. Правда, идея Ferrari не нашла дальнейшего применения. Основная причина одна - экологичность, в смысле ее отсутствие. Такой двигатель имел высокую токсичность и даже не вписывался в норму Евро-0 по показателям концентрации оксидов азота. Кроме того, из-за очень больших тепловых нагрузок на основные детали камеры сгорания снижался ресурс двигателя в целом. А вот в авиации подобный вариант развития событий был бы очень неплох. И конечно, за этим будущее.
Керамика вместе с конструкционной оптимизацией
Точно таким же образом, применяя современные технологии, и уникальные методы оптимизации процессов, которыми обладают отечественные разработчики, вполне можно вывести комбинированную поршневую силовую установку на очень высокий уровень удельных мощностей.
- Единственным ограничением в данном случае являются предельные температуры работы сплавов, из которых изготовлены ответственные элементы двигателя - поршни, головки или крышки блока цилиндров и так далее - продолжает Дмитрий Онищенко. - Но и эти проблемы решаемы применением новых материалов, которые обладают низкой теплопроводностью. Данные материалы способны существенно снизить количество теплоты, отводимое от рабочего тела и приблизить работу двигателя к идеальному циклу Карно, что в свою очередь обеспечивает максимально высокий термический КПД.
В данном случае разговор идет исключительно о двигателях воздушного охлаждения, так как кроме повышения мощности требуется максимальное снижение веса и размеров силовой установки. Чего трудно добиться при жидкостном охлаждении.
- И здесь, с учетом тех требований, которые предъявляются к современной силовой установки для малых и средних вертолетов, без теплоизоляции стенок камеры сгорания уже не обойтись, - говорит Дмитрий. - Не обойтись, к примеру, без керамики или иных похожих материалов с низким коэффициентом проникновения тепла. И в нашей лаборатории, используя керамические покрытия некоторых частей двигателя, мы действительно добивались повышения температуры рабочего тела в камере сгорания. Только в итоге из-за большой разности коэффициентов линейного расширения металлов и керамики, на них наносимой, последняя зачастую отслаивалась. Кроме того, работы по так называемым "адиабатным" двигателям, (или более корректно их все же называть двигатели с уменьшенным теплоотводом) велись во многих странах и были прекращены. Но жизнь не стоит на месте, и в результате использования новых методов проектирования и расчета, математического моделирования мы пришли к выводу, что если частичную теплоизоляцию совмещать с некоторыми методами конструкционной оптимизации, проблема решается весьма успешно. Тот есть, помимо теплоизоляции необходимо менять угол закрутки потока, фазы газораспределения, характеристику впрыска топлива, диаметр и количество сопловых отверстий наконечника распылителя форсунки. Все это дает достойный прирост мощности и снижение расхода топлива. И самое главное - мы добиваемся очень серьезного увеличения удельной мощности поршневого двигателя, делающего его сопоставимым по тяговооруженности с малоразмерным газотурбинным.
Но, как было сказано, повышение мощности поршневого двигателя происходит при снятии экологических ограничений. То есть, в отработавших газах такого двигателя концентрация оксидов азота окажется значительно выше. Хотя концентрация других вредных веществ, например, твердых частиц, недогоревших углеводородов (СН), и естественно, монооксида углерода, будет падать, потому что полнота сгорания возрастет.
Несмотря ни на что экономить надо
В таком случае закономерен вопрос: "Отчего до сих пор, даже при наличии практически готовых решений, поршневые моторы для вертолетов не находят достойного применения?"
- Вероятно, с одной стороны это связано с тем, что промышленникам и экономистам привычней "дожимать" уже готовые решения в двигателестроении, максимально извлекая из них прибыль. Второй момент парадоксальный - оказывается мало кому хочется, даже в "сытые" времена делать инвестиции в развитие, особенно если речь идет об использовании так называемых "старых" решений. Хотя пример Ferrari говорит об обратном. Зачастую взгляд на "старые" решения под углом современных технологий дает поистине выдающиеся результаты.
По мнению Дмитрия Онищенко из-за невнимания к авиационным поршневым двигателям со стороны производителей и эксплуатантов, степень новаций, которая существует в авиационном поршневом моторостроении, застыла на уровне автомобильных двигателей конца 80-х, начала 90-х годов. А всегда было наоборот - авиационные технологии тянули за собой автомобильные.
Вместе с тем в настоящее время в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) идет активная проработка увеличения возможностей двигателя АШ-62, существовавшем также в вертолетном варианте.
- Фактически этот известный двигатель взят в качестве базы для испытаний, - поясняет эксперт. - Одно из направлений которых - заставить его работать на обычном автомобильном бензине. Надо понимать, что возможность использовать автомобильный бензин для поршневых авиационных двигателей может существенно повысить привлекательность этой техники. Главным образом, из-за снижения затрат и удобства эксплуатации. Хотя, конечно, современный владелец небольшого вертолета зачастую не сильно обременен стоимостью авиационного топлива для него. Но если говорить о массовом применении такой техники в масштабах страны, то экономия и удобство эксплуатации очевидны.
Дело в том, что тот же авиационный бензин сегодня в России не производится, а ввозится из Европы. Причина проста - во времена Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) производство авиационных бензинов было вынесено в Чехословакию. Поэтому сегодня его покупают там же, правда, по очень высокой стоимости.
- Кроме этого существует еще одно основание, говорящее в пользу поршневых двигателей для легких вертолетов, - продолжает наш собеседник из "Бауманки". - Если брать силовую установку вместе с редуктором, то не надо забывать, что у газотурбинного двигателя очень высокие обороты. Особенно у небольших двигателей. У поршневых, напротив, обороты более комфортны для редукторов, которые и по массе, и по размерам становятся меньше. Это еще раз говорит в пользу экономии и безопасности. Ну, и конечно, нельзя не сказать про запас мощности. Фокус в том, что использование комбинированного двигателя с повышенным тепловыделением в камере сгорания, с силовой турбиной, а также с гибкой системой управления позволит характеристики поршневого двигателя сделать более приспособленными для вертолета, а фактически сопоставимыми с небольшими газотурбинным, с учетом размеров и массы всей силовой установки. И в России создание такой силовой установки вполне реально. Поэтому, видимо, не стоит быть зацикленным на газотурбинных двигателях. Это не панацея, а лишь частный случай.
Герман Спирин
