Разработка

F119 - ДВИГАТЕЛЬ ИСТРЕБИТЕЛЯ F-22

Двигатель F119-PW-100, которым оснащен истребитель F-22 "Pэптор", создан на базе ТРДДФ F100 и рассчитан на обеспечение сверхзвукового крейсерского полета самолета без включения форсажной камеры. Силовая установка состоит из двух двухвальных ТРДДФ F119 с малой степенью двухконтурности. Это двухвальный ТРДДФ с такими основными (оценочными) характеристиками: Rф=156 кН, m=0,45, Cуд взл = 1,943 кг/(кгс·ч), Lдв = 4800 мм, Мдв = 1400 кг. По сравнению с базовым двигателем он развивает вдвое большую тягу на нефорсированном режиме и на 50 % большую тягу на форсажном режиме, содержит на 40 % меньше деталей и имеет на 80 % лучшие показатели надежности, ремонтопригодности и обслуживаемости.

Некоторые особенности конструкции основных узлов F119-PW-100
Вентилятор F119-PW-100 - трехступенчатый, рабочие лопатки - полые широкохордные, без антивибрационных полок. Это первый двигатель с широкохордными лопатками у американского истребителя. В них использована технология, разработанная для аналогичных лопаток гражданского ТРДД PW4000. Не имеющие антивибрационных полок лопатки с малыми относительными удлинениями и диаметром втулки обеспечивают увеличенный расход воздуха и отличаются повышенной прочностью, эффективностью, запасом ГДУ, а также лучшей стойкостью к повреждениям при попадании в двигатель птиц и других посторонних предметов. Полые лопатки применены только в первой ступени вентилятора. Это позволило снизить его массу.
Диски и лопатки трех вентиляторных ступеней выполнены как одно целое (конструкция "блиск") для снижения массы и улучшения характеристик. Эта конструкция предотвращает утечку воздуха в корневой части лопаток, что бывает в роторах с механическим соединением лопаток с диском. Роторы изготовлены из титана, отдельные ступени соединены с использованием сварки трением.
Входной корпус вентилятора имеет монолитную конструкцию из композиционного материала, он легче (на 7 кг) и дешевле исходного титанового корпуса. Входной корпус с помощью ряда профилированных стоек поддерживает передний подшипник. Технология изготовления корпуса не требует его дополнительной обработки и обеспечивает гладкую наружную поверхность.
Компрессор - шестиступенчатый, также с блисковыми роторами. Для обеспечения максимального к.п.д. рабочие лопатки имеют малое относительное удлинение и откорректированную диффузорность, а статорные лопатки выполнены наклонными. Укороченные и более прочные рабочие лопатки компрессора также отличаются повышенной стойкостью к повреждениям и возмущениям воздушного потока. Корпуса вентилятора и компрессора - разъемные для обеспечения лучшего доступа при техническом обслуживании.
Камера сгорания - кольцевая; стенки "плавающей конструкции" имеют как конвективное, так и пленочное охлаждение. Ступенчатые форсунки улучшают характеристики.
Турбины - высокого и низкого давления - одноступенчатые. Вращение турбин осуществляется в противоположные стороны. Оснащены турбины монокристаллическими лопатками с воздушным охлаждением. Конвективное и пленочное охлаждением обеспечивает снижение нагрева лопаток и увеличение их срока службы. Параметры каналов и отверстий для прохождения охлаждающего воздуха рассчитаны с применением методов вычислительной газодинамики и уточнены после проведения стендовых испытаний на специально препарированном двигателе.
Каскады ВД и НД двигателя вращаются в противоположных направлениях, что в сочетании с высокой частотой вращения повышает эффективность компрессора, турбин и подшипников. В частности, сочетание противоположного вращения каскадов и высокой частоты уменьшает поворот воздушного потока между ступенями и повышает к.п.д. При производстве диски турбины подвергаются двойной термообработке. Их материал образует мелкозернистую структуру в центральной части и крупнозернистую по ободу, что повышает стойкость к повреждению.
Сопло у двигателя плоское, с отклонением вектора тяги. Включает створки суживающейся и расширяющейся частей, обеспечивающие независимое управление площадью критического и выходного сечений. Створки расширяющейся части охлаждаются для уменьшения ИК-излучения, кроме того, им придана особая форма для уменьшения радиолокационной заметности. Сопла истребителя F-22 отклоняются на углы ±20° (время перекладки 1 с). Симметричное отклонение обоих сопел применяется для управления по тангажу, чтобы усилить действие горизонтального хвостового оперения на малых скоростях и больших углах атаки. Применение отклоняемых сопел увеличило массу конструкции на 15…25 кг, в то же время эквивалентное увеличение площади горизонтального оперения повысило бы эту массу на 180 кг.
В ТРДДФ F119 предполагалось применить поршень привода расширяющейся части сопла, изготовленный из конструкционных материалов с титановой матрицей. Масса этого поршня производства фирмы "Атлантик Ресерч Корпорейшен" на 40 % меньше массы аналогичной детали из нержавеющей стали. Поршень длиной ~30,5 см, с диаметром втулки 5,1 см и диаметром головки 10,2 см изготавливается как одна деталь.
Система управления - FADEC с двойным резервированием, объединена с системой управления истребителем F-22. Осуществляет управление вектором тяги, регулирует расход топлива, управляет поворотными направляющими лопатками вентилятора и компрессора. Двигатель F119-PW-100 оборудован системой диагностики, которая контролирует его техническое состояние, ведет запись событий и передает о них данные в бортовую ЭВМ истребителя. САУ FADEC ТРДДФ F119-PW-100 способна автоматически компенсировать отказы датчиков или устройств обратной связи.
Для отладки и проверки программного обеспечения САУ FADEC F119-PW-100 применяется автоматизированный функциональный имитатор всего диапазона полетных и большого числа всевозможных неустановившихся режимов. Типичный цикл имитационных испытаний с автопилотом может включать 2900 пунктов маршрута, 65 ч работы двигателя, в том числе 26 ч на форсированном режиме, свыше 3300 включений камеры сгорания и свыше 300 тактических циклов. Объединение имитатора с летным тренажером, оснащенным устройством графического представления полетных данных, позволяет изучать проблемы системы человек-машина.
ТРДФФ F119-PW-100 характеризуется улучшенной эксплуатационной технологичностью и ремонтопригодностью. В верхней части двигателя агрегаты не размещаются, а заменяемые на самолете узлы и детали (LRU) устанавливаются в один слой. Каждый из 29 блоков LRU может быть снят и заменен в среднем за 20 мин. Снаружи двигателя контровочная проволока не используется, вместо нее применяются крепежные элементы зажимного типа. В результате применения таких соединений масса двигателя увеличилась на 0,68 кг, однако экономия стоимости жизненного цикла значительно возросла. Различие размеров крепежных элементов сведено к минимуму, и для съема почти всех блоков LRU требуется только один инструмент.
Примером тщательного учета технологических процедур обслуживания двигателя является выбор места установки САУ FADEC. Её масса составляет 16,8 кг, и поскольку она располагается на уровне плеча человека, то техобслуживание затруднительно для техников небольшого роста. В связи с этим САУ снабжена рукояткой, позволяющей отвернуть блок от двигателя перед съемом, а затем снять двумя руками. Другое новшество - применение гибких трубопроводов, которые составляют 40 % всех магистралей ТРДФФ F119-PW-100. Хотя стоимость и занимаемый объем гибких трубопроводов выше, чем жестких, они более удобны для технического обслуживания. Также тщательному анализу и модернизации подвергнут инвентарь инструментов для наземного обслуживания двигателя. В результате для техобслуживания требуется только около 220 наименований инструментов, в то время как для ТРДДФ F100 - 400 инструментов. Почти все крепежные средства обеспечивают удержание деталей во время ремонта, предотвращая их падение и потерю. Еще одним новшеством стало использование для соединения трубопроводов блокирующих зажимов вместо хомутов, которые часто сдвигаются и теряются после снятия. Благодаря блокирующим зажимам одна половина узла остается прикрепленной к корпусу двигателя, а вторая - отсоединяется после отвинчивания болта. Для того, чтобы вторая половина зажима не потерялась, она прикрепляется к первой с помощью гибкой привязи, изготовленной из специального материала.
Изменения коснулись также маслобака и дроссельного клапана двигателя. В результате маслобак вмонтирован непосредственно в корпус коробки приводов агрегатов, что позволило убрать 18 трубопроводов и тем самым устранить 18 зон возможных утечек. В дроссельном клапане благодаря унификации было уменьшено число деталей, в результате чего все 12 соединительных элементов, используемых на клапане, являются однотипными. Кроме того, все трубопроводы были подключены к дроссельному клапану, что позволило отказаться от многочисленных уплотнений в пользу только одного уплотнительного узла.
При создании двигателя F119-PW-100 очень жестко ограничивался объем сопроводительной документации. Из начального пакета военных технических условий и стандартов после тщательного рассмотрения были изъяты 88 % (164 наименования), а перечень контрактных программных данных сокращен на 72 %. Объем отчетного доклада о работах по программе F119 (в страницах) уменьшен на 50 %, а цикл обмена технической информацией между подрядчиками и правительственными ведомствами сведен от 60 дней до двух недель. Активное использование видеоконференций и электронный обмен информацией в реальном времени позволили сократить транспортные расходы персонала на 75 %.
Эксплуатационная технологичность ТРДДФ F119 будет улучшена благодаря применению диалоговых инструкций по эксплуатации. Фирма "Пратт-Уитни" планирует перевести все инструкции на магнитные диски CD-ROM, что позволит отказаться от печатного текста объемом около 85 000 страниц. Для пользования такими инструкциями техсостав должен располагать портативным прочным компьютером, в котором можно будет использовать взаимозаменяемые модули, содержащие ограниченные объемы информации.
Усилиями разработчиков двигателя F119 был внесен большой вклад в программу летных испытаний истребителя F-22. Для летных испытаний было поставлено 25 двигателей, безотказно проработавших в полетах и позволивших достичь ключевых рубежей испытаний. Авиационный комплекс F-22/F119 налетал при испытаниях более 860 ч с набором высоты 15 000 м, крейсерской скоростью свыше М=1,5, перегрузкой более 7 g и углом атаки 60°. Развертывание истребителя F-22 в авиационных частях в полном составе ожидается в 2005 г. Эволюционная модель ТРДДФ F119 - двигатель F135 - будет устанавливаться на перспективном боевом самолете F-35 (прежнее название истребителя-штурмовика JSF для авиации различных видов вооруженных сил США - Joint Strike Fighter).


По мнению американцев, на мировом рынке военной авиационной техники основными конкурентами истребителю F-22 являются российские самолеты МиГ-29 и Су-27 различных модификаций, оснащаемые двигателями семейств РД-33 и АЛ-31. Как и F-22, российские самолеты, находящиеся на вооружении ВВС более чем в 25 странах мира, считаются коммерчески эффективными боевыми самолетами среднего и легкого классов.
Наиболее близкий по параметрам к F119 двигатель АЛ-31 (который по словам руководства Росавиакосмоса служит базой силовой установки истребителя пятого поколения) развивает стендовую тягу Rф=12 500 кгс на режиме "полный форсаж" и 7770 кгс - на режиме "максимал". Удельный расход топлива на максимальном режиме работы Cуд max=0,75 кг/(кгс·ч), на форсаже - 1,92 кг/(кгс·ч), минимальный крейсерский удельный расход топлива составляет Cуд кр= 0.67 кг/(кгс·ч). Сухая масса двигателя Мдв=1530 кг, удельный вес 0,122.
Создание истребителя F-22 и его последователя истребителя F-35 стало мощным стимулом к интеграции западных авиационных фирм и укреплению их позиций на мировом авиарынке. В первую очередь это укрепление позиций американской промышленности. Тенденция развития парков истребителей средней размерности является за рубежом превалирующей и долгосрочной. Это, с одной стороны, формирует структуру парка тактической авиации , а с другой, определяет характер спроса на международном рынке авиационной боевой техники. В целом развитие американских военных программ тактической авиации ставит перед ведущими авиационными державами необходимость более внимательного анализа соответствия отечественных разработок в области многоцелевых истребителей сценариям будущего.