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.
|