НОВОЕ В АВИАЦИОННОМ ГРАЖДАНСКОМ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

Леонард  Винч, к.т.н.

Наиболее важными проблемами, решение которых стараются найти разработчики современных гражданских воздушных судов, являются повышение экономичности и обеспечение экологических требований. Первая проблема напрямую связана с высокой стоимостью реактивного топлива. Считается, что после кризиса цены на сырую нефть опустились до приемлемого уровня, однако для уверенного развития воздушный транспорт должен стать более экономичным. Вторая проблема обусловливает наличие определенных границ, которые нельзя переходить в погоне за высоким к.п.д. силовых установок, - ведь дальнейшее увеличение температуры газа в тракте ТРДД приводит к обострению ситуации с вредными выбросами.

Лидеры мирового авиационного двигателестроения - компании General Electric, Pratt&Whittney и SNECMA сегодня отнюдь не сидят без заказов. Напротив, их производственные линии загружены, и о ликвидации рабочих мест (в отличие от предприятий автомобилестроения) речь не идет. И все же, не желая уступить конкурентам в будущем, эти фирмы вкладывают значительные средства в проведение НИР и ОКР, нацеленных на создание новых, более совершенных авиационных двигателей.

Что ждет авиационный мир в ближайшее двадцатилетие: версия Boeing

Накануне открытия 48-й Парижской авиационно-космической выставки (15-21 июня 2009 г.) фирма Boeing опубликовала прогноз развития мирового рынка пассажирских и грузовых самолетов в 2009-2028 гг. Вице-президент отделения гражданских самолетов Рэнди Тинсет, отвечающий за маркетинговую политику, подчеркнул, что подобные прогнозы фирма составляет на протяжении последних 45 лет. В частности, он сказал: "Наша авиационная промышленность неоднократно сталкивалась со значительными проблемами, среди которых три крупных глобальных мировых экономических кризиса, две войны в районе Персидского залива, финансовый кризис в странах Юго-Восточной Азии, эпидемия атипичной пневмонии, террористические акты в Нью-Йорке и Вашингтоне и т. д. Все это оказывало серьезное влияние на мировую систему воздушных перевозок. В настоящее время мы переживаем очередной глобальный финансово-экономический кризис, который заставил нас несколько пересмотреть тенденции развития мирового рынка воздушных перевозок на ближайшие 20 лет".

В новом прогнозе отмечается, что если в течение предыдущих 30 лет объем пассажирских воздушных перевозок ежегодно увеличивался в среднем более чем на 5 %, то в течение последующих 20 лет он станет возрастать более умеренными темпами (менее 4,9 %). Быстрее других будут развиваться грузовые перевозки - их рост прогнозируется равным 5,4 % в год.

Ежегодные темпы роста объема пассажирских перевозок в Азиатско-Тихоокеанском регионе (АТР) составят 6,9 %, Латинской Америке - 6,4 %, Европе - 3,4 %, Северной Америке - 2,5 %. Пассажирские перевозки на внутренних авиалиниях КНР будут ежегодно возрастать на 8,6 %, в России и странах Центральной Азии - на 5,3 %. Объем пассажирских авиаперевозок между Ближним Востоком и АТР станет ежегодно возрастать на 6,3 %, между Европой и АТР - на 5,5 %, между Европой и Африкой - на 5,4 %, между Европой и Латинской Америкой - на 4,3 %.

Исходя из этих предположений, были определены потребности в поставках новых пассажирских (региональных и магистральных) и грузовых самолетов в 2009-2028 гг. Специалисты фирмы Boeing полагают, что в течение ближайших 20 лет может быть поставлено 29000 самолетов общей стоимостью $3,22 трлн. Распределение поставок по основным регионам следующее: АТР – 8960 (31%) самолетов стоимостью 1130 (36%) млрд. долл., Северная Америка – 7690 (26%) самолетов стоимостью 680 (21%) млрд. долл., Европа – 7330 (25%) самолетов стоимостью 800 (25%) млрд. долл.

По сравнению с прошлогодним прогноз поставок региональных самолетов сократился на 410 единиц, широкофюзеляжных (с числом мест до 400) - на 50, а широкофюзеляжных самолетов с числом мест более 400 - на 240. Однако поставки узкофюзеляжных самолетов возрастут, как ожидается, на 300 единиц. Фирма Boeing полагает, что к концу 2028 г. мировой парк пассажирских и грузовых самолетов составит 35600 единиц.

В прогнозе отмечается, что если бы в течение предстоящих 20 лет поставлялись самолеты, изготовленные без применения перспективных технологий, то мировой парк в 2028 г. следовало бы увеличить еще почти на 12000 единиц. По мнению фирмы, в 2009-2028 гг. будет построено 710 новых грузовых самолетов на сумму $172 млрд. Кроме того, планируется переоборудование 2050 пассажирских самолетов в грузовые.

Итак, по оценкам Boeing, в следующем двадцатилетии наиболее востребованными станут новые узкофюзеляжные пассажирские самолеты, для которых необходимо изготовить не менее 40000 авиационных ГТД с существенно улучшенными характеристиками.

Какие двигатели станут "хитами"?

В свое время фирмы Boeing и Airbus планировали замену к 2010 г. 150-местных ближнемагистральных самолетов, однако из-за бума авиаперевозок отодвинули ее на 2020 г. После разразившегося экономического кризиса вновь стала актуальной разработка экологически более чистых, менее шумных и, главное, более экономичных двигателей. Европейский совет по авиационно-космическим исследованиям поставил цель в ближайшие 20 лет уменьшить на 50 % уровень шума, на 50 % выбросы углекислого газа и на 80 % выбросы оксидов азота. Ожидается, что новые двигатели, которые войдут в эксплуатацию через 3...5 лет, будут потреблять топлива меньше на 10...15 %, а к 2020 г. - на 20 % по сравнению с существующими. Сначала они будут устанавливаться на серийных самолетах новых модификаций, а затем и на машины новой разработки.

Airbus и Boeing столкнулись с проблемой: какие двигатели выбрать для своих узкофюзеляжных самолетов следующего поколения - новые ТРДД или двигатели с открытым ротором. Руководство франко-американского объединения CFMI намечает принять решение в конце 2011 г., когда будет накоплено достаточно экспериментальных данных по открытым роторам (для справки: CFMI - совместное предприятие с равными долями, созданное компаниями SNECMA (Франция) и General Electric (США). Летом текущего года на рынок был поставлен двадцатитысячный двигатель CFMI. В России 20 ведущих авиакомпаний эксплуатируют двигатели объединения на самолетах Boeing 737 и машинах семейства А.320. Российские авиакомпании эксплуатируют и заказали для новых самолетов в общей сложности 640 двигателей, изготовленных CFMI).

В настоящее время двигатели CFM56 объединения ежегодно устанавливаются на 625 самолетах А.320 и Boeing 737. Ожидается, что новый двигатель объединения CFMI, разрабатываемый по программе Leap-X (Leading Edge Aviation Program), завершит цикл испытаний в варианте демонстратора в 2012 г. и будет подготовлен к сертификации и серийному производству в 2016 г. Запланировано улучшение топливной экономичности на 16 %, снижение уровня эмиссии NОх на 50...60 % по сравнению с показателями лучших современных ТРДД и обеспечение уровня шума на 10…15 дБ ниже действующих норм ICAO.

По компоновке Leap-X будет вполне традиционным двухконтурным турбореактивным двигателем, однако конструкция его узлов будет усовершенствована в целях снижения массы и оптимизации их совместной работы. Разрабатывается совершенно новый вентилятор с лопатками, изготовленными из композиционных волокон пространственного сплетения. Отлажена технология, позволяющая увеличить жесткость и прочность лопаток при одновременном уменьшении массы вентилятора.

В двигателе Leap-X будет использована усовершенствованная камера сгорания TAPS II от двигателя GE 90/GEnx, разработанного фирмой General Electric. Лопатки турбины Leap-X намечают изготовлять из композиционных материалов на основе керамической матрицы, которые имеют втрое меньшую плотность по сравнению с традиционно используемыми металлами. Массу двигателя Leap-X намечают существенно уменьшить (примерно на 80 кг) путем сокращения числа лопаток турбины первой ступени и увеличения степени повышения давления до значения 16:1 (у современных двигателей семейства CFMI это показатель составляет около 11:1). Другим техническим решением, берущим начало в программах по GE 90/GEnx и направленным на уменьшение массы конструкции, является применение блисков в компрессоре.

Заметим, что CFMI пока не форсирует программу Leap-X и предпочитает дождаться начала работ Airbus и Boeing по созданию 100-200-местного самолета следующего поколения. Считается, что указанные фирмы примут окончательное решение о целесообразности разработки новых узкофюзеляжных лайнеров не позднее 2012 г., что позволит к 2016 г. подготовить двигатель к сертификации. В противном случае программа по Leap-X будет приостановлена, и объединение CFMI перейдет к плану "Б". Суть его состоит в создании двигателя с незакапотированным (открытым) вентилятором и уже готовым газогенератором от Leap-X. Изучаются различные схемы, но наиболее перспективным считается двухступенчатый вариант со ступенями противоположного вращения. На первом этапе будут испытаны семь вариантов нового вентилятора (пять комплектов лопаток разработаны специалистами General Electric, а еще два - инженерами SNECMA). К проведению испытаний моделей вентиляторов в центре NASA им. Гленна приступили в первом квартале текущего года (одновременно в ЛИИ им. Громова с крыла летающей лаборатории Ил-76 был снят единственный отечественный двигатель НК-93 с винтовентилятором).

Как известно, фирма General Electric еще в 1980-х годах в рамках программы GE36 UDF создала опытный двигатель с открытым ротором и лопатками вентилятора, выполненными из композиционных материалов. Впоследствии двигатель был испытан в полете на самолетах Boeing 727 и MD-81. Фирма General Electric накопила определенный опыт, позволяющий оценивать уровень шума и характеристики двигателя с открытым ротором. Руководители фирмы утверждают, что новые лопатки вентилятора, изготовленные с использованием самых современных технологий, безусловно обеспечат эффективное снижение шумовой нагрузки и сокращение удельного расхода топлива. При высоких ценах на топливо компоновка с открытым ротором становится исключительно привлекательной.

Считая среднюю дальность полета современных узкофюзеляжных самолетов равной приблизительно 1500 км, специалисты CFMI определили, что применение открытого ротора будет способствовать улучшению топливной экономичности на 26 % по сравнению с ТРДД CFM56 и на 10 % по сравнению с Leap-X. Степень двухконтурности у двигателя с открытым ротором увеличится до 20:1, что на 20 % выше по сравнению с Leap-X. Намечается, что двигатель с открытым ротором будет готов к вводу в эксплуатацию примерно в 2025 г.

Интересно, что в разработке авиационного двигателя нового поколения Leap-X принимают участие российские ученые. Как сообщил президент и исполнительный директор CFMI Эрик Башале, исследования по программе Leap-X проходят в трех местах - в городах Виларош (Франция), Пиблз (США) и в ЦАГИ имени Н.Е. Жуковского. В подмосковном институте, в частности, проводятся продувки моделей двигателя в аэродинамических трубах. Полномасштабная модель Leap-X была представлена в экспозиции "CFM интернэшнл" на салоне МАКС-2009. "Мы не раскрываем стоимости наших перспективных программ, но могу сказать, что Leap-X потребует очень больших инвестиций, порядка многих сотен миллионов долларов", - заявил Башале.

Британский конкурент

Фирма Rolls-Royce в середине прошлого столетия первой создала реактивный двигатель для пассажирского самолета и в настоящее время входит в тройку крупнейших производителей авиадвигателей. Результаты проведенных маркетинговых исследований свидетельствуют о том, что в настоящее время не существует какого-то одного двигателя, который бы отвечал всем требованиям заказчика (малая стоимость обслуживания, высокая топливная эффективность, низкий уровень шума и малые выбросы загрязняющих атмосферу веществ). Поэтому стратегия фирмы заключается в объединении в определенном продукте соответствующих конструктивных решений, технологий изготовления и обслуживания с учетом конкретных запросов клиента. Такой подход на фирме называют "опцион 15-20". Цифры в названии подчеркивают уровни показателей эффективности: 15-процентное улучшение эффективности перспективных двигателей и 20-процентное улучшение эффективности на уровне всей системы "самолет-двигатель".

Для реализации "опциона 15-20" фирма Rolls-Royce осуществляет выбор технических решений и архитектуры двигателя, причем рассматриваются три основных варианта: двух- и трехвальные конфигурации ТРДД, а также двигатель с открытым ротором. Руководители фирмы с гордостью отмечают, что Rolls-Royce ежегодно затрачивает около $1,6 млрд на исследования и новые разработки. В рамках программы "опцион 15-20" для 150-местного самолета разрабатываются:

- трехвальный ТРДД RB285, в конструкции которого используется заимствованный от двигателя Trent каскад среднего давления;

- двухвальные двигатели RB700, V2500 и RB282, в конструкции которых будут использованы перспективные узлы и материалы, созданные для двигателей семейства Trent;

- двигатель с открытым ротором, применение которого обещает 30-процентную экономию топлива, но связано, по мнению фирмы, с большим техническим риском.

К 2014-2015 гг. планируется улучшить экономичность указанных двух- и трехвальных ТРДД на 15 % по сравнению с современными двигателями и снизить на 20 дБ уровень шума по сравнению с требованиями "Главы 4" ICAO. К 2016 г. фирма намечает добиться 20-процентной экономии топлива благодаря применению перспективных технических решений, разработанных в рамках программы Vision, и лучшей интеграции двигателя и планера. В рамках программы Vision, осуществляемой фирмой Rolls-Royce, проходит испытания двухвальный двигатель-демонстратор с общей степенью повышения давления 22:1 на девяти ступенях. Ориентировочно в 2018 г. предполагается достичь рубежей, предусмотренных "опционом 30" (30-процентное уменьшение расхода топлива), что предполагает создание двигателя с открытым ротором. По заданию Boeing в аэродинамической трубе RUAG Aerospace (Швейцария) отрабатывается сопряжение перспективных двигателей Rolls-Royce с открытым ротором с планерами узкофюзеляжных самолетов нового типа.

Высокий уровень шума остается самой большой проблемой двигателя с открытым ротором. Не следует забывать также о проблеме удержания лопаток и защиты фюзеляжа в случае разрушения вентилятора, что практически исключает возможность традиционного размещения двигателя под крылом. Выполненные специалистами фирмы Rolls-Royce исследования свидетельствуют о необходимости более тщательной отработки двигателя с открытым ротором и планера для того, чтобы защитить людей как внутри самолета, так и снаружи от шума двигателей.

Вариант Pratt&Whitney

Уже в течение 20 лет фирма Pratt&Whitney работает над созданием редукторного ТРДД. Создается целое семейство двигателей такого типа, получившее наименование PurePower, ранние модели которого предназначаются для применения на самолетах местных авиалиний. Более поздние варианты могут быть установлены и на широкофюзеляжных пассажирских самолетах. Двигатель этого семейства может применяться также на самолетах Вoeing 737 и А.320, если ввод в эксплуатацию принципиально новых самолетов вместимостью 150 пассажиров будет отложен до 2020 г.

В настоящее время полным ходом идут испытания редукторного ТРДД, предназначенного для оснащения 100-местного самолета. Благодаря наличию редуктора каждый из каскадов компрессора имеет собственную оптимальную частоту вращения, в результате чего топливная эффективность улучшается на 12 %. Меньшая частота вращения вентилятора способствует уменьшению шумового эффекта. В процессе наземных испытаний редуктор экспериментального двигателя отработал без нареканий уже более 40000 циклов. Этот факт, наряду с успешными летными испытаниями, внушает определенный оптимизм и свидетельствует о правильности выбора направления создания нового семейства двигателей.

Специалисты фирмы Pratt&Whitney уверены в том, что более эффективный способ создания тяги состоит в пропускании через двигатель большего расхода воздуха с меньшей скоростью. Вот почему диаметр авиадвигателей большой тяги постоянно возрастает. В двигателях с большим расходом воздуха и меньшей скоростью воздушного потока топливо расходуется более экономично; кроме того, уменьшается и шум двигателя. Чем больше диаметр вентилятора, тем медленнее он должен вращаться, но частота вращения турбины при этом должна оставаться высокой. Следовательно, чтобы турбина была способна осуществлять привод вентилятора, приходится увеличивать число ее ступеней, что неизбежно ведет к увеличению массы всего двигателя. Одним из способов решения противоречия является применение редуктора между валом вентилятора и валом турбины.

В 2008 г. Pratt&Whitney провела испытания в полете полномасштабного двигателя-демонстратора GTF. В испытаниях были задействованы самолет Boeing 747 5Р и летающая лаборатория А.340-600. Первый серийный образец GTF, получивший наименование PW1000G, намечают ввести в эксплуатацию в 2013 г. на региональном самолете MRJ фирмы Mitsubishi и на новом самолете "С-серии" канадской фирмы Bombardier. По сравнению с существующими двигателями ожидается снижение расхода топлива на 12…15 %, а также впечатляющее снижение шума - на 20 дБ по отношению к нормам "Главы-4" ICAO.

Специалисты Pratt&Whitney подчеркивают, что конкурентоспособный двигатель с открытым ротором, внедрение которого сулит более значительный выигрыш в экономичности, находится пока на этапе предэскизного проектирования и экспериментальных образцов, в то время по PW1000G уже ведется полномасштабная конструкторская проработка. Перспективный двигатель с редуктором намечают устанавливать на узкофюзеляжные самолеты, которые в начале следующего десятилетия придут на смену современным самолетам Airbus и Boeing, при этом ожидается уменьшение расхода топлива еще на 8…10 %, поэтому в целом выигрыш может составить около 20 %.

Без сомнения, двигатель GTF, отличающийся увеличенной степенью двухконтурности, будет иметь вентилятор большего размера, чем у существующих ТРДД. Однако руководство Pratt&Whitney подчеркивает, что это обстоятельство все же создает для компоновщиков самолетов меньше проблем, чем схема с открытым ротором. Для узкофюзеляжных самолетов "Эрбас" и "Боинг" габаритный диаметр двигателя с редуктором составит примерно 2,4 м, а диаметр двигателя с открытым ротором будет почти в два раза больше - 4,35…5,2 м.

Из-за большего размаха лопаток вентилятора с открытым ротором двигатель придется устанавливать на значительном расстоянии от крыла или фюзеляжа. В результате обостряются проблемы с компоновкой силовой установки на самолете с точки зрения аэродинамики. По словам вице-президента Pratt&Whitney, уровень шума двигателя с открытым ротором будет намного больше, чем у двигателей, вошедших в эксплуатацию еще в прошлом столетии, и, следовательно, при вводе такого двигателя в эксплуатацию в 2020 г. пойдут насмарку все работы по снижению шума, проведенные за последние 20 лет. Руководство Pratt&Whitney утверждает, что на следующем этапе исследований удельный расход топлива двигателя GTF будет доведен до уровня соответствующего показателя двигателя с открытым ротором, но при значительно меньших поперечных габаритах.

Российский "рояль в кустах"

Как известно, при разработке совместного франко-российского двигателя SaM 146 для самолета SSJ 100 не все прошло гладко (обсуждение проблем, возникших в ходе реализации этой программы, выходит за рамки настоящей статьи). Может быть поэтому руководство Объединенной авиастроительной корпорации при определении облика перспективного магистрального самолета МС-21 приняло, в общем, небесспорное решение об оснащении этой формально российской машины (как и в случае с SSJ 100 отечественным авиационным специалистам "доверено" создание в лучшем случае планера, а почти все оборудование, стоимость которого намного выше, нежели стоимость "скорлупы", будет импортным) двигателями PW1000G фирмы Pratt&Whitney или RB285 фирмы Rolls-Royce. В этих условиях альтернативная разработка отечественного двигателя ПД-14, презентация которого состоялась на минувшем МАКСе, не вызывает оптимизма (а ведь МС-21 позиционируется как машина, призванная придти на смену Ту-154М, которые летают в основном на внутрироссийских линиях!).

Во-первых, руководство ОАК заявило, что пермским двигателем ПД-14 могут оснащаться те МС-21, "заказчики которых выразят на то свое желание". Иными словами, если будут такие чудаки, то - пожалуйста! Во-вторых, по срокам создания ПД-14, безусловно, отстанет от зарубежных двигателей, ведь по словам главного конструктора ОАО "Авиадвигатель" Игоря Максимова, "в данный момент проект находится на стадии создания необходимого научно-технического задела и отработки ключевых технологий…" Как долго такой этап может продолжаться в нашей стране, можно судит по судьбе, к примеру, двигателя НК-93. Оптимисты из ОАО "Авиадвигатель" утверждают, что демонстрационный газогенератор будет готов в 2010 г. "Реализовать проект и вывести на российский и мировой рынок семейство двигателей класса тяги 9-18 тс планируется к 2015-2016 гг.", - заявил Максимов.

Двигатель ПД-14 выполнен по двухконтурной двухвальной схеме без смешения потоков внешнего и внутреннего контуров. Газогенератор будет иметь 8 ступеней компрессора высокого давления и двухступенчатую турбину. По оценкам разработчиков, перспективный отечественный ТРДД должен отличаться снижением удельного расхода топлива на 10…15 %, сокращением стоимости жизненного цикла на 15…20 %, уменьшенными уровнями шума и эмиссии. Но ни редуктора, ни открытого ротора в его конструкции не предусмотрено.

Сегодня много говорится об инновациях, о необходимости концентрирования усилий на передовых, самых многообещающих проектах. Складывается впечатление, что, как обычно, в этих словах скрыт какой-то другой, недоступный пониманию "обычного" человека смысл. Помните, как у Оруэлла: "Все звери равны, но некоторые более равны, чем другие…" Никто из грамотных двигателистов не решится утверждать, что двигатель НК-93 не является инновационным проектом. Да, то, что нам показывают на авиасалонах - всего лишь демонстратор, но в нем "закопан" реальный газогенератор от выпускающегося серийно двигателя НК-38, который входит в состав газоперекачивающего агрегата. Необходимо вложить еще немало сил, денег и времени для того, чтобы НК-93 стал серийным и сертифицированным образцом. Однако по критерию "перспективности" ему нет равных среди отечественных аналогов. И путь его на крыло нового самолета может быть намного короче, чем у проектов, начинающихся с "нуля".