АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ САМОЛЁТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова":
Александр Игоревич Ланшин, начальник отделения, д.т.н.
Владимир Анатольевич Палкин, помощник генерального директора
Владимир Николаевич Федякин, начальник сектора

 

Объем пассажирских авиаперевозок гражданской авиации России в период с 2001 по 2008 гг. вырос более чем в 2 раза. Объемы пассажирских авиаперевозок в ближайшие 3-5 лет могут превысить максимальный уровень 94,3 млн пасс, достигнутый в 1990 г. К 2020 г. количество перевезенных пассажиров, по прогнозам, может достигнуть 138 млн пасс, т. е. увеличиться почти в 3 раза.

Очевидно, что стареющий парк советских самолетов не в состоянии обеспечить требуемые провозные возможности, а отечественный авиапром с обеспечением рынка катастрофически не справляется. Это создало все предпосылки нарастающего темпа заполнения российского неба самолетами иностранного производства. Если в 2004 г. перевозки в стране выполняли 62 магистральных самолета иностранного производства, то в 2005 г. - уже 95 самолетов, в 2006 г. - 148, в 2007 г. - 203, в 2008 г. - 213. При этом 51 машина в парке - старше 20 лет, 86 имеют возраст 15-20 лет. Только 37 самолетов находятся в эксплуатации 5-10 лет. Средний возраст воздушных судов российского производства составляет 15 лет. К началу 2010 г. общая доля зарубежных воздушных судов в российском парке достигла примерно одной трети. В абсолютном исчислении количество "иномарок" в российском небе увеличилось до 377 самолетов. Зарубежные воздушные суда сегодня уже доминируют на дальних магистралях: здесь их количество к концу года превысило 70% (на начало 2009 г. - 58%). Еще большие изменения произошли в сегменте среднемагистральных перевозок: если год назад доля "иномарок" здесь была чуть меньше половины (49%), то к началу 2010 г. достигла уже двух третей (67%). Последнему обстоятельству способствовало как расширение импорта "Эрбасов" моделей А319, А320 и А321 и "Боингов" семейства 737, так и форсируемый вывод из эксплуатации отечественных Ту-154 и Ил-86 [4].

Преодолев экономический кризис, мировая авиационная промышленность продолжает устойчиво развиваться. Прогнозируется, что за 20 лет (2007-2026) только двигателей для самолетов гражданской авиации различного назначения будет поставлено около 132000 шт. на общую сумму ~$700 млрд, а для вертолетов в период с 2007 по 2016 гг. - около 27000 шт. на общую сумму ~$15 млрд [1, 2].

Почти половина поставок в количественном выражении придется на двигатели взлетной тягой R_о < 47 кН (~64000 шт. на общую сумму ~$93 млрд) для самолетов деловой авиации, корпоративных самолетов средней дальности полета и региональных самолетов с N_nac < 35 чел. При этом потребность рынка в двигателях тягой R_о < 27 кН составит ~42000 шт., а тягой R_о = 27...46 кН ~15000 шт.

Для пассажирских самолетов с числом пассажиров N_nac > 30 чел. наибольшим спросом будут пользоваться двигатели тягой R_о = 100...200 кН (~32000 шт. на общую сумму ~$210 млрд) и R_о = 46...100 кН (~16000 шт. на общую сумму ~$55 млрд).

Среди турбовальных двигателей наиболее востребованными будут газотурбинные двигатели (ГТД) взлетной мощностью N_eo = 600...1000 л.с. (~7800 шт. на общую сумму ~$2,4 млрд) и N_eo = 1600...2100 л.с. (~6400 шт. на общую сумму ~$3,95 млрд).

Авиадвигателестроительная промышленность является доходной отраслью экономики. Так, если по итогам 2006 г. годовая выручка от реализации авиационных двигателей различного назначения и газотурбинных установок (ГТУ) на их основе составила около $26 млрд, то прогноз на 2026 г. составит около $63 млрд [3].

Мировое авиадвигателестроение - динамично развивающаяся отрасль промышленности, в которой происходит постоянное повышение качества выпускаемой продукции (надежности, ресурса, экологических характеристик, экономичности, эксплуатационных характеристик).

К основным тенденциям развития мирового авиадвигателестроения относятся:

- завершение консолидации авиадвигателестроительной отрасли в США и Западной Европе, где создано четыре крупнейших производителя в области газотурбостроения - General Electric, Pratt & Whitney, Rolls Royce, Snecma, а также фирмы "второго эшелона" - MTU, Honeywell;

- создание ускоренными темпами отраслей газотурбостроения в Китае, Индии, Японии, Южной Корее путем организации масштабного лицензионного производства авиадвигателей и ГТУ, а в Китае и Индии в последние годы - созданием национального научно-исследовательского и опытно-конструкторского потенциала;

- развитие международной кооперации при создании новых авиационных двигателей, которая позволяет снизить уровень рисков, повысить уровень специализации при разработке и производстве деталей и узлов двигателя, снизить себестоимость с учетом, в частности, разного уровня оплаты труда в различных регионах мира, расширить рынки сбыта и обеспечить лоббирование продажи товара (двигателя) в разных регионах мира;

- применение современной методологии создания авиационных двигателей, базирующейся на опережающей отработке новых технических решений и технологий с подтверждением их эффективности при испытаниях узлов, экспериментальных газогенераторов и демонстрационных двигателей, которая позволяет сократить время разработки двигателя для конкретного самолета до 3-5 лет и для сертификации использовать не более 8-10 двигателей, при этом формирование научно-технических заделов за рубежом уже несколько десятилетий осуществляется в рамках государственных программ;

- создание семейств двигателей на основе базового газогенератора в широком диапазоне тяги (мощности) (изменение в 1,5…2 раза - CF6, GE90, GEnx, RB211, Trent, PW2000, PW4000, CFM56, V2500 и др.). Такой подход обеспечивает высокие показатели надежности и ресурса и позволяет быстро реагировать на конъюнктуру рынка при минимальных сроках и стоимости создания новых двигателей;

- устойчивое повышение доли гражданских авиационных двигателей в суммарном объеме реализации мирового авиадвигателестроения;

- регулярное ужесточение международных норм на допустимые авиационный шум и эмиссию вредных веществ самолетов гражданской авиации (ужесточение норм по шуму будет связано с расширением территории, прилегающей к аэропорту, в области эмиссии вредных веществ по предварительным данным Международной организации гражданской авиации (ИКАО) в 2016 и 2026 гг. выбросы NO_x должны быть снижены по отношению к нормам 2008 г. соответственно на 45% и 65%);

- повышение экономичности двигателей летательных аппаратов (ЛА) гражданского и военного назначения (в связи с повышением цены на авиационный керосин приблизительно в 5…6 раз). В настоящее время повышение экономичности является одним из главных требований к авиационным двигателям, в гражданской авиации до 2025 г. планируется снижение удельного расхода топлива на 15...20%, в военной авиации - на 15…30%);

- совершенствование методов технического обслуживания двигателей (за рубежом активно внедряются системы RCM (Reliability Centered Maintenance - обслуживание, сконцентрированное на надежности), которые базируются на математических моделях высокого уровня, описывающих характеристики надежности и прочности двигателя, динамические процессы износа и усталостной повреждаемости его деталей в реальных эксплуатационных условиях, на применении средств контроля и диагностики для оценки текущего технического состояния двигателя, а также логистическая поддержка восстановления работоспособности двигателя вне зависимости от временных и территориальных факторов эксплуатации);

- превращение ведущих компаний в многопрофильные структуры, объединяющие выпуск продукции различного назначения с послепродажным обслуживанием (авиационные двигатели гражданского и военного назначения, энергетические установки различного применения) и оказанием финансовых услуг (страхование, лизинг самолетов и двигателей, кредитование перспективных разработок и др.).

Для того чтобы в этих условиях остаться конкурентоспособным, зарубежные компании при активной поддержке государства, отвечающего за повышение технологического уровня ключевых отраслей промышленности, принимают участие в большом количестве программ по разработке перспективных технологий (рис. 1).

Как показывает практика, средняя продолжительность разработки новых технологий в авиадвигателестроении занимает 10-16 лет, а их освоение для применения в ЛА - еще 10-15 лет.

При этом следует отметить, что в большинстве программ доля бюджетного финансирования составляет ~50% стоимости работ, а программы военного и гражданского назначений, несмотря на различие в основных целях, имеют много общего.

Новые технологии, разработанные и разрабатываемые в рамках европейских программ ANTLE, CLEAN, VITAL, NEWAC, DREAM и JTI Clean Sky должны к 2020 г. обеспечить в двигателях для самолетов различного назначения снижение затрат топлива (а следовательно, и эмиссии СО₂) на 10…20%, шума - на 32…45 EPN дБ (по замерам в трех контрольных точках) и эмиссии оксидов азота NOx - на 50…75% по сравнению с двигателями 2000-х годов. В рамках этих программ создаются демонстрационные газогенераторы и двигатели, в том числе с использованием закапотированных и открытых винтовентиляторов (ТВВД), применением новых металлических и композиционных материалов. Реализуются сложные термодинамические циклы с регенерацией тепла и промежуточным охлаждением воздуха при сжатии.

Разработанные по программам перспективные технологии обеспечили возможность зарубежным компаниям создавать двигатели 5-го поколения. При этом следует отметить, что ни один базовый двигатель нового поколения не создавался без участия государства, которое финансировало дополняющие друг друга технологические программы военного и гражданского назначения. С помощью этих программ осуществлялось эффективное управление технологическим развитием авиадвигателестроения и обеспечивалась конкурентоспособность зарубежных компаний на мировом рынке.

Двухконтурные двигатели 5-го поколения для пассажирских самолетов (семейства GE90, Trent) стали вводиться в эксплуатацию со второй половины 1990-х гг. Внедрение нового поколения монокристаллических сплавов и высокоэффективных систем охлаждения позволило увеличить в них температуру газа на входе в рабочее колесо турбины Т*₄₁ до 1800...1850 К (Т*_кс = 1900...1950 К). При этом величина степени повышения давления π*_кΣ составила 35...45, а степень двухконтурности m достигла величины порядка 8...10, что обеспечило в турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) снижение уровня шума и достижение в условиях крейсерского полета Н = 11 км, М = 0,8 удельного расхода топлива С_Rкр на уровне 0,52...0,56 кг/(кгс·ч).

Основываясь на результатах проводимых в настоящее время работ, ведущие зарубежные авиадвигателестроительные компании приступают к созданию двигателей 6-го поколения, которые по своим показателям будут существенно превосходить ТРДД 5-го поколения, а применяемые в них технологии будут направлены не только на повышение параметров рабочего процесса и улучшение весовой эффективности конструкции, но и на снижение всех составляющих стоимости жизненного цикла двигателя. Характерные особенности гражданских двигателей 6-го поколения показаны на рис. 2 [5].

Основные требования к развитию самолетов гражданской авиации, содержащиеся в "Национальном плане США по развитию авиации до 2030-2035 гг." и "Программе стратегических исследований", проводимой Европейским советом по авиационно-космическим исследованиям (ACARE) представлены в таблице.

Важно отметить, что указанные в таблице величины снижения расхода топлива планируется достичь в результате комплексного улучшения характеристик планера, силовой установки (СУ) и оптимизации управления воздушным движением. В частности, в требованиях ACARE указано, что к 2020 г. для снижения расхода топлива самолета и, соответственно, эмиссии СО₂ на 50% необходимо одновременно улучшить аэродинамические и весовые характеристики самолета (доля ~ 20%), поднять экономичность двигателя (доля ~ 20%) и обеспечить совершенствование системы управления воздушным движением (доля ~ 10%).

К 2030-2035 гг. должны появиться самолеты следующего поколения с кардинально улучшенными летно-техническими характеристиками и значительно сниженными уровнями шума и эмиссии. По сравнению с лайнерами семейства Boeing 737 предполагается улучшить топливную эффективность самолетов в период до 2015 г. на 25%, к 2020 - 2025 гг. – на 40% и в период до 2030 - 2035 гг. - на 70%.

В условиях постоянного ужесточения требований к экологическим показателям ставится цель к 2020 - 2025 гг. уменьшить по сравнению с эксплуатируемыми двигателями уровни эмиссии СО₂ на 40...50%, NO_x на 75...80% по сравнению с требованиями САЕР2 и уровень шума в ~2 раза по сравнению с требованиями гл. 3 стандарта ИКАО.

Достижение указанных выше целевых показателей по уровням эмиссии и шума обеспечивается масштабными программами по созданию научно-технического задела для разработки экологически чистых двигателей, проводимыми в США и Европе с участием ведущих двигателестроительных компаний - General Electric и Pratt&Whitney (США), Rolls-Royce (Великобритания) и Snecma (Франция).

На рис. 3 показаны основные направления развития двигателей. Главными из них являются:

- повышение эффективности двигателя как "тепловой машины", характеризуемой эффективным коэффициентом полезного действия (КПД);

- совершенствования ГТД как "движителя", характеризуемого полетным КПД.

Для реализации поставленных целей в перспективных двигателях необходимо применять новые технические решения, конструкционные материалы, а также значительно увеличить степень повышения давления и температуру газа на входе в турбину.

В проводимых исследованиях и разработках с целью повышения эффективности двигателей как "тепловой машины" рассматриваются различные схемы двигателей с параметрами рабочего процесса на уровне Т*_Гмакс = 2100...2350 К, π*_кΣ = 50...100 и m_макc = 10...35, а также повышение эффективности элементов, узлов и систем двигателя.

В качестве перспективной схемы рассматривается "электрический" двигатель, который позволит заменить традиционные системы двигателя и самолета (в настоящее время оптимизируемые индивидуально) на более оптимизированные электрические системы при тесной интеграции двигателя и планера самолета.

Одним из важнейших путей повышения эффективности двигателей как "тепловой машины" является применение двигателей сложных схем. Например, рассматриваемые в рамках проекта NEWAC концепции ТРДД с высокой степенью двухконтурности на основе газогенераторов: с промежуточным охлаждением и регенерацией тепла (ТРДД_по+рег), с промежуточным охлаждением (ТРДД_по), с активным управлением (активным управлением запасом по помпажу, регулированием радиальных зазоров, охлаждением охлаждающего воздуха и др.), с активным управлением течением (применение MEMS-технологий).

Совершенствование ГТД как "движителя" связано с увеличением степени двухконтурности и возрождением схем двигателей, которые были проработаны в конце 1980-х - начале 1990-х гг. (рис. 4), но из-за технических проблем их дальнейшие разработки были прекращены. В частности, это относится к ТВВД с задним расположением незакапотированного биротативного винтовентилятора ("открытый" ротор).

Для обеспечения заданной тяги диаметр вентилятора будет иметь значение D_B ~ 4,3 м, что исключает компоновку самолета с подкрыльевым расположением СУ. Двигатель может иметь суммарную степень повышения давления π*_кΣ ~ 30 и степень двухконтурности m₀ ~ 35.

Основной недостаток этой схемы - шум винтовентилятора. При введении в действие гл. 5 стандарта ИКАО, в соответствии с которой уровень шума должен быть уменьшен на 10…12 дБ относительно требований гл. 4, разработка этого двигателя становится проблематичной, так как пока не найдены приемлемые технические решения, обеспечивающие уменьшение уровня шума до предполагаемой величины.

По данным проработок CFM International ТВВД может обеспечить уменьшение затрат топлива на ~26%, уровня шума относительно требований гл. 4 - на ~10 дБ и обеспечить запас по уровню эмиссии NO_x относительно САЕР6 в ~60%.

В качестве перспективных рассматриваются СУ с распределенной системой создания и управления вектором тяги, которые состоят из большого количества мини- или микродвигателей, расположенных вдоль крыла или внутри фюзеляжа и работающих на воздухе из пограничного слоя. Они будут иметь высокую степень интеграции и являться неотъемлемой частью планера ЛА. В силу малых размеров и широкого применения композиционных материалов мини- и микродвигатели будут обладать низкой массой и стоимостью. Воздухозаборник и сопло таких СУ будут иметь высокое относительное удлинение, в них будет осуществляться управление течением, а в их конструкции будут применяться композиционные материалы.

Литература

1. Market outlook 2007. Forecast 2007-2026. Sept., 2007. Rolls-Royce.
2. Rolls-Royce Helicopter Over-view and 10-year Forecast 2007-2016. Heli-Expo 2007, Orlando, Florida, March, 2007, Rolls-Royce.
3. Michaels K. Outlook for aeroengine manufactoring. 15th Annual International Aero-Engine Cost Management Conference. February 7, 2007, Ft. Lauderdale, FL, Aerostrategy Management Consulting.
4. "Иномарок" в российском небе становится еще больше // Взлет, 2010. №4. С. 10.
5. Simeon Austin. Priority setting for future NASA aeronautics // Aeronautics, Innovation and the Public Good Symposium, AC00269-1. June 28, 2004, Pratt & Whitney.