НК-93 - закапотированный биротативный винтовентилятор. Перспективы темы

Тема: НК-93 - закапотированный биротативный винтовентилятор. Перспективы темы

МОСКВА, 25 января. (АРМС-ТАСС). Специалисты по аэродинамике, акустике и прочности Центрального аэрогидродинамического института имени проф. Н.Е.Жуковского (ЦАГИ) завершили испытания модели открытого биротативного (соосного) винтовентилятора для перспективных двигателей магистральных самолетов. Проект винтовентилятора был разработан ФГУП "Центральный институт авиационного моторостроения" им. П.Е.Баранова (ЦИАМ). Модель для испытаний была изготовлена в ЦАГИ и испытана в аэродинамических трубах Т-104 и Т-107. Работы проводились по заказу Министерства промышленности и торговли РФ.


Как сообщили корр.АРМС-ТАСС в ЦАГИ, целью испытаний было исследование аэродинамических и акустических характеристик винтовентилятора на взлетно-посадочных и крейсерских режимах полета в диапазоне чисел М=0-0,8. Режимы работы винтовентилятора моделировались на различных скоростях полета и вращения лопастей, подобных натурным режимам, а также посредством изменения углов установки лопастей.


Новые разработки и исследования авиационных двигателей мощностью 10–20 тысяч кВт с биротативными винтовентиляторами позволят в перспективе создавать магистральные самолеты с большим снижением затрат топлива и шума на местности.

NASA и американский исследовательский центр UTRC начали продувочные испытания нового воздухозаборника и вентилятора для турбовентиляторных реактивных двигателей, которые рассчитаны на всасывание пограничного слоя. Согласно сообщению NASA, продувочные испытания проводятся в Исследовательском центре имени Гленна.

Пограничным воздушным слоем называют тонкий слой на поверхности летательного аппарата, характеризующийся сильным градиентом скорости от нуля до скорости потока вне пограничного слоя. Из-за этого градиента вентилятор обычного двигателя испытывает разные нагрузки на разных участках, что может очень привести к поломке.

Чтобы избежать всасывания пограничного слоя воздухозаборники современных двигателей стараются разместить дальше от крыла или фюзеляжа на специальном подвесе или сделав между воздухозаборником и фюзеляжем специальную щель. При этом вынесение воздухозаборника дальше от планера самолета увеличивает лобовое сопротивление летательного аппарата.

Новая конструкция воздухозаборника и вентилятора позволит устанавливать двигатели внутри фюзеляжей перспективных пассажирских самолетов, а также уменьшать размеры воздухозаборников. При этом сами воздухозаборники можно будет разместить ближе к фюзеляжу самолета.



По оценке NASA, уменьшение лобового сопротивления благодаря новым воздухозаборникам и вентиляторам позволит повысить топливную эффективность новых самолетов по меньшей мере на шесть-восемь процентов по сравнению с современными летательными аппаратами.

Во время первых испытаний разработчики проверили работоспособность всей конструкции в целом. В ближайшее время испытания будут продолжены. Разработчики намерены экспериментировать с разными скоростями воздушного потока и разными толщинами пограничного слоя. Затем планируется провести анализ данных.

Ранее сообщалось, что испытания вентилятора и воздухозаборника, оптимизированных для втягивания пограничного воздушного слоя, будут проводиться в аэродинамической трубе на имитированной скорости полета в 0,8 числа Маха (988 километров в час). На испытания планировалось направить вентилятор с усиленными лопатками, угол атаки которых составляет 17 градусов вместо обычных 27.

Турбовентиляторные двигатели с воздухозаборниками и вентиляторами, оптимизированными для всасывания пограничного слоя, NASA планирует использовать на разрабатываемом сегодня пассажирском самолете D8. Этот аппарат конструируется по схеме несущего фюзеляжа, в которой наибольший вклад в создание подъемной силы создает фюзеляж самолета, а не крыло.


Схема несущего фюзеляжа позволяет существенно снизить нагрузку на обычное крыло, причем последнее можно сделать существенно уже и тоньше, чем у обычных самолетов. В случае высокоскоростных летательных аппаратов схема несущего фюзеляжа и вовсе позволяет исключить крыло из конструкции.
В перспективном самолете D8, разрабатываемом NASA, планируется использовать три турбовинтовентиляторных двигателя с закапотированным винтовентилятором , на входе которых будет всасываться пограничный слой с верхней поверхности фюзеляжа. Двигатели планируется разместить в хвостовой части самолета.

В Евросоюзе в настоящее время действует многолетняя программа разработки новых технологий для гражданской авиации, которые в целом должны будут сделать пассажирские самолеты будущего экономичнее, экологичнее, тише и комфортнее. Этот проект называется Clean Sky 2. В рамках этого проекта французская компания Snecma, входящая в холдинг Safran, приступила к сборке первого опытного образца турбовинтовентиляторного двигателя с открытым ротором. Испытания силовой установки состоятся до конца 2016 года.

Новый опытный двигатель на время проверок установят на пассажирский лайнер Airbus 340 на специальном подвесе в хвостовой части фюзеляжа. Перед летными испытаниями перспективный двигатель проверят на тестовом стенде на полигоне во французском Истре. Параметры перспективной силовой установки разработчики сравнивают с распространенными CFM56. Ожидается, что выбросы углекислого газа двигателя с открытым ротором будут на 30 процентов меньше, чем у CFM56.

Для сборки опытного образца двигателя Snecma намерена использовать газогенератор турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой M88. Такими силовыми установками оснащаются французские истребители Dassault Rafale. С вала, раскручиваемого турбиной двигателя, через редуктор будет приводиться открытый винтовентилятор с роторами диаметром около 420 сантиметров. Лопатки вентилятора будут изменять угол атаки. Частота вращения винтовентилятора составит около 800 оборотов в минуту.

Для сравнения скорость вращения вентилятора двигателя CFM56 составляет 5200 оборотов в минуту в режиме полной мощности. Двигатель с открытым вентилятором, разрабатываемый Snecma, сможет развивать тягу в 111 килоньютонов (11,3 тысячи килограммов-силы). Идея французского двигателя базируется на американском GE36, разработка которого велась в 1980-х годах, однако из-за несовершенства материалов была закрыта. В частности, общей чертой для двигателей с открытым ротором является изогнутая форма лопаток.

Однако осталась ещё одна область применения. РД с тягой 2-4 тонны удручающе не экономичны.
А в России представлены только военным АИ-222-25. Естественно заменить СУ турбопопов с тягой 3-4 тонны просто не в состоянии. Когда то был даже проект Ан-24 со сдвоенными АИ-25 так заменить АИ-24 с АВ-72 надо было не менее 3 тонн тяги.

Поэтому необходим двигатель способный не только обеспечить избыток тяги, но и экономичность не хуже чем у турбопропов.

Достичь этого можно только создав закапотированный биротативный винтовентилятор тягой 3-4 тонны, где газагенератором можно ГГ АИ-222-25 или перспективного СМ-100.

АО «НПЦ газотурбостроения "Салют"» в инициативном порядке разрабатывает перспективный двигатель нового поколения СМ-100 для учебно-боевого самолета Як-130, сообщил ТРК «Звезда» управляющий директор АО «НПЦ газотурбостроения "Салют"» Виталий Клочков на военно-техническом форуме «Армия-2016».


Армия РФ получит 30 учебно-боевых самолетов Як-130
По словам Клочкова, новый двигатель будет иметь значительно улучшенные характеристики и будет соответствовать не только современным, но и перспективным требованиям.

«Проработка конструктивной схемы двигателя обеспечила увеличение тяги в полетных условиях с 1400 до 1800 килограмм-сил, что более чем на 22% превышает тягу двигателя АИ-222-25», – сказал Клочков.



По словам Клочкова, экономичность двигателя не изменится, по расчетам ее удается сохранить на уровне двигателя АИ-222-25.

Он также отметил, что производство АИ-222-25, который в данный момент используется на Як-130, полностью локализовано на российском предприятии.

Вот и славно. А вот холодная часть это очевидно масштабированный НК-93.

«Руководитель крупнейшего самарского предприятия авиационного и космического двигателестроения рассказал главе региона о текущей работе, темпах выполнении государственного оборонного заказа и перспективах развития производства. В планах ОАО «Кузнецов» на ближайшие годы – увеличение производственных мощностей, возобновление работы над двигателем НК-32 (с 2016 года), продолжение работы по НК-33 – как по линии многолетних американских партнеров, так и по линии отечественных заказчиков. Также среди стоящих перед ОАО «Кузнецов» задач – усиление конструкторского потенциала, увеличение нагрузки на стендовый испытательный комплекс, проектирование и строительство нового здания конструкторского бюро», - говорится в сообщении.

Кроме того, предприятие будет привлечено к дополнительным проектам, связанным с задачами обеспечения стратегической авиации новыми разработками. Параллельно ОАО «Кузнецов» будет вести работу по реализации совместных проектов с Газпромом и РЖД.

«Сейчас предпринимаются серьезные, исторические по своему значению шаги для развития предприятия, повышения его конкурентоспособности. Впервые за долгие годы создается новое производство. Таким образом, закладываются основы для успешной работы предприятия в течение следующих десятилетий. В ближайшие 3-4 года перед ОАО «Кузнецов»стоят важнейшие научно-производственные, организационные, кадровые задачи. Их решение позволит заводу стать лицом двигателестроительной отрасли нашего региона и всей России», - сказал Николай Меркушкин.

«Перед коллективом нашего предприятия сейчас стоят действительно масштабные задачи. В течение ближайших лет мы должны освоить уникальные производства. Кроме того, существует задача по выпуску двигателей НК-32, начиная с 2016 года. Также сегодня анализируется возможность восстановления уникального двигателя «кузнецовской» школы – НК-93. Таким образом, перед нами стоят архиважные и интересные задачи, требующие концентрации всех сил, изменения отношения к работе», - сообщил Николай Якушин.

Вот и вариант продолжения исследований по НК-93 Двигатель, в инициативном порядке, по кооперации с Салютом, наверняка будет поддержан Минпродторгом, так как позволит создать ПЕРСПЕКТИВНУЮ СУ например для Ил-112\114, перспективных VIC50X и новых региональных ЛА на замену устаревших турбопропов. Пи этом будет не только продолжено исследование в этой области, но и получен практический результат по эксплуатации.

Уменьшение масс положительно скажется на ресурсах редукторов, да и вариант с однорядным винтовентилятором тоже возможен.

https://topwar.ru/uploads/posts/.../thumbs/1373516738_stipa-caproni_piani.jpg
Stipa-Caproni является экспериментальным итальянским самолетом, разработанным в 1932 году Луиджи Стипа (Luigi Stipa) и построенный фирмой Капрони (Caproni). В качестве основного материала для конструкции использовалась древесина. Stipa-Caproni имел длину 19 футов 4 дюйма (5,88 метров), однако данный самолет от других отличался как размером, так и формой.
https://topwar.ru/uploads/posts/2013-07/1373516963_stipa-5.jpg
https://topwar.ru/uploads/posts/2013-07/1373516910_stipa-4.jpg
Фюзеляж имел бочкообразную форму. Оба винта и двигатель (De Havilland Gipsy III 120bhp) размещался внутри фюзеляжа. Основной принцип идеи Стипа заключался в установке воздушного винта и двигателя внутри фюзеляжа. Таким образом, винт использовался в качестве вентилятора находящегося в кольцевом обтекателе. Луиджи Стипа назвал данное направление в дизайне летательных аппаратов «интубированым пропеллером». Для того времени это был один из самых радикальных способов повысить эффективность двигателей самолетов. Хотя Stipa-Caproni был построен в единственном экземпляре (итальянские военно-воздушные силы небыли заинтересованы в дальнейшем развитии, машина строилась в качестве демонстрации возможностей итальянских авиаконструкторов и промышленности), революционные идеи Стипы в дальнейшем использовались при разработке двигателей самолетов и изучались многими учеными.
http://vpk.name/news/... amoletov.html
http://www.liicom.ru/powerplant.phtml
В настоящее время в ЛИИ разрабатывается комплексная технология летных испытаний турбовинтиляторных двигателей нового типа с закапотированным винтовентилятором на летающей лаборатории бех использованиявысотных стендов и аэродинамичсеких труб.
Разрабатываемая технология обеспечивает автоматизацию управления экспериментом в полете и получение всех характеристик двигателя при сокращении сроков и стоимости испытаний в 2...2,5 раза.
В институте ведется разработка технологий, средств контроля и диагностики предотказного состояния двигателей с использованием бесконтактных способов и электрофизических параметров (лазер, токи выноса, содержание металла в масле).
http://www.airwar.ru/image/i/engines/nk93-1.jpg
http://argumenti.ru/society/n436/336833
Одной из основных задач при разработке авиационных двигателей, в конструкции которых применены биротативные винтовентиляторы, составленные из двух противоположно вращающихся относительно оси винтовентилятора рабочих колес, является достижение удовлетворительных акустических характеристик таких винтовентиляторов при одновременном обеспечении требуемых аэродинамических и прочностных характеристик. Создаваемый биротативным винтовентилятором шум, уровень которого необходимо снижать до требуемых международных норм, есть следствие аэродинамического взаимодействия полей течений, образуемых вращающимися в противоположных направлениях лопатками рабочих колес, а также взаимодействия концевых вихрей от лопаток первого колеса с лопатками второго колеса и взаимодействия концевых вихрей от лопаток обоих колес за вторым рабочим колесом. Вследствие двух последних обстоятельств периферийные участки лопаток вносят более значительный вклад в создаваемый винтовентилятором шум.

При проектировании лопатки рабочего колеса винтовентилятора необходимо разработать ее геометрию, которая должна обеспечивать на выходе из лопатки требуемые распределения вдоль высоты лопатки степеней повышения полного давления, расходов воздуха и эффективностей происходящих в межлопаточных каналах процессов. Непосредственно форма лопатки определяется найденными при проектировании распределениями по высоте лопатки требуемых углов входа и углов выхода для ее срединной скелетной поверхности нулевой толщины и, следовательно, распределениями углов изгиба этой скелетной поверхности, которые определяются как разность между углами входа и углами выхода. Затем скелетная поверхность «одевается» необходимыми телесными аэродинамическими профилями с изменяющейся по высоте лопатки формой.

http://www.ciam.ru/upload/resize_cache/.../dde6936bfed3b6dd6b4c06a773a828b9.jpg
В период 2011–2015 гг. в ЦИАМ проводились комплексные исследования, направленные на определение возможных схем СУ самолетов гражданской авиации с началом эксплуатации в 2025–2030 гг. Турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД) с безредукторным или редукторным приводом биротативного винтовентилятора («открытый ротор») дает определенные преимущества при использовании на перспективных региональных самолетах. ТВВД привлекает своей высокой топливной экономичностью, но обладает повышенным уровнем шума по сравнению с традиционным ТРДД. Одним из путей решения этой проблемы является проектирование толкающего биротативного винтовентилятора с разными диаметрами переднего и заднего винтов. В ЦИАМ был разработан винтовентилятор COMBY, который в условиях крейсерского полета обеспечил КПД 0,85 и позволил увеличить тягу на взлетном режиме на 13% относительно исходного варианта без повышения уровня шума. Модель ТВВД с открытым толкающим биротативным вентилятором представлена на стенде ЦИАМ.
http://www.redstar.ru/media/k2/.../cache/4c21c9c32097cb008cad55005c1c6f99_M.jpg
Специалисты по аэродинамике, акустике и прочности ЦАГИ завершили испытания модели открытого биротативного (соосного) винтовентилятора для перспективных двигателей магистральных самолётов. Его проект был разработан ФГУП «ЦИАМ» им. П.Е. Баранова. Модель для испытаний была изготовлена в ЦАГИ и испытана в аэродинамических трубах Т-104 и Т-107. Работы проводились по заказу Министерства промышленности и торговли РФ.

Целью испытаний было исследование аэродинамических и акустических характеристик винтовентилятора на взлётно-посадочных и крейсерских режимах полёта при числах Маха 0…0.8. Режимы работы винтовентилятора моделировались на различных скоростях полёта и вращения лопастей, подобных натурным режимам, а также посредством изменения углов установки лопастей.

На вопросы «АвиаПорта» в канун выставки «Двигатели-2010» ответил генеральный директор ЦИАМ Владимир Скибин.

- Что сегодня происходит с двигателями Д-27 и НК-93?

- Лет семь назад мы очень внимательно разбирались с двигателем НК-93. Хорошо изучили его, знаем все его недостатки и выходили с предложениями о модернизации этого двигателя. Мы проводили испытания газогенератора на стенде в Тураево, но завершить их в необходимом объеме, к сожалению, не удалось. Схемные решения весьма интересны (очень высокая степень двухконтурности, низконапорный биротативный винтовентилятор с редукторным приводом). Подобными работами занимались в свое время и зарубежные фирмы, но бросили их, не справившись с шумом.

Мы настаивали на том, чтобы провести летные испытания НК-93. Есть интересные вещи, которые можно использовать в дальнейшем. Целесообразно завершить испытания этого двигателя в качестве демонстратора, но это очень большая работа. Нужен заказчик, нужен интерес со стороны самолетостроителей.

Для такого типа двигателей очень важна интеграция с конкретным самолетом. Здесь ошибаться нельзя. Можно сделать замечательный двигатель, но при постановке его на самолет эффекта не получить из-за большого лобового сопротивления, волновых потерь, большого веса силовой установки.

Д-27 - замечательный двигатель, очень близкий к двигателю пятого поколения, ажурной изящной конструкции. Он во многом доведен, его нужно только немного доработать. Мы знаем, как это сделать, но вопрос остается тем же: для какого самолета нужен этот двигатель и кто будет платить деньги.

- В обоих случаях основным вопросом остается снижение шума?

- Шум в данном случае - это интегральная оценка совершенства двигателя. Чем лучше аэродинамика - тем меньше шум. Мы посмотрели в свое время Ан-70 и показали возможность «вписать» самолет в третью главу ICAO, даже с запасом в 5 дБ. Второй ряд винта работает в плохих аэродинамических условиях, но расчеты показывают возможность существенного их улучшения. На А400, например, однорядный винт, потому что проще обеспечить аэродинамику. И в целом на западе серийных самолетов с соосными винтами сегодня нет. Здесь нужно работать.

- По двигателю с открытым ротором основной проблемой, если не считать интеграцию такого мотора с самолетом, тоже будет шум?

- Конечно! Плюс исключение возможности обрыва лопасти винта. Исследования еще впереди.

В 1976 году компания Hamilton Standard представила винтовентилятор: новый движитель, отличающийся большим числом широкохордных лопастей. Благодаря использованию композитных материалов достигалась высокая массовая эффективность, долговечность и надежность, а применение новых аэродинамических профилей обеспечивало высокий КПД в широком диапазоне скоростей. Вскоре под эгидой НАСА была развернута широкомасштабная исследовательская работа, в ходе которой разработчики представили свое видение двигателей нового поколения, а во второй половине 1980-х годов были проведены летные испытания винтовентиляторных двигателей различных схем.


Так фирма Allison испытала двигатель с выходной мощностью 6000 л.с. и винтовентилятором диаметром 2,75 м. Были проведены оценки на высотах полета от 1500 до 12 000 м, и на скоростях до М=0,85, в одном из полетов достигнута скорость М=0,89. Были оценены прочностные характеристики, а также уровень шума. В целом разработчиком получены весьма обнадеживающие результаты: удельный расход топлива винтовентиляторного двигателя был на 17% ниже, чем у равнозначного по тяге ТРДД. По мнению специалистов, при применении винтовентиляторного двигателя на самолетах типа DC-9 или Boeing 727 абсолютная экономия топлива могла составить до 50%.


Также компания Allison в сотрудничестве с Pratt & Whitney создала более мощный демонстрационный двигатель - его мощность достигла 10 400 л.с., планетарного редуктора - 13 000 л. с., диаметр двух заднерасположенных шестилопастных винтовентиляторов противоположного вращения 3,54 м. Планировалось, что на базе газогенератора турбовального двигателя может быть создано целое семейство моторов с мощностью 9 000 - 16 000 л.с.


Компания General Electric также создала экспериментальный двигатель GE36, который прошел облет на MD-90 и Boeing 727. В ходе испытаний была достигнута скорость М=0,84 и высота 11 000 м. При этом на крейсерском режиме (высота 10 500 м и скорость М=0,72) расход топлива относительно штатного двигателя JT8D-17R был снижен на 47%. Особенностью GE36 является отсутствие редуктора в приводе двухрядного восьмилопастного винтовентилятора.


Не отставали от заокеанских конкурентов моторостроители Великобритании. Компания Rolls-Royce запустила работы по двум проектам двигателей с приводимыми через редуктор винтовентиляторами противоположного вращения: RB.509-11 с задним расположением винтовентиляторов и RB.509-14 - с передним расположением.

Ведущим предприятием в области разработки воздушных винтов было Ступинское ОКБ винтостроения (ныне НПП "Аэросила"), которое уже в начале 1980-х годов имело приличный задел по многим аспектам создания винтовентиляторов. После создания воздушных винтов традиционной конструкции АВ-24Ан с регулятором Р-24Ан для самолета Ан-28 и АВ-17 с регулятором Р-17 для самолета Ан-3, предприятие начало поисковые работы, в результате которых появились прообраз винтовентилятора СВ-24 с металлическими лопастями, а также винт АВ-81 с композитными лопастями. Первый был испытан на самолете Ан-24 и показал перспективу работ в этом направлении, второй, рассчитанный на мощность 360 л.с., должен был найти применение на легких спортивно-пилотажных самолетах ОКБ Яковлева. Имея такие стартовые позиции, ОКБ винтостроения выступило с инициативой создания винтовентиляторов для перспективных транспортных и пассажирских самолетов, и на заседании Научно-технического совета Минавиапрома СССР в июле 1983 года, по сути, винтовентиляторной программе был дан "зеленый свет", а это направление получило приоритет в авиаотрасли. Вскоре был создан координационный отраслевой совет, который вел работу по 85 отдельным программам в различных отраслевых НИИ и КБ.


Первенцем в этой программе стал двигатель Д-236Т, разработанный по первоначальным требованиям к транспортному самолету Ан-70. Двигательная установка мощностью 10 000 л.с. была создана на базе газогенератора двигателя Д-36, ступинское предприятие разработало винтовентилятор СВ-36 и его регулятор РСВ-36. Был проведен комплекс наземных стендовых и летных испытаний на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ с участием отраслевых институтов ЦАГИ, ЦИАМ и ВИАМ, были отработаны основные направления концепции двигательной установки. К 1988 году намеченная исследовательская программа испытаний была выполнена, а работа была завершена на стадии создания демонстратора. Полученные результаты позволили перейти к проектированию нового двигателя мощностью 14 000 л.с., получившего название Д-27, и винтовентилятора СВ-27.


Транспортный самолет Ан-70 должен был обладать уникальным набором характеристик, среди которых обеспечение короткого взлета и посадки, достаточно высокая крейсерская скорость, большая дальность полета и полезная нагрузка. В результате анализа различных схем силовых установок была выбрана трехвальная схема двигателя с двухрядным винтовентилятором. Передний винтовентилятор имеет восемь лопастей, поглощающих максимум мощности и создающих максимальную тягу. Задний винтовентилятор имеет шесть лопастей. По сравнению с винтом СВ-36, у винтовентилятора СВ-27 лопасти выполнены из прогрессивных композиционных материалов, имеют значительно меньшую относительную толщину профиля и резко выраженную саблевидную кривизну направляющей кромки, которая имеет электрическую противообледенительную полоску и неистираемое покрытие. Винтовентилятор обеспечивает высокий КПД на высокоскоростном крейсерском режиме (0,9 при М=0,7), отличные взлетные характеристики за счет обдува крыла и большую тягу в режиме реверса, сокращающую пробег на посадке. Отдельно следует отметить существенное улучшение акустических характеристик в сравнении с традиционными винтовыми установками. Но главное - было достигнуто примерно 30% снижение расхода топлива в сравнении с ТРДД аналогичной размерности.


Казалось бы, что винтовентилятор имеет прекрасное будущее. Однако высокие цены на нефть продержались не так долго, чтобы дать двигателестроителям необходимый запас времени на создание серийных образцов. Кроме того, был достигнут прогресс в части создания высокоэкономичных ТРДД, которым удалось сохранить свои позиции.

В результате многолетних работ в рамках отраслевой целевой комплексной программы была создана методология проектирования принципиально новых многолопастных флюгерно-реверсивных винтовентиляторов и воздушных винтов с композитными лопастями для самолетов нового поколения, развита испытательная и производственная база задействованных в ней предприятий. Была успешно решена самая сложная на тот момент задача: создана легкая и надежная лопасть из полимерных композиционных материалов. Однако оставался целый набор проблем, связанных с высоким уровнем шума: полученные образцы позволяли с запасом удовлетворить требованиям III главы ИКАО, в то время как было необходимо заглядывать в будущее и готовиться к введению требований по IV главе.


В это время "Аэросила" спроектировала новое поколение воздушных винтов, среди которых СВ-34 и АВ-140 для самолетов местных воздушных линий Ил-114 и Ан-140, уже названный СВ-27 для Ан-70 и винтовентилятор СВ-92, установленный на двигателе НК-93. Об НК-93 стоит рассказать подробнее.


Во второй половине 1980-х годов ОКБ им. С.В. Ильюшина приступило к проработке технического облика перспективного тяжелого транспортного самолета Ил-106 грузоподъемностью 80 тонн. Новый грузовик должен был иметь крейсерскую скорость 820-850 км/ч и дальность полета 5000 км. Эскизный проект самолета был завершен в начале 1990-х, однако именно в этот период Советский Союз прекратил свое существование, а вслед за ним ушли в небытие многие перспективные работы. Самолет проектировался под четыре двигателя НК-92 (позднее - НК-93) тягой по 18000 кгс со степенью двухконтурности 16,7.


В 1988 году начались работы по газогенератору, а спустя год он был испытан. Одноступенчатая турбина высокого давления приводила восьмиступенчатый компрессор высокого давления, одноступенчатая турбина среднего давления - семиступенчатый компрессор низкого давления, а трехступенчатая свободная турбина передает мощность на редуктор. Суммарная степень повышения давления в компрессоре достигала 37. Конструкция двигателя была весьма передовой на тот момент, однако многие технические решения уже были отработаны на опытных проектах, созданных КБ Кузнецова в 1980-х годах. Среди них высокотемпературная камера сгорания и турбина высокого давления, и, конечно, не имеющий аналогов в мире двухрядный винтовентилятор с поворотными лопастями, приводимый во вращение с помощью дифференциального планетарного редуктора. Количество лопастей на первой ступени - восемь, на второй - десять. Угол установки саблевидных лопастей первой и второй ступеней вентилятора может изменяться в диапазоне 110 град. Форма лопастей в совокупности с шумопоглощающими покрытиями обечайки вентилятора обеспечивали двигателю соответствие требованиям нормам главы III ИКАО. На крейсерском режиме при М=0,75 и высоте полета 11 000 м удельный расход топлива двигателя по расчетам должен был составлять около 0,49 кг/кгс·ч, а расход воздуха - 1000 кг/с. Интересной особенностью двигателя являлось отсутствие реверсивного устройства - обратная тяга достигалась поворотом лопастей винтовентилятора.


НК-93 должен был стать базовой конструкцией для семейства двигателей со взлетной тягой 78...226 кН (8...23 тыс. л.с.), однако этим планам не было суждено сбыться: в отечественном авиапроме не нашлось и нет до сих пор самолета, на который можно установить тяжелый и габаритный двигатель, а призывы не бросать перспективную разработку, звучавшие от научного и технического сообщества, были проигнорированы. Было изготовлено 10 экземпляров, проведены испытания газогенератора двигателя НК-93 в термобарокамере ЦИАМ, испытания на наземном открытом стенде. Более того, 3 мая 2007 года был выполнен полет на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ... после этого проект был фактически похоронен руководством "Объединенной двигателестроительной корпорации". Прагматичный подход победил здравый смысл. Вот что считает генеральный директор Центрального института авиационного моторостроения Владимир Скибин: "Лет семь назад мы очень внимательно разбирались с двигателем НК-93... Схемные решения весьма интересны: очень высокая степень двухконтурности, низконапорный биротативный винтовентилятор с редукторным приводом. Подобными работами занимались в свое время и зарубежные фирмы, но бросили их, не справившись с шумом. Мы настаивали на том, чтобы провести летные испытания НК-93. Есть интересные вещи, которые можно использовать в дальнейшем. Целесообразно завершить испытания этого двигателя в качестве демонстратора, но это очень большая работа. Нужен заказчик, нужен интерес со стороны самолетостроителей". Продолжает заместитель генерального директора ОАО "НПП "Аэросила", главный конструктор по воздушными винтам и винтовым преобразователям Михаил Шатланов: "Пройден определенный этап моторностендовых испытаний и самый начальный и незначительный этап испытаний на летающей лаборатории Ил-76. Считаю, что после столь продолжительного и затратного пути по данному уникальному двигателю, научно-исследовательские работы не должны обрываться. Когда не получены окончательные результаты, позволяющие сделать уверенные выводы по всем аспектам технических проблем и определить облик образца для дальнейшей ОКР, понесенные затраты средств и времени оказываются просто напрасными".

Несмотря на то, что в 1990-х годах российские и украинские самолетостроители предложили еще пару проектов пассажирских самолетов, рассчитанных на установку винтовентиляторных двигателей, почти на десятилетие интерес к этой теме угас. На региональных линиях турбореактивные машины стали вытеснять своих винтовых собратьев даже в размерности 50 кресел, в новом столетии серийно выпускались только три типа турбовинтовых самолетов вместимостью 50-70 кресел. Однако очередной скачок цен на нефтепродукты возвратил двигателестроителей к вопросу о применении винтовентиляторов. Учитывая, что отечественные исследователи и разработчики, прежде всего ЦИАМ, ЦАГИ и НПП "Аэросила", не утратили научный и кадровый потенциал, целесообразно провести ревизию существующих проектов отечественного авиапрома на предмет возможности использования в них имеющихся наработок. Параллельно следует, с учетом новых возможностей в части расчетов, моделирования и проектирования, а также с применением наработок в области материалов, создать новые образцы винтовентиляторов.


По словам М.Шатланова, "сегодня стало ясно, что дальнейшее развитие мирового авиастроения немыслимо без повышения топливной эффективности двигательных установок и последние несколько лет основные двигателестроительные фирмы Европы и Америки, опираясь на прежние исследования и новые возможности расчетных методов, возобновили интенсивную работу по турбовинтовым и турбовинтовентиляторным двигательным установкам. Сегодня ведутся работы и в наших НИИ - ЦИАМ и ЦАГИ, - где первостепенное внимание уделяется разработке самых совершенных расчетных методов проектирования винтовентиляторов по аэродинамике и акустике".


Увы, работы ЦИАМ сегодня больше востребованы иностранными разработчиками. Как известно, ведущий научно-исследовательский институт участвует в общеевропейской программе VITAL, предусматривающей создание "чистого и тихого" двигателя. 53 компании и организации, включая авиадвигателестроительные фирмы, научно-исследовательские центры и университеты, поставили перед собой амбициозные задачи: снизить уровень эмиссии СО2 на 7%, массу - на 25%, уровня шума на взлете - на 6 EPNдБ. ЦИАМ ведет разработку биротативного вентилятора, высоконапорных подпорных ступеней и их корпуса совместно с компанией Techspace Aero, а также разрабатывает турбину низкого давления с противовращением совместно с компанией MTU Aero Engines. В то же время о намерении создать сопоставимый по уровню технического совершенства двигатель отечественные разработчики пока не заявляют.


Между тем, есть несколько направлений в самолетостроении, где уверенные позиции российских и украинских производителей необходимо поддержать совершенными двигателями и движителями. В первую очередь это военно-транспортные самолеты широкого диапазона взлетных весов. В текущем десятилетии фактически завершится эксплуатация легких машин Ан-26 и средних Ан-12. На смену первым, согласно Госпрограмме вооружений, должен прийти Ил-112В, в интересах создания которого в настоящее время идут работы над двигателем ТВ7-117, а также воздушным винтом: "Аэросила" в настоящее время осуществляет усталостные испытания композитных лопастей на динамических стендах и завершает работы по изготовлению опытных образцов воздушных винтов АВ-112 и гидромеханических регуляторов для лабораторных испытаний.


http://www.ato.ru/files/styles/r-inpage-super/public/Vintoventilyator_T-107_ed.JPG
В ЦАГИ успешно завершен второй этап испытаний в аэродинамических трубах биротативного винтовентилятора (открытого ротора) для авиационных двигателей нового поколения. Данные испытания проводятся в рамках проекта DREAM 7-й Европейской рамочной программы, а разработчиком биротативного вентиляторя является французская компания Snecma. Кроме ЦАГИ в разработке нового вентилятора принимает участие и Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова (ЦИАМ).

Целью проведенных испытаний стало измерение аэродинамических, тяговых, прочностных и акустических характеристик модели открытого ротора. Как известно, в биротативной модели применяются два вентилятора, вращающиеся в противоположные стороны, что позволяет повысить эффективность двигателя и снизить уровень шума. Это достигается, в частности, за счет использования специально рассчитанных профилей лопаток, а также снижения скорости вращения вентиляторов. Поэтому в ходе нынешних испытаний особое внимание уделялось поиску рациональной аэродинамической формы винтовентилятора, которая могла бы обеспечить снижение шума при сохранении высоких тягово-экономических характеристик двигателя.

"Сейчас мы провели тестирование различных способов измерения шума винтов для повышения качества, достоверности и информативности акустических испытаний. Это очень важно — научиться измерять шум моделей двигателя во время их испытаний в аэродинамических трубах на этапах предварительных исследований, не дожидаясь финальных летных испытаний реальных изделий", –– заявил начальник отделения аэродинамики силовых установок ЦАГИ Александр Чевагин.

Данная методика, к примеру, позволила оценить влияние на шум открытого ротора внешних возмущений и вихрей, генерируемых элементами планера. В результате испытаний определено, что взаимодействие этих вихрей с вращающимися лопатками открытого ротора является заметным источником дополнительного шума на местности. Успешно апробирована новейшая технология снижения этого шума, которая может быть использована в дальнейшем для самолетов нового поколения. Не случайно, что в испытаниях приняли участие и специалисты европейского авиапроизводителя Airbus.

В Европе готовятся к демонстрационным испытаниям крыльев ламинарного профиля, способных снизить аэродинамическое сопротивление самолетов, а также экономичных открытых винтовентиляторных двигателей. Цель этих и других европейских аэрокосмических исследований – доведение соответствующих технологий до уровня, позволяющего начать полномасштабные опытно-конструкторские работы. Однако с учетом все возрастающего нежелания авиапроизводителей брать на себя проектные риски вопрос заключается в том, какие из этих технологий в конечном итоге будут использованы в авиации и когда это может произойти.

По словам Райнера фон Вреде, главы подразделения Airbus по экологическим исследованиям и технологиям, крупнейший европейский авиапроизводитель убежден, что наибольшего прироста эффективности самолетов будущего можно добиться за счет особенностей расположения силовой установки, использования ламинарных профилей и повышения уровня электрификации летательного аппарата. Однако, по его словам, в том, что касается радикально новых подходов к конструкции самолетов, наиболее перспективным в отношении уменьшения веса и улучшения аэродинамики является удачный выбор конструкционных материалов.

Но есть несколько факторов, тормозящих внедрение новых идей на практике. Один из них – растущее нежелание производителей экспериментировать с революционно новыми формами. Слишком свежи в их памяти болезненные задержки в ходе нескольких недавних программ разработки прорывных самолетов. Сегодня, по словам фон Вреде, самого по себе достижения так называемого шестого уровня зрелости технологии (Technology Readiness Level 6), на котором предполагается демонстрация ее функционирования в эксплуатационной среде, уже недостаточно для перехода к фазе полномасштабных опытно-конструкторских работ.

Возможных выходов из этой ситуации два, отмечает фон Вреде: повышать планку проработанности технологий, которой необходимо достигнуть для начала ОКР, или, наоборот, менять шаблоны мышления отрасли в сторону принятия стандарта «приемлемого» уровня развития технологии, который являлся бы отражением реальной степени конструкторской проработки.

Еще одно препятствие – растущие затраты времени и ресурсов на получение дальнейшего прироста эффективности. Airbus столкнулся с этой проблемой при работе над проектом A30X, который замышлялся как замена семейству узкофюзеляжных самолетов A320. Достижение серьезного увеличения топливной эффективности, без которого создание нового типа не имело бы смысла, затянулось настолько, что привело к неоднократным пересмотрам сроков программы. В конечном счете Airbus решил просто ремоторизировать A320 в качестве промежуточной меры, а создание нового самолета отложил на более поздний срок.

«Становится все очевиднее, что новые технологии больше не могут развиваться такими же быстрыми темпами, как раньше», – говорит фон Вреде. По его предположениям, единственное, что способно как-то ускорить ход конструкторских работ в нынешних условиях, – это фундаментальные открытия в таких областях, как нанотехнологии.

Такова картина, на фоне которой европейские научные коллективы наконец начали получать первые плоды многолетней работы над созданием самолетов следующего поколения. Достигнутые первоначальные результаты рамочных программ научно-технологического развития Евросоюза, а также совместной технологической инициативы «Чистое небо» (Clean Sky) стоимостью 2,3 млрд долл. могут содействовать созданию облика будущих пассажирских и административных самолетов.

Основным элементом европейских исследований в области перспективных авиастроительных технологий, а также центральной частью инициативы Clean Sky является проект «умного» самолета Smart Fixed-Wing Aircraft (SFWA), в рамках которого исследуются различные варианты сокращения потребления топлива коммерческой и деловой авиацией. «Хотя проект подразумевает широкий спектр деятельности, особое внимание уделяется двум областям, в которых, как ожидается, есть наилучшие перспективы с точки зрения увеличения топливной эффективности: ламинарному обтеканию (а также системам управления ламинарным потоком) и применению открытых винтовентиляторных двигателей», — говорит исполнительный директор Clean Sky Эрик Дотриа.

Проект SFWA стоит на плечах проекта New Aircraft Concepts Research (Nacre) по исследованию концепций новых летательных аппаратов, формально завершившегося в прошлом году. Научный коллектив под руководством Airbus изучал варианты самолетов, спроектированных по схеме «летающее крыло», малошумные технологии для применения на авиалайнерах, а также варианты летательных аппаратов, оптимизированных для уменьшения потребления топлива. Проект делал особенный упор на экономические выгоды применения ламинарного обтекания.

В рамках Nacre планировалось создать уменьшенную модель-конструктор прототипа для летных испытаний, которую можно было бы быстро перекомпоновывать для эмуляции различных конфигураций: заменять крыло и хвостовое оперение и даже удлинять фюзеляж. Погодные условия помешали проведению серии испытаний до окончания проекта, но разработчики модели во главе со специалистами Штутгартского университета не оставляют надежды, что полеты все же удастся провести в рамках реализации проекта SFWA.

http://www.fea.ru/spaw2/uploads/.../2010_Zhmaylo/2011_0913_Openrotor_engine.jpg

Этот проект в свою очередь подразумевает натурные испытания на двух полномасштабных летающих лабораториях – крупнейшие испытания такого рода из запланированных в рамках Clean Sky. Один самолет Airbus A340-300 будет оснащен экспериментальными отъемными частями крыла для демонстрации естественной ламинаризации пограничного слоя в эксплуатационных условиях; второй A340 модифицируют для летных испытаний двигателя с открытым винтовенитлятором, разрабатываемого в рамках проекта Clean Sky Sustainable and Green Engines (SAGE).

Несколько направлений SFWA тесно связаны с исследованиями в рамках SAGE. Работы по планеру самолета будущего сосредоточены на уменьшении уровня шума на местности, в частности на возможности экранирования шума конструктивными элементами планера. Результатом могут стать летные испытания инновационного хвостового оперения. Еще одна задача для исследователей – выяснить, каким образом выбор места установки двигателя может повлиять на массу конструкции планера.

В этом году ожидается важный этап в ходе проекта – утверждение плана установки двигателя с открытым винтовентилятором на летающей лаборатории A340. В будущем году предстоит принять несколько не менее важных решений, в том числе определить, какой из двух прототипов двигателя задействовать в летных испытаниях по проекту SAGE и когда проводить демонстрационные полеты. Летные испытания открытого винтовентилятора на A340 планируется начать примерно в 2016 г.

Что до летных испытаний ламинарного обтекания, то они намечены на 2014 г. Защита эскизного проекта состоялась в этом году. «Все идет неплохо, ряд соответствующих технологий развивается весьма приличными темпами», – говорит Дотриа. Цель проекта – продемонстрировать, что сверхвысокое качество обработки поверхностей, необходимое для естественного развития ламинарного пограничного слоя, достижимо в производстве и может поддерживаться в эксплуатации.

Десятилетиями было известно, что при ламинарном обтекании крыла самолета сопротивление трения меньше, чем при турбулентном обтекании. По данным европейских исследований, аэродинамическое сопротивление крыла можно уменьшить за счет использования ламинарного обтекания на величину до 15%. Но на естественное распространение области ламинарного пограничного слоя негативно влияют неровности обтекаемой поверхности, такие как уступы на стыках панелей обшивки, останки погибших насекомых и результаты эрозии. Последствия сопротивления, вызванного преждевременным переходом ламинарного режима обтекания в турбулентный, весьма ощутимы с экономической точки зрения.

Вот основные задачи, которые предстоит решить программе Clean Sky: достижение требуемого уровня гладкости поверхностей при высокоскоростном серийном производстве с учетом потенциальных неровностей в виде неровных стыков, зазоров между панелями и волнистости самих панелей; контроль степени деформирования поверхностей под воздействием полетных нагрузок; минимизация эксплуатационных загрязнений поверхностей из-за насекомых, отложений льда и эрозионных процессов.

Испытания будут проводиться на крыльевых секциях двух разных конструкций. Одна, разработанная Airbus, является более традиционной и представляет собой металлическую переднюю кромку, соединенную с верхней поверхностью кессона, выполненной из композиционных материалов. Вторая конструкция, предлагаемая шведским концерном Saab, кажется более новаторской – это сборка передней кромки и верхней поверхности кессона, целиком выполненная из композитов. Saab построил тестовый образец размерами 2 х 2 м с набором и обшивкой из углепластика.

Штатные отъемные части крыла на A340 заменят на две секции с ламинарным профилем и уменьшенным углом стреловидности (по сравнению с оригинальным крылом), обе около 8,5 м в длину. С «родным» крылом их будут соединять переходные секции с внешней стороны двигателей. Переоборудование планируется начать в январе 2013 г. В период между декабрем 2013 и июнем 2014 г. A340 должен совершить от 100 до 150 полетов.

«Мы рассчитываем на существенное уменьшение полного аэродинамического сопротивления», – говорит Дотриа. Летающую лабораторию A340, известную под именем Blade (Breakthrough Laminar Aircraft Demonstrator in Europe), оснастят лазерным локатором для измерения местного сопротивления трения путем замеров скорости спутной струи. Инфракрасные камеры будут фиксировать переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный, а задачей закрепленных на внешней поверхности термоанемометров будет регистрация срыва потока.

http://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/2010_Zhmaylo/2011_0913_A340_Blade_2.jpg

Airbus исследует возможные инновационные конструкционные решения (в особенности U- или V-образное хвостовое оперение), способные экранировать шум от двигателей. Однако фон Вреде признается, что подобные продукты потребуют развития существующих технологий, особенно в том, что касается надежности двигателей, – она должна значительно превысить даже нынешний высокий уровень, чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию силовой установки в непосредственной близости от критически важных элементов конструкции планера.

http://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/2010_Zhmaylo/2011_0915_SWFA_lightjet.png

Похожим образом проект Ninha исследует уровни шумов, производимых двигателями с открытыми биротативными винтовентиляторами в наборе высоты, крейсерском полете и на снижении. А в рамках проекта SFWA рассматривается решение, которое, возможно, поможет понизить шум, производимый вихрями от вращающихся винтовентиляторов в зоне пилона двигателя.