Перспективы развития авиадвигателестроения

Оценивая перспективы развития Авиации необходимо, хотя бы в общих чертах, сказать о перспективах развития авиадвигателестроения.

Современные авиадвигатели в гражданской авиации буквально «вылизаны» по аэрогидродинамическим и технологическим параметрам. Авиадвигатели сегодня уже перешагнули 50-ти тонный рубеж тяги. По уровню напряжений и тепловому состоянию деталей авиадвигателям практически нет аналогов среди изделий в машиностроении. Поэтому для авиадвигателей ближайшего будущего намечено в основном количественное совершенствование.

Так, по основным показателям «планка» поднята довольно высоко:

— уменьшение эмиссии СО на 50%, а окислов азота на 80% - для двигателей самолета А-3 80; - уменьшение эмиссии СО на 50%. а окислов азота на 20-50% - для двигателей самолета В-7Е7. увеличение тяги на 25% для двигателей украинского и российского производства.

Добиться этого совсем не просто в условиях жесткой конкуренции на мировом рынке авиатехники. Без опережающего научно-технического задела и достижений в области материаловедения, электроники и других отраслей науки, техники и новейших технологий - это просто не возможно.

Сегодня в мире только около двух десятков крупных научных центров разных стран и ряд ведущих двигателестроительных фирм создают такие научно-технические заделы по новым ключевым технологиям, узлам и демонстрационным двигателям.

Именно это обеспечивает сокращение сроков и стоимости этапов разработки, сертификации и запуска в серийное производство - в 3 - 4 раза, число опытных двигателей сокращается до 8 - 12.

Значительная роль здесь принадлежит информационным технологиям.

Они позволили создать комплексные многодисциплинарные расчетные модели для исследования параметров течения рабочего газа, анализа теплового состояния конструкции и расчета ее напряженно-деформированного состояния, накопления повреждений и пр.

Идет массовое внедрение технологий компьютерного конструирования и построения схем двигателя, его элементов и узлов.

При этом наиболее трудным является описание процессов, в которых существенны эффекты нестационарности, турбулентности, химического реагирования (до 100 реагирующих компонентов), циклических нагрузок и колебаний. С нестационарностью и турбулентностью связаны проблемы шума и вредных выбросов, а именно их и не позволяют с достаточной точностью решать существующие в настоящее время программы. Пока еще не хватает интегральных математических моделей физических, газодинамических и акустических процессов

Качественные «прорывы» в гражданской авиации ближайшего времени связываются с продолжением работ над криогенными двигателями. Еще в 1988 г.. 15 апреля в воздух впервые поднялся самолет Ту-155, в правой гондоле которого был установлен двигатель НК-88. работающий на жидком водороде. Это был первый в мире самолет на криогенном топливе.

Однако, из-за изменения энергетической стратегии и увеличения удельного вес природного газа в энергетическом балансе до 50%. после проведения летных испытаний доработок. Ту-155В был переоборудован и 18 января 1989 года совершил первый полет на сжиженном природном газе. Этому предшествовала большая многолетняя программ стендовых и наземных испытаний, в ходе которых проходили проверку и функционирование около 30 новых систем и, прежде всего, на обеспечение безопасно эксплуатации. Проведено несколько международных демонстрационных полетов, в том числе в Братиславу (Чехословакия), в Ниццу (Франция), в Берлин и Ганновер (Германия).

Действительно, природный газ сегодня широко используется в наземном транспорте. На сегодняшний день в мире насчитывается 2,4 млн. автомобилей, работающих на этом топливе. По сравнению с 1.94 млн. автомобилей в 2002 году наблюдается 20% годовой рост и можно прогнозировать, что в 2005 году в мире будет 3.5 млн. автомобилей, использующих природный газ, а в 2010 году — 8.6 млн. В Аргентине и Бразилии каждый месяц с бензина на природный газ переводят 10 тысяч автомобилей, что позволяет получить большой экономический эффект, т.к. в Аргентине розничные цены на метан составляют 0.142 USS. на бензин — 0.592 USS. К тому же автомобиль на газе выбрасывает на 20 -25% СО меньше чем бензиновый.

Природный газ с помощью трубопроводов подведен практически к каждому аэродрому, т.е. проблемы его транспортировки, в основном, уже решены. Его высокая энергоемкость, огромный хладоресурс, позволяют создавать самолеты со значительно более высокими летно-техническими показателями, чем самолеты на авиакеросине.

Топливная экономичность полета самолета на сжиженном газе может составить до 10 л/пасс-км. а стоимость уже сегодня почти в 3 раза меньше.

С долговременной тенденцией и перестройкой энергетической системы согласуется переход на метан, как на менее богатый углеродом источник энергии XXI века.

Так, на АНТК им. А.Н.Туполева разработаны проекты самолетов с криогенными двигателями - Ту-Г56, Ту-204К, Ту-204-ЗЗОК и Ту-136. С двигателями НК-89 ведется проектирование грузо-пассажирского самолета Ту-156, предназначенного для отработки в процессе длительной эксплуатации элементов бортовой криогенной топливной системы и ее сертификации, а также для отработки наземной инфраструктуры. В топливной системе применяются два вида топлива: авиационный керосин и сжиженный природный газ, что позволяет эксплуатировать самолет на обычных аэродромах и на аэродромах, имеющих системы заправки СНГ. Применение двух видов топлива значительно повышает безопасность полетов. Самолет Ту-156 может перевозить 14 тонн полезного груза при полетах на дальность до 2600 км только на СПГ и до 3300 км - на СНГ и керосине.

С двигателями ПС-92 ведется проектирование среднемагистрального самолета Ту-204К (на базе пассажирского сертифицированного среднемагистрального самолета Ту-204 с двигателями ПС-90А), предназначенного для перевозки пассажиров па авиалиниях. Керосин на самолете размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются на фюзеляже под обтекателем, имеющем форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением.Топливная экономичность самолета Ту-204К близка к базовому и составляет 19,6 г/пасс-км. Этот самолет способен перевозить 210 пассажиров на расстояние до 5200 км. Начаты работы по созданию нового регионального грузопассажирского самолета Ту-136 с двумя двигателями ТВ7-П7СФ. который имеет оптимальную компоновку, учитывающую свойства СПГ. Самолет Ту-136 взлетной массой в 20 тонн может перевозить 53 пассажира или до 5 тонн груза на расстояние до 2200 км со скоростью 550 км/час на высоте около 7,2 км. Топливная экономичность самолета около 20 г/пасс-км соответствует лучшим самолетам этого класса, а применение СПГ позволит примерно на 30% сократить прямые эксплуатационные расходы.

Ведется проектирование транспортного самолета Ту-204-ЗЗОК с двигателем ПК-94, работающим на сжиженном природном газе. Самолет предназначен для перевозки грузов массой до 35 тонн. Предусматривается возможность посадки на грунтовой аэродром. Авиакеросин на самолете размещается в крыльевых топливных баках, баки с СПГ располагаются на верхней части фюзеляжа под обтекателями.

Начаты проектные работы по созданию ближнемагистрального пассажирского самолета Ту-334К с двигателями BR-710C на базе самолета Ту-334. Он сможет перевозить 102 пассажира на расстояние до 2000 км на высоте до 10,6 км.

Во многих странах продолжаются работы по двигателям, работающим на жидком водороде. Жидкий водород имеет ряд свойств, исключительно полезных для использования в качестве авиационного топлива. Это, прежде всего, высокая теплота сгорания, огромный хладоресурс и высокая экологическая чистота. Жидкий водород позволяет существенно улучшить летно-технические характеристики и создать двигатели для гиперзвуковых самолетов (фото 9), а также комбинированные двигатели для воздушно-космических самолетов.

Однако чрезвычайно высокая стоимость жидкого водорода в настоящее время, и сложности его длительного хранения пока исключают его коммерческое использование.