КАК РАБОТАЮТ АВИАДВИГАТЕЛИ? Вопросы о самолетах, которые задавал себе каждый
Посмотрите на этого монстра. Это гигантский авиационный двигатель UltraFan мощностью 87 000 л.с. от компании Rolls-Royce. Его диаметр больше 3-х с половиной метров. UltraFan будет работать исключительно на экологически чистом авиационном топливе SAF (Sustainable Aviation Fuel). Тестирование UltraFan стартует как раз в начале 2023 года.
И, как говорится, большому двигателю — большой испытательный стенд. Точнее, самый большой в мире. Площадка с Testbed 80 была запущена два года тому назад и создавалась как раз с прицелом на доводку UltraFan. А совсем недавно туда привезли так называемый демонстратор, созданный как раз под этого гиганта.
Наверное, каждый из зрителей этого ролика летал на самолёте. Но вряд ли каждый из вас представляет, как вообще работает двигатель этой махины? Что там внутри? Вентилятор? Турбина? Или пару тысяч маленьких гномиков, которые крутят специальные педали? Давайте разберёмся.
На заре самолётостроения правили бал поршневые двигатели. Сейчас они почти стали достоянием истории. Хотя, как сказать. Познакомьтесь, это Celera 500L – прототип однодвигательного поршневого самолета. По форме аппарат напоминает яйцо с крыльями и выглядит как детская игрушка. Но возможности у машины самые серьезные. Используя необычную форму, инженеры снизили аэродинамическое сопротивление на 59 процентов. Неплохо для игрушки!
Ближайший конкурент Селеры – это Боинг Бизнес Джет. Давайте сравним технические характеристики аппаратов. Крейсерская скорость у Селеры – 740 км в час, а дальность полета – 8300 км. Крейсерская скорость у Бизнес Джета – 842 км в час, а дальность полета – 11 519 км. Кажется, что… довольно близко. Но! На каждую сотню километров у Боинга уходит 258 литров топлива. А у Селеры – всего 13! Получается, что этот забавный самолет экономичнее, чем внедорожник в городском трафике.
А если летчик захочет сэкономить еще немного топлива, он может просто выключить двигатель. При выключенном двигателе «Селера» планирует на расстояние более 200 км. Есть и другие примеры инженерной мысли из современности, связанные с казалось бы отжившим свой век пропеллером. Это - первый в мире 11-лопастной воздушный винт. Он успешно совершил первый испытательный полет, как сообщил в пресс-релизе его разработчик MT-Propeller.
Это еще одно достижение для компании, которая ранее производила пяти-, семи- и девятилопастные винты. Группа разработчиков зафиксировала 15-процентное увеличение статической тяги нового винта по сравнению с пятилопастными гребными винтами той же компании. Винтовая система самолета в сочетании с источником питания с низким числом оборотов может открыть новые возможности для производительности, эффективности и низкого уровня шума.
Ведь источником питания на низких оборотах может быть даже электрический двигатель. Однако, несмотря на все эти исключения из правил, всё таки сейчас бал правят не поршневые авиадвигатели с пропеллером, а два других типа. Самый популярный двигатель, который устанавливается на современные гражданские самолеты – турбовентиляторный. Его преимущество в том, что он - достаточно компактный.
Воздушный поток в нем движется по 2 контурам, в внутреннем контуре воздух сжимается компрессором, воспламеняется, вращает турбину и выбрасывается через сопло, создавая тягу. Второй контур начинается с большого вентилятора, который мы видим снаружи. Вентилятор прогоняет, вращает воздух через контур, создавая дополнительную тягу и увеличивая эффективность двигателя.
Подробнее эту схему опишем на примере двигателя ПД-14. Это двигатель 5 поколения, не нужно путать 5 поколение двигателей с 5-м поколением истребителей. Такие двигатели времён 2 Мировой войны могли разогреваться до 900 градусов, и эта планка к 5-му поколению возросла фактически вдвое. При этом росла и способность работать в таком режиме длительное время.
В передней части располагается компрессор, задача которого сжимать проходящий через него воздух, вперед его гонят ступени, вращающиеся дисковые конструкции сложной формы с лопатками по окружности, по сути вентиляторы. Их тут целых 11, 3 низкого давления и 8 высокого. Причем по мере продвижения через двигатель количество лопаток возрастает, а объем, через который проходит воздух уменьшается. Так воздух из прохладного ветерка превращается в горячий газ, давление которого подскакивает в 40 раз.
Следом за компрессором идет виновница огненного шоу, малоэмиссионная камера сгорания, где газ впрыскивается и зажигается топливо, раскаляя ее до почти 2000 тысяч градусов. Камера сама по себе является произведением искусства. Конструкция с очень хитрой конфигурацией потоков, включающая в себя 48 форсунок настолько сложна в изготовлении, что ее детали печатаются из металла 3D-принтерами – и это не просто дань промышленной моде, иначе такой механизм с заданными параметрами, компактности и надежности сделать просто невозможно.
В турбине процесс, в каком-то смысле, обратный процессу, происходившему в компрессоре. Теперь раскаленный сжатый воздух рвется сквозь механизм, налетая сначала на 2 ступени высокого давления, а потом уже на 6 ступеней низкого. Теперь уже газ вращает ступени и часть его энергии через турбину передается на вал, который вращает вентилятор и ступени компрессора, которые, в свою очередь, сжимали и гнали газ сюда. Такой вот круговорот энергии в движке.
Прошедший же через турбину горячий газ с рёвом вырывается наружу через сопло, создавая реактивную тягу. Главный вызов для инженеров в горячей части – это элементы конструкции, соприкасающиеся непосредственно с рабочей зоной, в первую очередь лопатки. Они должны быть способны выдерживать огромные нагрузки, не оплавляясь и не разрушаясь. У этой задачи несколько решений. Во-первых, специально созданные жаропрочные сплавы.
Во-вторых, внутри этих корпусов есть специальные каналы, по которым проходит воздух, охлаждая их изнутри. Десертом идут специальные керамические покрытия, принимающие на себя первый удар жара. Эти решения в разных комбинациях позволяют лопаткам нормально работать. Контур внешний - тут всё проще. Камеры сгорания нет, турбины нет, вентилятор всего один, но зато какой.
Он составлен из пустотелых титановых лопаток. В отличие от обычных металлических лопаток, которые можно увидеть на большинстве авиадвигателей, новые лопатки легче, крупнее, имеют сложную аэродинамическую форму и не требуют дополнительных усиливающих элементов. Да, они все равно немного тяжелее композитных, но тут снова ставится вопрос баланса. Композитные лопатки довольно сложны и дороги в производстве, а преимущество массы становится определяющим с увеличением их размера.
Композитные вентиляторы не ставят на небольшие двигатели, получается то же самое за большую цену. И наоборот, на больших двигателях композитные вентиляторы – это фактически безальтернативный вариант, металл здесь будет слишком тяжелым. Теперь нас ждут лабиринты агрегатов, кабелей, труб, насосов и датчиков, обвивающие двигатель по внешнему контуру. Обычно о них особо не рассказывают, потому что попробуй разберись, что это всё такое. Но без всего этого любой авиационный двигатель – это просто арт-объект.
Элементная база двигателя почти полностью российская. В мире существует всего четыре государства, способные по полному циклу создавать современные турбовентиляторные двигатели: США, Великобритания, Франция и Россия. Каждое из них строго охраняет результаты исследований и свои ноу-хау в двигателестроении. Например, Франция производит горячие части двигателей SaM‑146 только на своей территории. Подобные агрегаты конструируются годами, современный авиационный двигатель создаётся в полтора-два раза дольше самолёта.
Например, ПД-14 начал разрабатываться в 2008 году. Конструкторами было внедрено 16 ключевых технологий, освоить которые без создания собственного производства невозможно. Второй тип двигателя - турбореактивный. Такой двигатель - достаточно громоздок и, как правило, используется на военных самолетах разных классов. Для его установки используется либо часть фюзеляжа самолета-носителя, либо специальные выемки по бортам фюзеляжа.
Турбореактивный двигатель обладает высокой мощностью и, как следствие, помогает развивать самолету высокие скорости вплоть до сверхзвуковых. В турбореактивном двигателе воздух всасывается в компрессор работающей внешней холодной турбиной, а после сжатия - подается в горячую турбину. Экономичностью этот двигатель совсем не обладает, а потому очень редко используется в гражданской авиации. Однако в истории случалось и такое.
Самые очевидные примеры использования турбореактивных двигателей на гражданских самолетах - сверхзвуковые Concord и Ту-144. Рассмотрим их поподробнее. Впервые о разработке сверхзвукового самолета Ту-144 стало известно в 1962 году. Он позиционировался как прямой ответ зарубежному «Конкорду», который должен был стать первым пассажирским летательным аппаратом, который преодолеет скорость звука. Однако первый полет летательного аппарата от конструкторского бюро «Туполев» был совершен 31 декабря 68 года — на два месяца раньше, чем полет «Конкорда».
Сверхзвуковые самолеты Ту-144 и «Конкорд» принято считать близнецами. Некоторые люди уверены, что летательные аппараты имеют много общих черт потому, что одна из сторон «украла» чертежи у другой. Но, на самом деле, инженеры из Советского Союза, Великобритании и Франции часто встречались и обсуждали свои идеи. Сходства есть и очень большие, но при этом у летательных аппаратов есть серьезные различия.
Главные отличия следующие: Ту-144 имеет «усы» в носовой части, а у «Конкорда» их нет; Ту-144 был сделан из крупных фрагментов из цельных плит, а «Конкорд» — из мелких деталей, соединенных заклепками; Ту-144 был оснащен реактивным двигателем НК-144, а «Конкорд» — двигателем Olympus 593. Однако судьба этих двух самолётов очень похожа. Сверхзвуковые самолеты для перевозки пассажиров были сняты с эксплуатации из-за череды несчастных случаев.
Впервые советский самолет Ту-144 потерпел крушение в 1973 году, в ходе авиасалона в Ле-Бурже — погибли 6 членов экипажа и 8 человек на земле. Во второй раз самолет разбился в 1978 году, во время испытательного полета, в результате чего погибли два бортинженера. Третье чрезвычайное происшествие произошло в 1980 году, когда во время испытания у опытного образца разрушился один из двигателей — к счастью, экипаж взял ситуацию под контроль, посадил самолет и выжил.
В 1981 году самолет уже собирался начать коммерческие полеты, но на борту произошел пожар и экипажу пришлось покинуть летательный аппарат через аварийные выходы. После всего этого интерес к самолету пропал, однако потом его иногда использовали для срочных грузовых и почтовых рейсов между Москвой и Хабаровском. Последний полет был совершен в 1999 году. Самолет «Конкорд» попадал в неприятности гораздо реже, чем советский аналог. Но произошедшая в 2000 году в Париже катастрофа оказалась самой трагической. Во время взлета из Парижа в Нью-Йорк тележка левого шасси «Конкорда» наехала на деталь обшивки другого самолета, в результате чего произошел пожар.
Катастрофа унесла жизни не только всех 100 пассажиров и 9 членов экипажа самолета, но и находившихся в отеле 4 человек. После этого ужасного события летательный аппарат пробовали использовать дальше, но после еще нескольких неисправностей проект был закрыт. Но даже если не говорить о сверхзвуковых самолетах, неужели нельзя просто взять и заставить обычный самолет лететь быстрее? Можно, и они способны преодолевать те самые 800-900 километров в час, которые часто становятся крейсерской скоростью обычных лайнеров. Вот только делать это нет смысла.
Расходы вырастут значительно, а время в пути сократится буквально на 10 минут. Особенно, если перелет не дальний. Есть ещё один вопрос, который может заинтересовать типичного авиапассажира. Почему двигатели самолетов не глохнут во время дождя? И насколько опасен полёт в ливень? Большинство автолюбителей знает: вода не должна попадать в мотор ни в коем случае. Влага в ДВС приводит к фатальным последствиям, от поломки деталей до разрыва двигателя.
Но авиалайнеры летают при помощи двигателей, преобразующих тепловую энергию топлива. Соответственно, в них также не должно быть воды в моторах. Однако системы влагозащиты в авиадвигателях не предусмотрено. На самолёты не устанавливают даже решетки от птиц перед двигателями. Как же тогда лайнеры летают в дождь? Почему вода не вредит их моторам? Действительно, лайнер может лететь и в сильный ливень. В это время в каждом кубометре воздуха присутствует 10 кубических сантиметра воды. Двигатели самолета захватывают огромные массы воздуха.
В результате в каждую секунду в двигатели попадает в среднем 1 литр воды. За несколько минут должно набраться солидное количество жидкости. Но почему она не глушит мотор и не выводит его из строя? Во-первых, воздушный поток в двигателях самолета распределяется 1 к 10. Бóльшая часть его идет не в мотор, а на внешний контур. 90% воздуха проходит через него, увеличивая тягу. Некоторая доля при этом работает как охлаждение. Воздух захватывается подобием вентилятора. Он играет роль центрифуги: под его воздействием более тяжёлые частицы воды оказываются у стенок внешнего контура, а лёгкий воздух — в центре.
Далее воздушные массы попадают в компрессор. В результате сжатия газы разогреваются до 260 градусов. Соответственно, вода испаряется еще до того, как попадет собственно в мотор. Вторая причина, по которой вода не вредит мотору самолета — размер двигателей. Тот литр жидкости в секунду, который потенциально мог бы попасть в мотор, в его масштабах ничтожен. Современные лайнеры тестируют на безопасность. И она обеспечена даже при 75 литрах воды в секунду. Что на небе невозможно даже в самый жуткий ливень.
Гораздо большую угрозу для лайнера способен принести град — ведь твердые частицы будут встречаться с бортом и мотором на скорости пули и поведут себя совсем не так, как вода. Но это атмосферное явление гораздо более редкое и предсказуемое. И практически всегда лайнеры успевают обойти зону града стороной. И, вот, кстати, очередной интересный вопрос: почему перестали делать такую красоту? Почему не устанавливают двигатели внутри крыльев самолета?
Первым в истории коммерческим авиалайнером, оснащенным сразу четырьмя двигательными установками, вмонтированными в крылья, стал британский Де Хэвилленд DH. 106 «Комета», совершивший свой первый полет еще в 1949 году. А уже в 1955 году советский Ту-104 со встроенными в крылья двигателями поднялся в воздух. И аналогичную схему использовали также в Ту-124. Так почему в итоге было принято решение отказаться от такой компоновки, ведь, на первый взгляд, у нее есть неоспоримые преимущества?
Первым и, пожалуй, основным преимуществом двигателей в крыльях является аэродинамически чистое крыло, которое, в свою очередь, позволяет создавать существенно большую подъемную силу. И для первых реактивных лайнеров это действительно было критически важным моментом. Ведь если мы посмотрим на все ту же «Комету», то изначально она оснащалась двигательными установками Rolls-Royce Avon с тягой 32.7 кН (килоньютонов), что неимоверно мало. А если мы взглянем на двигатели Rolls-Royce Trent 7000, с тягой в 324 кН, то разница налицо.
Также преимуществом встроенных двигателей являлся меньший разворачивающий момент в случае отказа двигателя. Да, сейчас современные двигатели ломаются крайне редко. Статистика говорит об одном отказе на 100 000 часов налета. Но в те времена хорошим показателем считался один отказ на 2 500 часов налета, то есть тогда двигатели выходили из строя почти в 40 раз чаще. Третьим преимуществом является меньшая предрасположенность к засасыванию мусора по сравнению с двигателями, подвешенными под крылом самолета.
Но у такой компоновки были и недостатки. Так, если происходила утечка топлива и в результате возгорание двигателя, то с высокой вероятностью повреждалось само крыло, а также соседний двигатель (если рассматривать именно «Комету»). А вот подвешенный под крылом двигатель достаточно хорошо изолирован и по сути, даже может полностью отгореть и не принести существенного вреда авиалайнеру в целом.
Помимо прочего, выше установленный двигатель банально сложнее обслуживать из-за его более высокого расположения. Еще немаловажным минусом является невозможность модернизировать двигатели без серьезных конструктивных изменений. Ведь при смене встроенного двигателя неизбежно приходилось корректировать геометрию крыла, а это далеко не дешевое мероприятие.
В этом плане настоящим образцом рациональной экономии является Boeing 737. Данный авиалайнер производится вот уже 54 года и за это время перенес четыре крупные переделки со сменой двигателя, при этом сам фюзеляж изменился незначительно. Помимо этого, плюсами размещения двигателя под крыло служат эти факторы: больше места в крыльях под топливо. При этом, если откажет система подачи топлива, последнее поступает в двигатели самотеком.
Кроме этого, подвесные двигатели дополнительно балансируют сами крылья, гася непроизвольные вибрации, что также позволило снизить требования к их прочности, а значит, и облегчить их. Все эти преимущества и определили вид современных авиалайнеров. А двигатели внутри крыла были актуальны на самой заре гражданской авиации. В текущих реалиях полеты на самолетах с такой компоновкой были бы слишком дороги и непрактичны.
В этом выпуске мы рассмотрели лишь часть вопросов, связанных с интереснейшей темой – авиацией. И продолжим это делать в следующих выпусках. Настройте уведомления, чтобы их не пропустить. Благодарим за просмотр и до встречи на нашем канале.