Ход реализации в США программы создания перспективного авиационного ГТД

Майор А. Кулибин

Министерство обороны США, авиационно-космические и двигателестроительные фирмы, а также ряд научно-исследовательских организаций уделяют большое внимание проведению НИОКР по материалам и конструкциям летательных аппаратов (ЛА) военного назначения и их силовых установок (СУ). Положительные результаты НИОКР, выполняемых по взаимосвязанным программам специалистами управления перспективных исследований МО (ДАРПА), научно-исследовательскими лабораториями ВВС, ВМС, позволят обеспечить разработку качественно новой авиационной техники с повышенными боевыми возможностями, а также продлить срок службы ЛА и СУ при сниженных трудозатратах и стоимости.

В конце XX века американские НИОКР в области создания авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения для перспективных летательных аппаратов военного назначения были организационно оформлены в виде объединенной программы разработки технологий ГТД с высокими параметрами рабочего процесса (IHPTET - Integrated High Performance Turbine Engine Technology). Ее целью являлась разработка и демонстрация на экспериментальных ГТД различных классов перспективных технологий, внедрение которых должно обеспечить кратное улучшение основных характеристик при сохранении достигнутого уровня надежности и ресурса (по сравнению с аналогичными показателями двигателей 4-5 поколения), а также снижение стоимости их жизненного цикла.

В частности, по программе IHPTET разрабатываются демонстрационные двигатели трех типов: турбореактивные (ТРД) и двух контурные турбореактивные (ТРДД)-для самолетов; турбовальные (ТВаД) и турбовинтовентиляторные (ТВВД) - для вертолетов и самолетов; двигатели для крылатых ракет и беспилотных летательных аппаратов.
Для более полной оценки и подтверждения заданных параметров разрабатываемых двигателей в целом в рамках программы IHPTET реализуются различные специальные программы испытаний частных технических решений. Основной целью этих программ является подтверждение эффективности разрабатываемых технологий путем оценки взаимовлияния отдельных компонентов и исследования характеристик двигателей во всем диапазоне режимов работы с моделированием реальных условий эксплуатации на испытательных комплексах.

Сверхзвуковая крейсерская скорость полета (в настоящее время в полной мере реализована только на тактическом истребителе F-22A «Раптор») реализуется благодаря применению авиационных ГТД нового поколения с высокими удельными параметрами, а в перспективе - двигателей с изменяемыми параметрами рабочего процесса.

Как объясняют американские специалисты, комплексное применение достижений в области перспективных материалов, численных методов расчета внутренних течений в двигателе для улучшения аэротермодинамических характеристик его компонентов, а также новых методов конструирования и автоматизированного проектирования элементов и двигателя в целом позволяет достичь высоких результатов.

Так, разработаны и прошли успешные стендовые испытания саблевидные рабочие лопатки вентилятора и компрессора с улучшенными аэродинамическими характеристиками, высокоэффективные воздушные и воздушно-масляные уплотнения с низким уровнем утечек, сверхзвуковые всережимные реактивные сопла с уменьшенным уровнем ИК-излучения. Снижена масса элементов конструкции двигателя благодаря применению новых технических решений и композиционных материалов (КМ), повышены рабочие температуры в основной камере сгорания (ОКС) и газовой турбине, увеличен ресурс горячих элементов за счет использования новых схем охлаждения, а также повышена надежность силовых установок благодаря применению усовершенствованных систем контроля параметров и состояния конструкции двигателей.

Использование перспективных материалов и новых конструктивно-схемных решений, позволяющих снизить количество ступеней и расход воздуха при сохранении тяги на требуемом уровне, приведет к уменьшению габаритов и массы как компрессора, так и двигателя в целом, что, в свою очередь, повлечет снижение его стоимости. Например, по оценкам разработчиков, использование бездискового ротора барабанно-кольцевого типа с повышенной частотой вращения, полых и широкохордных лопаток первых ступеней компрессора и других конструктивных решений наряду с применением перспективных материалов позволит на 70 проц. снизить массу ротора компрессора.

Американские НИОКР по созданию СУ, обеспечивающих двукратное увеличение удельной тяги при 30-50 проц. снижении расхода топлива соответственно для тактических истребителей и транспортных (транспортно--заправочных) самолетов, включают исследования новых материалов, таких как композиционные на основе полимерной, керамической и металлической матриц.

Общими требованиями к КМ являются работоспособность во всем диапазоне температур, характерных для термодинамического цикла двигателя, высокая теплостойкость и прочность при относительно низком коэффициенте температурного расширения и постоянстве основных механических характеристик.

Решение проблем увеличения ресурса, надежности и эксплуатационной технологичности американские специалисты связывают с разработкой новых технологий ремонта авиатехники, применением методов неразрушающего контроля и созданием материалов и способов защиты конструкций от воздействия окружающей среды. При этом дополнительно планируется исследовать механизмы коррозии, износа, эрозии и разрушения при комплексном нагружении в боевых условиях.

Исследования технологий производства металлов и конструкций из них направлены на разработку ал юминидов титана, а также новых способов соединения элементов и методов контроля. Основная задача заключается в снижении стоимости сварных титановых конструкций на 30-50 проц. и трудозатрат на 50 проц.

Большое внимание в США уделяется технологичности изготовления композиционных авиационных конструкций. Существенное снижения затрат на изготовление КМ планируется получить благодаря применению автоматизации сборочных линий, созданию конструкций новых типов и внедрению в опытном производстве технологии формования твердых материалов с архивизацией в электронных средствах технологических карт обработки.

Разработку авиационного ГТД изменяемого цикла ВВС США заказали компании «Дженерал электрик» в сентябре 2012 года.

В начале 2013 года инженерам данной фирмы удалось завершить разработку состава, структуры и провести испытания специального огнеупорного композиционного материала, из которого будут изготавливаться элементы ОКС и других термонагруженных элементов конструкции перспективного двигателя.

Экспериментальный образец, созданный специалистами компании «Дженерал электрик» в рамках программы ADVENT, осуществляемой научно-исследовательской лабораторией ВВС США (Air Force Research Laboratory), потребляет на 25 проц. меньше топлива, имеет на 10 проц. большую тягу, чем современные двигатели, что в совокупности позволит увеличить дальность полета на 30 проц.

Иллюстрация, поясняющая принцип работы «третьего воздушного контура» (обозначен красными стрелками)

По информации руководства компании, в ходе испытаний газогенератора в зонах компрессора и турбины были достигнуты высокие значения температуры, которые «являются рекордными в истории авиации».

Как известно, режимы полета, требующие максимального значения тяги двигателя (взлет, боевое маневрирование), обеспечивают СУ с малой степенью двухконтурности. При этом двигатели с большой степенью двухконтурности обеспечивают минимальный расход топлива на дозвуковых режимах полета.

Как и в случае с любым устройством, работающим за счет горения топлива, чем выше температура в КС ГТД, тем выше КПД двигателя и, соответственно, его экономичность. «Это чистой воды законы термодинамики» - утверждает Рик Альбрехт), специалист отдела подразделения GE Aviation.

Новые технологии призваны оптимизировать данные параметры и реализовать их в одной конструкции. Инженеры-конструкторы компании «Дженерал электрик» создали техническое решение, которое позволяет изменять количество воздуха, проходящего через второй контур. При этом часть воздуха из него может использоваться для охлаждения горячей части двигателя (при максимальных нагрузках двигателя).

Увеличение температуры газов в ОКС ГТД ограничивается тем, что элементы камеры сгорания и других термонагруженных элементов двигателя под воздействием высокой температуры начинают деформироваться и расплавляться. Несмотря на то что в ГТД используются сложные сплавы и КМ, для охлаждения камеры сгорания применяются различные методы и охлаждающие системы, которые, в свою очередь, повышают сложность конструкции и снижают КПД двигателя в целом.

Одним из технических решений вышеописанной проблемы стала разработка легкого термостойкого композиционного материала CMC (Ceramic Matrix Composite). Согласно заявлению проектировщиков, в основе его лежит структура из карбида кремния, армированного волокнами из того же самого материала. Рабочая температура CMC составляет около 1 300 °С, что превышает аналогичные показатели наиболее термостойких металлических сплавов.

В конструкции экспериментального образца ГТД применена укороченная высокотемпературная КС, подобная камерам сгорания, используемым в ракетных двигателях космической техники, которая позволяет увеличить количество сжигаемого топлива, и, соответственно, повысить тягу до уровней, которые в настоящее время требуют перехода на форсажные режимы работы силовой установки.

Новая СУ должна обеспечивать устойчивое переключение степени двухконтурности на разных режимах полета. Существующие в настоящее время двигатели способны работать только в одном из этих режимов. За счет возможности переключения двигателя между режимами и будет достигаться топливная эффективность. При полете на крейсерской дозвуковой скорости «третий воздушный контур» будет открыт, что позволит снизить потребление топлива.

Первоначально планируется использовать авиационные ГТД, использующие технологический задел, полученный в рамках программы ADVENT, для тактических истребителей, но специалисты компании «Дженерал электрик» намерены разработать двигатели также для пассажирских авиалайнеров, таких как Боинг 747.

Все технологические решения, полученные в ходе реализации программы ADVENT, планируется использовать в перспективных ГТД, предназначенных для боевых самолетов, в разработке которых заинтересованы ВВС США. Так, начальный этап проектирования перспективного двигателя, разрабатываемого в рамках программы AETD (Adaptive Engine Technology Demonstrator), завершился 8 февраля 2013 года, на ноябрь 2014-го запланирована защита эскизного проекта, а все работы намечается закончить к началу 2017 года.

По предварительной оценке, использование адаптивных ГТД с изменяемым циклом позволит ВВС США экономить до 4,5 млрд л топлива в год (около 50 проц. топлива, ежегодно потребляемого американскими ВВС).

Зарубежное военное обозрение №6, 2013, с.64-67