Silnik lotniczy z otwartym wirnikiem: stracona szansa dla Rosji
Przykłady rozmieszczenia obiecującego turbośmigłowego silnika lotniczego.
otwarty wirnik
Marzenia menedżerów od lotnictwo utrzymanie w granicach przyzwoitości jest bardzo trudne. Za granicą poważnie wierzą, że do 2050 roku światowe lotnictwo stanie się neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, to znaczy samoloty w ogóle nie będą wytwarzać nadmiaru dwutlenku węgla. Mówiąc dokładniej, emisje nigdzie nie znikną, ale zostaną zrekompensowane nowymi rodzajami paliw, a także bezpośrednim wychwytywaniem dwutlenku węgla z atmosfery.
Historia brzmi trochę absurdalnie – w ciągu ostatnich pięciu lat światowe lotnictwo zwiększyło emisję COXNUMX o jedną trzecią2. Mimo to Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (lepiej znana jako ICAO) przyjęła we wrześniu ubiegłego roku rezolucję o zerowej emisji dwutlenku węgla.
Teraz wydaje się to trochę fantastyczne, zwłaszcza w świetle rosyjskiej operacji specjalnej i międzynarodowych sankcji. Mówiąc najprościej, co to ma wspólnego ze współczesną Rosją?
Faktem jest, że osławione lotnictwo neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla, w jakiejkolwiek formie, prędzej czy później zdobędzie światowe lotniska. A może się okazać, że krajowe MS-21 i SSJ-100 New za piętnaście czy dwadzieścia lat nie będą nawet wpuszczane na lotniska Chin i Turcji. Silniki będą zbyt „brudne”. Pozostaje tylko kupować sprzęt lotniczy za granicą, co jest bardzo mało prawdopodobne, lub uruchamiać lotniskowce z zaprzyjaźnionych krajów.
ICAO planuje wycofywać emisje dwutlenku węgla więcej niż jeden raz – kolejne zaostrzenie norm planowane jest na 2026 i 2037 rok. Patrzenie w przyszłość to niewdzięczne zadanie, ale podróże lotnicze rosną każdego roku o 3-5 procent, co do 2050 roku zwiększy emisję dwutlenku węgla z silników lotniczych 3-3,5 razy w porównaniu z 2020 rokiem.
Neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla silników wodorowych i silników elektrycznych ze śmigłami nie należy poważnie brać pod uwagę - to zbyt rewolucyjne konstrukcje. Przyszłość zdecydowanie należy do ewolucyjnych rozwiązań, które pozwolą chociaż częściowo zbliżyć się do fantazji ICAO. Jednym z nich jest oczywiście silnik samolotowy z wentylatorem turbośmigłowym lub propfan, który jest złożonym produktem ewolucji silnika turbośmigłowego.
Kluczową cechą „otwartego wirnika” CFM International jest stały drugi rząd łopatek.
Historycznie pojawienie się propfanu wiąże się z kryzysem naftowym lat 70., który skłonił konstruktorów silników do poszukiwania ekonomicznych schematów. Otwarty propfan różni się od klasycznego turbośmigłowego dużą liczbą łopat i specjalnym kształtem.
Jeśli jest to całkowicie zgodne z podręcznikiem, śrubę można uznać za propfan, jeśli jest więcej niż osiem ostrzy i wyglądają jak szable w zarysie. Pozwala to zmniejszyć prędkość, aby nie osiągać prędkości naddźwiękowych, co prowadzi do „efektu blokowania”, czyli gwałtownego spadku wydajności. Zwiększając liczbę łopat, nie ma potrzeby zwiększania średnicy śmigła, co jest korzystne dla układu samolotu.
Na papierze otwarty wentylator pozwala zaoszczędzić, przy wszystkich innych rzeczach, do 20-30 procent paliwa. Osiąga się to tylko dzięki dużemu poziomowi hałasu. Na przykład wentylator turbośmigłowy D-27, opracowany pod koniec lat 80. w biurze projektowym Progress w Zaporożu, który w 2005 r. ledwie otrzymał Certyfikat Typu za hałas na ziemi, jest doskonały. Silnik miał być montowany pod skrzydłem transportowca An-70.
Ani samolot, ani silnik od dawna nie są żywe. Tak jak NK-93 już nie żyje - silnik samolotu turbośmigłowego z wentylatorem z kapturem, opracowany dla obiecującego transportu wojskowego Ił-106 w kompleksie naukowo-technicznym Samara nazwany jego imieniem. Kuzniecowa.
Z zewnątrz może się wydawać, że silnik należy do turboodrzutowca, tylko z wysokim stopniem obejścia. Ale tak nie jest – przedni wentylator ma osiem łopatek, a drugi dziesięć, co automatycznie przekłada produkt do kategorii wentylatorów turbośmigłowych.
NK-93 (góra) i D-27
Gigantyczna osłona otaczająca wentylator miała zredukować poziom hałasu.
Głównym problemem z silnikiem o ciągu 18 ton jest trzymetrowa średnica, co powoduje konieczność poważnego przemyślenia konstrukcji samolotu.
Tak czy inaczej, Rosja nie prowadzi obecnie prac rozwojowych nad NK-93 ani jego odpowiednikiem, nie mówiąc już o przemyśleniu projektu niegdyś krajowego D-27. Tematyka otwartego wirnika, otwartego wentylatora czy propfanu nie wykracza poza badania teoretyczne.
Za granicą cieszy się dużym zainteresowaniem.
WZROST
Wymóg zmniejszenia zużycia paliwa, a co za tym idzie zmniejszenia emisji dwutlenku węgla, wymusił za granicą wycofanie otwartego wirnika.
Od lata 2021 roku francusko-amerykańska firma CFM International pracuje nad projektem Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE). Ambitnym celem jest zmniejszenie zużycia paliwa o 20 procent w porównaniu z najbardziej ekonomicznymi odpowiednikami w tej klasie. Inżynierowie proponują opracowanie modułowego produktu zdolnego do pracy na wodorze, a także z wentylatorem napędzanym silnikiem elektrycznym.
Twórcy zrezygnowali z birotacyjnego schematu, który leży u podstaw wszystkich wcześniej opracowanych propfanów i otwartych wentylatorów. Para wentylatorów na tej samej osi silnika obracała się w różnych kierunkach, co zwiększało ciąg, ale znacznie zwiększało hałas aerodynamiczny.
Tak było z D-27, NK-93 z kapturem, doświadczonym amerykańskim GE36 i P&W Allison 578-DX.
Mała dygresja.
CFM International została założona w 1974 roku przez dwie firmy – amerykańską GE Aviation oraz francuską Snecma, będącą spółką zależną Safran. Francuzi zawsze mieli szczególny apetyt na egzotyczne rozwiązania, a „otwarty wentylator” nie był wyjątkiem.
Birotacyjny test „otwartego wentylatora” Safrana w 2017 roku. Nie wszedł do serii, chociaż zapewniał 15% oszczędności paliwa
W 2017 roku Safran zakończył prace nad samolotem turbośmigłowym pchającym projektu SAGE 2. Projekt uznano za udany, ale warunki rynkowe nie wróżyły rynkowego sukcesu – neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla rozwiązania ICAO były jeszcze daleko. Chociaż 15 procent zaoszczędzonej nafty zrobiło wrażenie na wielu.
I teraz CFM International wraca do tematu, ale tym razem postanowiono zrezygnować z układu popychacza i drugiego wentylatora na osi. W miejscu drugiego wirnika znajdują się stałe łopatki kierujące, które mogą jedynie zmieniać swój skok. Zgodnie z planem powinno to znacznie zmniejszyć zakłócenia przepływu powietrza za wirnikiem głównym.
Testy laboratoryjne silnika samolotu projektu RISE mają rozpocząć się już w 2026 roku.
Planowany jest otwarty wentylator o średnicy czterech metrów. To, nawiasem mówiąc, cześć wszystkim sceptykom, którzy zakopali krajowy NK-93 z jego trzymetrowym przekrojem. Powiedzmy, że silnik samolotu nie pasowałby nigdzie. Francuzi i Amerykanie myślą inaczej. Według obliczeń silnik RISE o ciągu 13,6 tony powinien zapewnić lotniskowcowi taką samą prędkość 0,8 Macha, co tradycyjne silniki turboodrzutowe z wysokim obejściem.
Gigantyczny A-380 powinien stać się latającym laboratorium dla RISE
Najbardziej niezwykłą rzeczą w historii jest rzekomy nośnik obiecującego silnika lotniczego.
CFM International zgodził się z Airbusem i wysłali konstruktorom silników cały A-380. To czterosilnikowy dwupokładowy gigant, noszący miano największego samolotu pasażerskiego świata. Chociaż nie jest już produkowany masowo. Pod jego skrzydłami planują zawiesić pierwszy eksperymentalny silnik lotniczy i wzbić się w przestworza. Mniej więcej ten sam NK-93 opanował pracę w powietrzu z domowym latającym laboratorium IL-76LL w Żukowskim.
Z nieznanych przyczyn autorzy projektu zrezygnowali z latającego stanowiska Boeinga 747. Chociaż „jumbojet” jest również wyposażony w cztery silniki, co gwarantuje bezpieczeństwo w przypadku awarii prototypu. Mówienie o zastosowaniu „otwartego wentylatora” w samolotach szerokokadłubowych jest przedwczesne - po prostu nie ma on do tego wystarczającego ciągu. Typowi konsumenci to regionalni Fokker i Bombardier.
Koncepcyjnie umieszczenie ogromnych silników jest rozważane nie pod skrzydłem, ale z przodu nieco powyżej krawędzi skrzydła. Lub w ogonie, co jest szczególnie korzystne pod względem redukcji hałasu w kabinie pasażerskiej. Oczywiście najbardziej preferowanym schematem jest górnopłat, jak w rodzinach An i Ił-76.
Jak widać, wojskowe samoloty transportowe mogą równie dobrze stać się nośnikami obiecującego silnika lotniczego.
Pomimo początkowo cywilnego charakteru silnika lotniczego, RISE z pewnością znajdzie swoje miejsce pod skrzydłami wojskowych samolotów transportowych. Zwłaszcza jeśli deweloperom uda się dotrzymać obietnic dotyczących prędkości lotu. Wszystkie inne rzeczy są takie same, nawet wojsko nie odmówi 20-procentowej oszczędności paliwa.
Rosja przegapiła szansę bycia jednym ze światowych liderów w rozwoju turbośmigłowych silników lotniczych. Na Zachodzie wyraźnie przejmują inicjatywę w dość wąskiej specjalizacji, która w przyszłości może opanować cały rynek.
Ale nie wszystko stracone – do planowanego przyjęcia do serii RISE zostało jeszcze osiem do dziesięciu lat. W tym czasie nadarza się okazja, by dogonić i osiągnąć parytet z Zachodem. A sankcje dla rosyjskich inżynierów grają tutaj tylko na rękę.
informacja