Як зробити літаки ще менш ненажерливими?

Реактивна цивільна авіація, багато в чому визначила вигляд сучасного світу, як і раніше залишається джерелом заклопотаності для екологів і піднімає ряд проблем перед авіакомпаніями і авіапромисловістю

Нове, більш «зелене» покоління лайнерів має споживати менше палива, виробляти менше шкідливих викидів і менше шуму - з цим згодні всі. Однак досягти всіх цих цілей одночасно вкрай непросто.

Стандартом сучасної цивільної авіації є турбовентиляторні двигуни. По суті це різновид двоконтурного турбореактивного двигуна, загальний принцип роботи якого досить простий. При польоті літака набігаюче повітря всмоктується всередину двигуна компресором низького тиску (що має привід від валу турбіни). Далі частина повітря прямує всередину двигуна і бере участь як окислювач у спалюванні палива, а інша частина йде в обхід камери згоряння і виривається назад через сопло, створюючи реактивну тягу.

Реактивну тягу також створює струмінь розпечених газів, що виходить з сопла двигуна. Відношення обсягів повітря, що прокачуються через зовнішній контур і через камеру згоряння, називається «ступенем двоконтурності». Двигуни, у яких ступінь двоконтурності високий і становить від 2 до 10, називають турбовентиляторними, а перше колесо компресора низького тиску - вентилятором, що має порівняно великий діаметр.

Новий погляд

Поки «гвинтовентилятори» нового покоління знаходяться на ранніх стадіях проектування, інтерес до них зростає і з'являються перші ескізи літаків, які будуть сконструйовані спеціально під цей тип двигуна. На картинці показано проект Королівського британського товариства аеронавтики з двома двигунами, оснащеними гвинтами штовхаючого типу. Рік тому авіаконцерн Airbus запатентував концепцію літака «зі зниженим шкідливим впливом на навколишнє середовище». Ескізи представлені для одно- і двомоторного варіантів, причому в тексті спеціально зазначено, що перевага буде віддана двигунам з відкритим ротором. Силові установки будуть поставлені над задньою частиною фюзеляжу (приблизно як у британському проекті) на спеціальну захисну плиту. Вона послужить заслоном для шуму гвинтів. На картинці - комп'ютерна модель гвинтовентиляторного двигуна з відкритим ротором, який розробляється альянсом NASA, General Electric і SAFRAN.

Переваги турбовентиляторного двигуна також добре відомі. По-перше, якщо б? більша частина реактивної тяги створюється триваючим повітрям, а не реактивними газами, підвищується паливна ефективність, а значить, економічність і екологічність всієї силової установки. По-друге, на виході з сопла (або сопл) холодне повітря змішується з гарячими газами, знижуючи загальний тиск суміші. Це робить двигун менш галасливим.

Але досконалості немає межі, і як тільки ціни на нафту, а значить, і на авіаційний гас починають рости, авіаперевізники і авіаконструктори відразу замислюються про те, як би зробити літаки ще менш ненажерливими.

Нехай палить і дме

Один з напрямків пошуків - підвищення термоефективності двигунів, тобто збільшення ККД за рахунок зростання температури і тиску в камері згоряння і соплі. Природний бар'єр на цьому шляху - міцність і термостійкість конструкційних матеріалів, з яких роблять лопатки турбін, стінки камери згоряння і сопла, так що прорив тут можливий насамперед завдяки прогресу в області створення матеріалів з більш оптимальними властивостями.

Інший напрямок - підвищення ККД, а значить, і економічності двигуна шляхом збільшення ступеня двоконтурності. Якщо на кілограм спаленого палива ми зможемо продути через двигун ще більше повітря, що створює реактивну тягу, але не бере участі в спалюванні гасу, можна наростити потужність силової установки, не збільшуючи витрати палива. Або зменшити витрату палива, зберігаючи колишню тягу.

Лежаче ніби на поверхні рішення - збільшення діаметру вентилятора - має серйозні «але». Великий вентилятор спричинить збільшення розміру і ваги мотогондоли, і тут про себе на весь голос заявлять два головних вороги авіаконструктора - вага і лобовий опір. На подолання цих двох факторів буде потрібна додаткова потужність двигуна, і може вийти так, що весь економічний ефект від зростання ступеня двоконтурності зійде нанівець. Про те, як впоратися з цією проблемою, конструктори думають вже кілька десятиліть.

Вентилятор - на свободу!

У середині 1980-х у небі над каліфорнійською пустелею Мохаве можна було бачити дуже дивний літальний апарат. Вірніше, сам апарат мав знайомі обриси пасажирського лайнера MD-80, ось тільки один з його двигунів був звичайним «турбовентилятором», а інший мав на задньому кінці двобічний гвинт. Зрозуміло, ніхто б не пустив такий гібрид в рейс, і над пустелею злітала і сідала всього лише літаюча лабораторія MD-81, на якій випробовувався двигун GE-36 типу Ultra High Bypass (UHB, ультрависока двоконтурність), вироблений корпорацією General Electric. Інша назва силової установки - Unducted Fan (UDF, «вентилятор без обтічника»). Власне, цим про конструкцію двигуна все сказано. Для радикального підвищення ступеня двоконтурності вентилятор значно збільшили в діаметрі, при цьому заради зниження ваги і лобового опору з нього зняли кільцевий обтічник.

Неважко помітити, що в цьому випадку вентилятор фактично стає повітряним гвинтом (у випадку з UDF- штовхаючим), а двигун, який на Заході називають propfan, а в нашій літературі гвинтовентиляторним, виявляє спорідненість зі старим добрим турбогвинтовим мотором.