Битва за скорость. Великая война авиамоторов
Шрифт:
Итак, однозначно инновационными в этой новой волне развития авиационных технологий будут информационная и тактическая составляющие. А вот что касается двигателя, то здесь существуют три направления развития:
• традиционное с использованием уже существующих газотурбинных двигателей в размерности тяги 4000–5000 кг (поскольку беспилотники будут иметь энерговооруженность, т. е. отношение тяги силовой установки к весу самолета, такую же, как и существующие ныне штурмовики, т. е. около 0,5);
• применение пульсирующих детонационных двигателей, т. е. по сути, возврат к схеме ПуВРД, которую разрабатывал еще в 1930-1940-е гг. Шульц в Германии;
• использование инновационных энергетических источников: солнечных элементов и водорода, запасенного в углеродных нанотрубках.
Сегодня уже определились три основных типа беспилотников,
| Разведывательный | Ударный (Х47,Neuron, Taranis) | Высотный (Global Hawk) | |
| Тип старта | Воздушный | Взлетная полоса | Взлетная полоса |
| Масса БПЛА, т | 1…3 | 5…20 | 5…20 |
| Радиус действия, км | 500… 1000 | 1000..5000 | 36 часов |
| Потолок, м | 12.000 | 12.000 | 20.000 |
| Тяга двигателя на взлете, кг | 500… 1500 | 2.000.. 8.000 | 2.000…7.000 |
| Критерий качества силовой установки | Минимальная цена двигателя | Минимальный расход топлива | Максимальный полный кпд |
В настоящее время наиболее продвинутым БПЛА является американский «Глобал Хоук». Он активно применяется в качестве высотного разведчика и даже ударного самолета (Афганистан, Ирак). На сегодня это шедевр синтеза авиационной и информационной технологий. А вот двигатель на нем стоит хороший, но обычный АЕ 3007. Индекс АЕ означает «Allison Engines», т. е. по имени знаменитого еще до Второй мировой войны конструктора Аллисона. Но… к разработке этого двигателя фирма «Аллисон» отношения не имеет. Двигатель разработан на «Роллс-Ройсе», а уже потом передан на «Аллисон» в США для его производства. «Аллисон» является американским партнером «Роллс-Ройса» еще со времени освоения в США двигателя «Спей», получившем там индекс TF41.
Двигатель АЕ 3007 первоначально применялся на региональных пассажирских самолетах известных фирм: канадской «Бомбардье» и бразильской «Ембрайер». По своим характеристикам АЕ 3007 идеально подошел для беспилотника «Глобал Хоук» (тяга 4000 кг с малым расходом топлива), но никаких инноваций в нем нет. Это — всего лишь удачный двигатель, особенностью которого является «классическая» степень двухконтурности (около 5) при малых размерах (диаметр вентилятора всего 978 мм, как на двигателе Д-30 со степенью двухконтурности 1). Следствием этого является и малая размерность газогенератора (компрессор высокого давления, камера сгорания и турбина), хотя в конструкции это не нашло видимого отражения. Компрессор — традиционный, осевой, 14- ступенчатый. Турбина высокого давления — тоже (двухступенчатая). Главным качеством этого двигателя является его надежность, достигнутая в широкой эксплуатации на региональных самолетах. При применении его на военном самолете США сменили и индекс двигателя: он стал обозначаться как F-137.
Беспилотный многоцелевой самолет «Глобал Хоук». Фарнборо-2008.
Наиболее близким советским аналогом этого двигателя является Д-36 разработки Запорожского ОКБ. Этот трехвальный двигатель стоит на самолете Як-42, имеет тягу на земле 6500 кг и малый расход топлива благодаря степени двухконтурности 5,6. Правда, диаметр вентилятора у него, естественно, побольше (1373 мм).
Успех применения БПЛА «Глобал Хоук», как видно,
Начнем с легкого разведывательного (массой не более 3 тонн) самолета. Как мы видели из таблицы, главным критерием качества силовой установки такого БПЛА является ее минимальная стоимость. Обычные газотурбинные двигатели имеют ограничения по минимальному размеру, хотя и известен пример изготовления в лаборатории Массачусетского технологического института полноценного ГТД (с ротором и камерой сгорания по схеме Охайна) мощностью 50 ватт размером с монету с помощью технологии производства печатных плат (вытравливанием лопаток).
Итак, газотурбинный двигатель для данного типа самолета не является оптимальным хотя бы потому, что имеется другое решение. А именно, схема пульсирующе-детонирующего двигателя (ПДД или, в английской транскрипции, очевидно, PDE, где «Е» — «engine», т. е. двигатель). Если в поршневых двигателях от детонации топливо-воздушной смеси пытались уйти всеми способами, замедляя процесс горения разного рода присадками к топливу, то в ПДД наоборот, именно детонация (быстрое сгорание и вызванная этим ударная волна) позволяет реализовать эффективное преобразование химической энергии топлива в тепло, а затем и в работу расширения без применения клапанов. Но для этого нужна труба, открытая с одного конца, чтобы было, куда расширяться. Закрытый же (передний) конец трубы воспринимает повышенное в результате детонационного горения давление и тем самым передает получающееся усилие (тягу) на самолет. Заметим, что в поршневом двигателе объем является замкнутым (с помощью клапанов), и поэтому детонационное горение приводит к недопустимым нагрузкам. Процесс в ПДД организован следующим образом: свежая топливо-воздушная смесь поступает в трубу и поджигается. Благодаря высокой скорости горения происходит локальное сильное повышение температуры и давления (как при взрыве) — формируется фронт ударной волны, которая со сверхзвуковой скоростью распространяется вдоль трубы в обе стороны: ко входу и к выходу. Этот фронт имеет за собой высокую температуру и, проходя вдоль трубы, поджигает смесь. Этот же фронт выполняет и функцию клапана, блокируя конвекцию смеси до окончания горения. Из-за большой скорости перемещения фронта ударной волны процесс горения происходит «мгновенно»; фактически реализуется горение при постоянном объеме подобно поршневому двигателю. Далее поступает новая порция смеси, и процесс повторяется.
Конечно, простота эта во многом кажущаяся: в реальности существуют проблемы реализации этого идеального цикла. Но эти проблемы решаемы, а выгода применения такого типа двигателя в сравнении с газотурбинным очевидна. Кроме простоты схемы и большего на 30 % кпд, ПДД обладает еще одним преимуществом: он может работать в большом диапазоне скоростей полета (от М=0 до гиперзвуковых скоростей М=4–5). Тактическое применение разведывательных БПЛА с двигателем такой схемы предполагает быстрый выход в район цели с гиперзвуковой скоростью с дальнейшим выключением двигателя и нахождением над целью (например, полем боя) в режиме планирования. Возвращение БПЛА происходит в обратном порядке.
Есть, однако, у ПДЦ и неприятные особенности его работы: сильные вибрации и шум, обусловленные пульсирующим режимом его работы (частота пульсаций — циклов прохождения ударной волны — составляет обычно 100–150 герц). Эти вибрации, в частности, оказывают неблагоприятное воздействие и на аппаратуру наблюдения, смонтированную на БПЛА. Для уменьшения этого неблагоприятного фактора предусматриваются постановка демпферов и применение многотрубной конструкции подобно многоцилиндровому мотору. В этом случае процесс в детонационных трубах организуется со сдвигом по фазе (времени).