Адаптивный двигатель что это
Началась сборка первых адаптивных реактивных двигателей
Рендер адаптивного двигателя XA100
Американские компании General Electric и Pratt & Whitney приступили к сборке первых опытных образцов адаптивных турбореактивных авиационных двигателей, которые в будущем будут устанавливаться на самые разные классы летательных аппаратов: транспортные самолеты, истребители, самолеты-заправщики, бомбардировщики. Как пишет Aviation Week, обе силовые установки создаются в габаритных размерах турбореактивного двигателя с форсажной камерой F135, силовой установки истребителя F-35 Lightning II.
Современные турбореактивные двигатели состоят из двух частей. Одна из них — внутренний контур, состоящий из газогенератора и сопловой части. В состав газогенератора входят компрессоры, камера сгорания и турбина высокого давления. В полете воздух затягивается и немного сжимается вентилятором — самым большим и самым первым винтом по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом.
После сгорания топливной смеси газы из камеры сгорания попадают на турбину высокого давления и вращают ее, а та, в свою очередь, приводит в движение компрессор. После турбины высокого давления газы попадают на турбину низкого давления, приводящую вентилятор. После турбин газовый поток попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть двигателя — внешний контур — представляет собой направляющий аппарат, воздуховод и, в некоторых случаях, собственное кольцевое сопло.
Во время полета часть немного сжатого вентилятором воздуха, не попавшая во внутренний контур, попадает в направляющий аппарат, где тормозится. Из-за торможения давление в воздушном потоке повышается. После этого сжатый воздух поступает в воздуховод, а затем — в сопло и формирует остаток тяги. В современных турбовентиляторных двигателях гражданских самолетов основная часть тяги — до 80 процентов — формируется вентилятором.
В двигателях истребителей большая часть проходящего через двигатель воздушного потока проходит через внутренний контур. Такое решение позволяет несколько повысить «отзывчивость» двигателя на управление, а также уменьшить его поперечные размеры, благодаря чему силовая установка способна обеспечивать сверхзвуковую скорость полета.
В двигателях с форсажной камерой присутствует дополнительная зона, расположенная за турбинами и перед соплом. В полете в эту камеру впрыскивается дополнительное топливо, которое самовоспламеняется от раскаленных отработавших газов, все еще имеющих высокое содержание кислорода. Последний и выступает окислителем для топлива в форсажной камере. Такое конструктивное решение позволяет существенно повысить тягу двигателя, но приводит к быстрому расходу топлива.
Проект адаптивного турбореактивного двигателя предусматривает добавление в конструкцию силовой установки третьего внешнего воздушного контура. При полете на дозвуковой скорости третий воздушный контур будет открыт, и двигатель будет работать практически как турбовентиляторная силовая установка с большой степенью двухконтурности. В таком режиме силовая установка будет иметь несколько бо́льшую тягу и существенно меньшее потребление топлива.
По предварительной оценке разработчиков, топливная экономичность адаптивного двигателя по сравнению с F135 будет выше на 25 процентов, диапазон рабочих режимов — на 30 процентов, а тяга — на 5-10 процентов.
Двигатели, сборкой которых занялись компании General Electric и Pratt & Whitney получили обозначение XA100 и XA101. Первые опытные образцы этих силовых установок смогут развивать тягу до 200 килоньютонов. Для сравнения, максимальная тяга двигателя F135 составляет 125 килоньютонов и 191 килоньютон в режиме форсажа. Процесс сборки и испытания отдельных узлов перспективных двигателей должен завершиться в конце 2019 года, а с 2020 года разработчики приступят к испытаниям силовых установок в сборе.
В конце 2015 года американская компания Northrop Grumman приступила к исследованиям, которые в перспективе позволят значительно снизить температуру боевых лазеров и их систем энергоснабжения, а также бортового оборудования и обычного вооружения перспективных боевых самолетов. В качестве одного из вариантов исследователи рассматривают возможность создания теплового аккумулятора. Тепло от боевых лазеров и систем подачи энергии будет накапливаться в нем, а при достижении полной емкости аккумулятора оно будет отводиться от него в рассеивающий контур.
Рассеивающий контур, помимо прочего, будет включать в себя теплоотводящие элементы в третьем контуре адаптивного двигателя, через который будет проходить воздух во время полета. По предварительной оценке, многоступенчатая система отвода тепла позволит добиться по меньшей мере неувеличения тепловой заметности боевого самолета при использовании большого количества систем — источников тепла.
Адаптивные двигатели. Где Россия?
Американский истребитель F-35 первым получит адаптивный двигатель нового поколения. Обновление позволит самолету составить конкуренцию российскому Су-57.
Компания из США GE Aviation закончила техническое проектирование адаптивного турбореактивного двигателя нового поколения ХА100. Инженеры вели работы около двух лет при участии специалистов ВВС США. В скором времени будет собрана и испытана полноразмерная авиационная силовая установка, сообщает информационный портал Defense-aerospace.
Сборка отдельных узлов ХА100 ведется с сентября 2018 года. Испытания агрегатов должны завершиться до конца 2019 года. Тестирование полностью собранного двигателя запланировано на 2020 год. Техническое проектирование – один из важнейших этапов конструирования техники, так как он предполагает создание документации на изделие и окончательное формирование списка используемых конструкторских решений. На основании техдокументов строят готовые изделия и проводят испытания.
Новый адаптивный турбореактивный двигатель, устанавливаемый на боевые самолеты, будет значительно отличаться от своих предшественников за счет трехконтурной конструкции: один внутренний контур с газогенератором и сопловой частью, а также два внешних.
На дозвуковой скорости третий воздушный контур будет открыт, а двигатель будет работать как турбовентилятор с большей степенью двухконтурности. В этом режиме силовая установка обеспечит самолету увеличенную тягу и меньший расход топлива. На сверхзвуке третий контур полностью закроется, а объем воздуха, проходящего через второй контур, будет немного уменьшаться.
По словам разработчиков, новое адаптивное «турбосердце» увеличит самолетам экономию топлива на 25%, диапазон рабочих режимов на 30%, а тягу на 10%.
Информационный портал Nplus1 дополнительно сообщает, что помимо GE Aviation конструированием адаптивного двигателя занимается компания Pratt & Whitney. Ее силовая установка получила обозначение XA101. Первые образцы новых силовых установок смогут развивать тягу до 200 килоньютонов. Прирост в мощности очень значителен, особенно с учетом тяги двигателя F135 истребителя F-35 Lightning II в 125 килоньютонов в безфорсажном режиме.
Перспективные адаптивные двигатели разрабатываются для замены обычных силовых установок самых разных классов летательных аппаратов: истребителей, заправщиков, бомбардировщиков. Первыми адаптивные «турбосердца» получат F-35.
Отметим, тяга двигателя также влияет на скороподъемность, общую скорость самолета и его маневренность. Модернизация F-35 позволит истребителю конкурировать c Су-57, так как новая силовая установка минимизирует главные недостатки самолета: низкую маневренность и скорость.
Отсчет времени для Су-57? Итак, уже скоро американский истребитель F-35 получит адаптивный двигатель нового поколения. Обновление позволит самолету составить конкуренцию российскому Су-57. Тяга двигателя также влияет на скороподъемность, общую скорость самолета и его маневренность. По словам разработчиков, новое адаптивное «турбосердце» увеличит истребителю экономию топлива на 25%, диапазон рабочих режимов на 30%, а тягу на 10%. В отличие от традиционных двигателей с фиксированным воздушным потоком, двигатель GE ACE является двигателем с переменным циклом, который автоматически переключается между режимом высокой тяги, достигая максимальной мощности и режимом высокой эффективности для оптимальной экономии топлива. А это означает совершенно новый этап оперативных возможностей для ВВС США.
«Изделие 30» для Су-57
Один из самых сложных и перспективных проектов в российском двигателестроении – разработка двигателя «второго этапа» для истребителя пятого поколения Су-57. Силовая установка, которая должна после 2020 года заменить АЛ-41Ф1 (двигатель, очень близкий к АЛ-41Ф1С, который устанавливается на серийные Су-35С), пока разрабатывается под временным названием «изделие 30». По доступной информации, разработку ведет ОКБ им. Люльки – московский филиал ПАО «ОДК-УМПО» («Уфимское моторостроительное производственное объединение»).
Из информации, в течение последних лет появляющейся в СМИ, известно, что двигатель, как и АЛ-41Ф1, имеет управляемый вектор тяги, а тяга на форсаже достигает 17 000 – 18 000 кгс, против 15 000 кгс у АЛ-41Ф1. В целом характеристики двигателя должны превосходить таковые у АЛ-41Ф1 на 20–25%, кроме того, можно предположить, что будет проделана работа и по снижению заметности в радиолокационном и инфракрасном спектрах [1]. Сочетание этих факторов должно позволить Су-57 достичь требуемых критериев истребителя пятого поколения.
Перспективная задача создания гиперзвуковых и атмосферно-космических самолетов требует разработки соответствующих двигателей. На гиперзвуковых скоростях использование традиционного ТРД/ТРДД невозможно, при этом применение исключительно прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПРВД) также не представляется возможным – он неэффективен на дозвуковых и низких сверхзвуковых скоростях. В связи с этим целесообразна разработка комбинированных двигателей – «турбопрямоточных» или же «турборакетных». Опыт создания и реального применения «турбопрямоточных» двигателей имеется в США – пара Pratt & Whitney J58 позволяла самолету-разведчику SR-71 разгоняться до скорости 3,2 М.
Сейчас в США на ранних стадиях ведутся работы по созданию как гражданских [15], так и военных гиперзвуковых самолетов. Как Boeing, так и Lockheed Martin стремятся создать гиперзвуковой самолет-разведчик, фактически «наследника» SR-71. В рамках программы DARPA Advanced Full Range Engine (AFRE) [16] идут работы по созданию комбинированного двигателя, включающего в себя два компонента – ТРД и двухрежимный ПРВД, со сжиганием топлива в дозвуковом воздушном потоке и со сжиганием топлива в сверхзвуковом воздушном потоке. На скорости, достаточной для запуска ПРВД, воздушный поток полностью перенаправляется во внешний контур, минуя газогенератор (турбина полностью отключается) и напрямую попадая в камеру сгорания ПРВД, расположенную за турбиной (вероятно, в форсажной камере). В англоязычной литературе такой двигатель получил название turbine-based combined cycle (TBCC). Работу ведут Boeing в сотрудничестве с Orbital ATK (ныне является частью Northrop Grumman) c 2016 года [17] и Lockheed Martin (отдел Skunk Works) с Aerojet Rocketdyne с 2009 года [18], [19].
Еще один перспективный тип комбинированного двигателя – это «турборакетный» двигатель. Такой двигатель, в отличие от «турбопрямоточного», может работать как в атмосфере, так и в безвоздушном пространстве. Наиболее интересным проектом в этой области является британский двигатель SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine), разрабатываемый частной компаний Reaction Engines Limited [20]. Фактически в нем сочетаются три компонента – ТРД, ПВРД и ракетный двигатель.
Механизм работы двигателя достаточно сложный: воздух после попадания в воздухозаборник моментально охлаждается до –140 °С (примерно с 1000 °С) в теплообменнике. Происходит это за счет опосредованной передачи тепла от жидкого водорода (является топливом SABRE) через гелий, который находится в промежуточной петле. Нагревшийся гелий в дальнейшем применяется для обеспечения работы турбины компрессора, а водород сжигается как в камерах сгорания (всего их четыре), так и в дополнительных прямоточных камерах сгорания (на охлаждение гелия требуется больше водорода, чем для сжигания в основных камерах сгорания), расположенных кольцеобразно вокруг основных. На высоте 28,5 км и скорости 5,14 M двигатель переходит в ракетный режим – воздухозаборник закрывается, а в камеру сгорания начинает поступать жидкий кислород. За счет этого должен обеспечиваться вывод на орбиту одноступенчатого космического аппарата SKYLON [21].
Первые стендовые испытания двигателя планируется провести в 2020 году [22]. На раннем этапе подобные работы проходят и в России – в филиале Военной академии РВСН имени Петра Великого (Серпухов) ведутся работы над двигателем для перспективного воздушно-космического самолета [23].
Трёхконтурный адаптивный. Завершены испытания нового авиадвигателя
Испытания первого прототипа перспективного адаптивного авиационного реактивного двигателя XA100 завершены. Мотор разрабатывается по заказу ВВС США компанией GE Aviation с 2007 года.
Адаптивный двигатель XA100 получил три контура: внутренний, состоящий из газогенератора и сопловой части, и два внешних. При полете на дозвуковой скорости третий воздушный контур будет открыт, и двигатель станет работать практически как турбовентиляторная силовая установка с большой степенью двухконтурности. В таком режиме силовая установка получит большую тягу, при этом потребление топлива уменьшится. При полете на сверхзвуковой скорости третий контур будет закрываться полностью, при этом объем воздуха, проходящего через второй контур уменшится.
Известно, что в дополнение к адаптивному обводному воздушному потоку, в конструкции XA100 используются керамические матричные композиты (CMC) во вращающихся лопастях турбины высокого давления и полимерные матричные композиты позволяет GE использовать более высокие температуры или снижать охлаждающие нагрузки в конструкции двигателя.
Как пишет Flightglobal, стендовые испытания силовой установки проводились с декабря 2020 года. В ходе тестирования силовая установка показала характеристики, которые соответствуют математическим прогнозам, которые были получены еще на этапе проектирования.
Адаптивный двигатель в первую очередь планируется использовать на истребителе F-35 Lightning II. ВВС США заинтересованы в переоснащении стелс-истребителя. Якобы, необходимо увеличить дальность полета самолета, нынешних 2200 км будет недостаточно, если истребителю потребуется атаковать цели в Китае. Сейчас на истребитель устанавливают газотурбинный двигатель Pratt & Whitney F135.
Визуализация трех контуров адаптивного двигателя XA100
Ожидают, что на 50% увеличится продолжительность полета F-35, если заменят стандартную силовой установки F135 на новый XA100, дальность полета — на 35%, а тяга— на 10%. При этом расход топлива в полете уменьшится на 25%.
Подробности о стендовых испытаниях силовой установки GE Aviation не раскрывает. В настоящее время компания занимается сборкой второго прототипа двигателя, проверки которого начнутся ближе к концу 2021 года.
В отличие от традиционных двигателей с фиксированным воздушным потоком, двигатель GE ACE является двигателем с переменным циклом, который автоматически переключается между режимом высокой тяги, достигая максимальной мощности и режимом высокой эффективности для оптимальной экономии топлива.
Помимо GE Aviation разработкой адаптивного двигателя занимается американская компания Pratt & Whitney. Ее силовая установка получила обозначение XA101.
Первые образцы двигателей XA100 и XA101 смогут развивать тягу до 200кН. Для сравнения, максимальная тяга двигателя F135 истребителя F-35 составляет 125 кН и 191 килон кН ьютон в режиме форсажа.
Немного теории
Современные турбореактивные двигатели состоят из двух частей. Одна из них — внутренний контур, состоящий из газогенератора и сопловой части. В состав газогенератора входят компрессоры, камера сгорания и турбина высокого давления. В полете воздух затягивается и немного сжимается вентилятором — самым большим и самым первым винтом по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом.
После сгорания топливной смеси газы из камеры сгорания попадают на турбину высокого давления и вращают ее, а та, в свою очередь, приводит в движение компрессор. После турбины высокого давления газы попадают на турбину низкого давления, приводящую вентилятор. После турбин газовый поток попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя. Вторая часть двигателя — внешний контур — представляет собой направляющий аппарат, воздуховод и, в некоторых случаях, собственное кольцевое сопло.
Во время полета часть немного сжатого вентилятором воздуха, не попавшая во внутренний контур, попадает в направляющий аппарат, где тормозится. Из-за торможения давление в воздушном потоке повышается. После этого сжатый воздух поступает в воздуховод, а затем — в сопло и формирует остаток тяги. В современных турбовентиляторных двигателях гражданских самолетов основная часть тяги — до 80 процентов — формируется вентилятором.
В двигателях истребителей большая часть проходящего через двигатель воздушного потока проходит через внутренний контур. Такое решение позволяет несколько повысить «отзывчивость» двигателя на управление, а также уменьшить его поперечные размеры, благодаря чему силовая установка способна обеспечивать сверхзвуковую скорость полета.
В двигателях с форсажной камерой присутствует дополнительная зона, расположенная за турбинами и перед соплом. В полете в эту камеру впрыскивается дополнительное топливо, которое самовоспламеняется от раскаленных отработавших газов, все еще имеющих высокое содержание кислорода. Последний и выступает окислителем для топлива в форсажной камере. Такое конструктивное решение позволяет существенно повысить тягу двигателя, но приводит к быстрому расходу топлива.
Адаптивные двигатели не подойдут американским истребителям
Визуализация трех контуров адаптивного двигателя XA100
Руководитель программы ВВС США по истребителям и перспективным летательным аппаратам Дейл Уайт заявил, что двигатели проекта AETP не подойдут существующим американским истребителям. Как сообщает Air Force magazine, они слишком отличаются от тех, что уже используются на самолетах.
Проект Adaptive Engine Transition Program (AETP) стартовал в 2016 году. В нем участвуют две американские компании — GE Aviation и Pratt & Whitney. Они создают реактивные двигатели с тягой не менее 200 килоньютон и экономичным крейсерским режимом.
Разработка GE Aviation называется XA100. Компания завершила техническое проектирование двигателя в 2019 году и уже испытала его первый прототип. XA100 получил три контура: внутренний, состоящий из газогенератора и сопловой части, и два внешних. В конструкции двигателя используются керамические матричные композиты, полимерные матричные композиты и детали, произведенные с применением аддитивных технологий.
В первую очередь адаптивный двигатель планировалось использовать на F-35. Предполагалось, что он позволит увеличить продолжительность полета истребителя на 50 процентов, дальность — на 35 процентов, тягу — на 10 процентов, при этом уменьшив расход топлива на 25 процентов.
Pratt & Whitney тоже создает адаптивный двигатель XA101. Он тоже разрабатывается в габаритных размерах турбореактивного двигателя F135 и тоже трехконтурный. К сборке первого прототипа XA101 компания приступила в 2018 году.
Руководитель программы ВВС США по истребителям и перспективным летательным аппаратам Дейл Уайт 12 августа заявил, что технологии в проекте AETP «действительно перспективные» и не подойдут уже существующим истребителям. Уайт отметил, что адаптивные двигатели очень отличаются от тех, что используются сегодня. По его словам, они, вероятнее всего, найдут применение в программе по созданию истребителя нового поколения.
Это значит, что F-35, скорее всего, не получат двигатели проекта AETP. Тем не менее их силовые установки могут модернизировать. Ранее мы писали, что около 15 процентов всех F-35 ВВС США столкнулись с быстрым изнашиванием теплозащитного покрытия лопаток ротора турбины и ожидают ремонта.
F-35 «догоняет» Су-57? Новый адаптивный двигатель для американского истребителя
Модернизация истребителя F-35 позволит ему конкурировать c российским Су-57. Новая силовая установка минимизирует главные недостатки самолета: низкую маневренность и скорость.
Двигатель разрабатывается в рамках программ Министерства обороны США по адаптивным технологиям универсального двигателя (ADVENT) и разработке технологии адаптивного двигателя (AETD).
ВВС США и ВМС США занимаются адаптивными технологиями двигателей с момента запуска в 2007 году программы Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT). Последующая программа демонстрации технологий адаптивных двигателей (AETD) началась в 2012 году. Четыре года спустя компании General Electric Aviation и Pratt& Whitney начали работать над созданием нового адаптивного двигателя.
«F-35 обеспечит революционные возможности для США и их союзников на десятилетия вперед»
(Майкл Рейн, представитель Lockheed Martin).
Начало
В июле 2018 года стала известно, что компания GE Aviation начинает разработку адаптивной замены двигателя для парка F-35 и последующей серией двигателей, который заменит Lockheed F-22.
Компания Pratt & Whitney, поставщик силовых установок для F-35 и F-22, также получила контракт на разработку конкурирующей конструкции двигателя для будущего самолета с превосходством в воздухе.
Сборка отдельных узлов ХА100 ведется с сентября 2018 года. Испытания агрегатов должны завершиться до конца 2019 года. Тестирование полностью собранного двигателя запланировано на 2020 год.
Цель программы
Программа перехода на адаптивный двигатель (Adaptive Engine Transition Programme (AETP)) была начата в 2016 году, как попытка разработать и испытать адаптивные двигатели для истребителей шестого поколения, с возможностью переоборудования F-35 на более мощную и экономичную альтернативу.
Целью программы была реализация технологии адаптивного движка. На выходе должен быть двигатель, который может изменять объем воздушного потока, удельный расход топлива уменьшится на 25%, увеличив дальность полета и снизив требования к дозаправке в воздухе.
В отличие от традиционных двигателей с фиксированным воздушным потоком, двигатель GE ACE является двигателем с переменным циклом, который автоматически переключается между режимом высокой тяги, достигая максимальной мощности и режимом высокой эффективности для оптимальной экономии топлива. А это означает совершенно новый этап оперативных возможностей для ВВС США.
Новый адаптивный турбореактивный двигатель, устанавливаемый на боевые самолеты, будет значительно отличаться от своих предшественников за счет трехконтурной конструкции: один внутренний контур с газогенератором и сопловой частью, а также два внешних.
Что известно
На дозвуковой скорости третий воздушный контур будет открыт, а двигатель будет работать как турбовентилятор с большей степенью двухконтурности. В этом режиме силовая установка обеспечит самолету увеличенную тягу и меньший расход топлива. На сверхзвуке третий контур полностью закроется, а объем воздуха, проходящего через второй контур, будет немного уменьшаться. По словам разработчиков, новое адаптивное «турбосердце» увеличит экономию топлива на 25%, диапазон рабочих режимов на 30%, а тягу на 10%.
Известно, что в дополнение к адаптивному обводному воздушному потоку, XA100 будет иметь керамические матричные композиты (CMC) во вращающихся лопастях турбины высокого давления, что позволяет GE использовать более высокие температуры или снижать охлаждающие нагрузки в конструкции двигателя.
Силовая установка Pratt & Whitney получила обозначение XA101. Первые образцы новых силовых установок смогут развивать тягу до 200 кН. Прирост в мощности очень значителен, особенно с учетом тяги двигателя F135 истребителя F-35 Lightning II в 125 кН в безфорсажном режиме.
Отсчет времени для Су-57?
Итак, уже скоро американский истребитель F-35 получит адаптивный двигатель нового поколения. Обновление позволит самолету составить конкуренцию российскому Су-57. Тяга двигателя также влияет на скороподъемность, общую скорость самолета и его маневренность.
По словам разработчиков, новое адаптивное «турбосердце» увеличит истребителю экономию топлива на 25%,
диапазон рабочих режимов на 30%, а тягу на 10%.
В отличие от традиционных двигателей с фиксированным воздушным потоком, двигатель GE ACE является двигателем с переменным циклом, который автоматически переключается между режимом высокой тяги, достигая максимальной мощности и режимом высокой эффективности для оптимальной экономии топлива. А это означает совершенно новый этап оперативных возможностей для ВВС США.