Плазменный мотор

Российские воздушно-космические силы в 2018 году приняли в опытно-боевую эксплуатацию перспективные истребители Су-57 пятого поколения, а до конца 2019 года планируется принять эти самолеты на вооружение. На первом этапе эти машины будут поступать в войска с «упрощенными» силовыми установками АЛ-41Ф1, похожими на те, что устанавливаются на истребители Су-35С четвертого поколения. С середины 2020-х годов Су-57 получат двигатели уже пятого поколения, больше известные сегодня под обозначением «Изделие 30». Чтобы разобраться в поколениях реактивных двигателей боевых самолетов, особенностях разработки новых силовых установок и перспективах двигателестроения, мы обратились за помощью к генеральному конструктору ОКБ имени А. Люльки и разработчику двигателя пятого поколения для Су-57 Евгению Марчукову.

Предварительная проработка проекта истребителя пятого поколения Су-57 велась с начала 2000-х годов. В 2005 году начался этап проектирования нового российского боевого самолета. Летные испытания проводятся с 2010 года. В целом, информация по проекту перспективного истребителя засекречена. Известно только, что новые самолеты смогут нести во внутренних отсеках вооружения ракеты и бомбы общей массой до 4,2 тонны. Кроме того, истребители будут оснащены восемью внешними точками подвески для авиационного вооружения.

Су-57 будет принят на вооружение в два этапа. На первом этапе в войска начнут поступать боевые самолеты с двигателями АЛ-41Ф1 («изделие 117») — похожие двигатели устанавливаются сегодня на истребители Су-35С. На втором этапе Су-57 получат двигатели уже пятого поколения, сегодня обозначаемые как «изделие 30».

Поколения и контуры

В реактивной авиации условно выделяют пять поколений турбореактивных двигателей. «Родовые» ветки этих силовых установок разделены на боевые и гражданские, и к ним предъявляются совершенно разные требования.

Например, гражданские двигатели должны иметь высокий ресурс и относительно небольшой расход топлива, а их техническое обслуживание не должно быть дорогостоящим, иначе они будут экономически невыгодными в эксплуатации. Значительная часть этих требований для военных авиационных двигателей может быть в той или иной степени принесена в жертву высоким характеристикам — большой скорости полета или наименьшему времени выхода на режим максимальной тяги.

Современные авиационные двигатели состоят из двух частей. Одна из них — внутренний контур, состоящий из газогенератора и сопловой части. В состав газогенератора входят компрессор высокого давления, 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 военного авиационного двигателя — внешний контур — представляет собой компрессор низкого давления, направляющий аппарат и воздуховод (во многих гражданских двигателях компрессор низкого давления в состав внешнего контура не входит). Во время полета часть немного сжатого вентилятором и компрессором 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 бóльшая часть проходящего через двигатель воздушного потока проходит через внутренний контур. Это позволяет несколько повысить «отзывчивость» двигателя на управление и уменьшить его поперечные размеры, благодаря чему силовая установка способна обеспечивать сверхзвуковую скорость полета.

Совокупность удельных параметров

«Разница между двигателями разных поколений проявляется, прежде всего, в их удельных параметрах. Основных параметров несколько: это удельный вес, удельная тяга и удельный расход топлива на килограмм тяги в час. Смена поколений происходит при одновременном улучшении всех этих характеристик. „Изделие 30“ в этом плане можно даже отнести к поколению „5+“, так как этот двигатель создан с учетом отечественного и зарубежного опыта в разработке и эксплуатации двигателей пятого поколения. В СССР, а затем в России таким двигателем было „Изделие 20“. Его планировали установить на разрабатывавшийся корпорацией „МиГ“ истребитель Миг-1.44 МФИ. Затем появилось „Изделие 30“», — рассказал N + 1 Марчуков.

Удельным весом в авиации принято называть отношение массы двигателя к его полной тяге. Для перспективного «Изделия 30» этот показатель составляет менее 0,1, то есть двигатель способен выдавать более чем в 10 раз больше тяги, чем весит сам. Удельной же тягой называется отношение полной тяги к расходу воздуха двигателем.

В двигателе второго этапа для Су-57 разработчики применили ряд новых конструкторских подходов и технологий, благодаря чему «Изделие 30» по удельному расходу топлива примерно соответствует двухконтурному двигателю АЛ-31Ф (670 граммов на килограмм-силы в час в крейсерском режиме), однако превосходит его по показателю удельной тяги. АЛ-31Ф и его варианты являются одними из самых экономичных двигателей для боевых самолетов в мире; такие двигатели ставятся на истребители Су-27, Су-30 и Су-34, а также на китайский истребитель пятого поколения J-20.

Удельный расход топлива в значительной степени влияет на боевые возможности самолета. При равной боевой нагрузке низкий расход дает больший боевой радиус (расстояние, которое самолет может пролететь от точки старта до цели и обратно, включая время, необходимое на выполнение боевой задачи) или бóльшую боевую нагрузку при сохранении боевого радиуса. При сохранении же неизменными радиуса и боевой нагрузки самолету потребуется взять на борт меньше топлива, что сделает массу летательного аппарата меньше и заметно повысит его летные характеристики.

Например, во время Корейской войны 1950-1953 годов в затяжных воздушных боях американские истребители F-86 Sabre и советские МиГ-15 становились более верткими и быстрыми по мере расходования топлива, и с каждой минутой бой становился все более динамичным.

«Удельный расход топлива оппонирует с удельной тягой. Самый лучший расход топлива получается на гражданских двухконтурных двигателях, но у них меньше всего удельная тяга за счет высокой степени двухконтурности. У одноконтурных двигателей — наоборот, удельная тяга высока, но и расход высокий. За счет применения новых конструкций и технологий в «Изделии 30» удельный расход остался на прежнем уровне, но удельная тяга увеличилась», — рассказал Марчуков.

«Изделие 30»

Двигатель поколения «4+» АЛ-41Ф1, пока что устанавливаемый на истребители Су-57, конструктивно похож на АЛ-31Ф и АЛ-41Ф1С, но имеет несколько серьезных отличий. В частности, силовая установка оснащена плазменной системой зажигания и управлением вектором тяги в вертикальной плоскости. По словам Марчукова, система плазменного зажигания встроена в сами топливные форсунки двигателя, благодаря чему зажигание плазменной дуги происходит одновременно с подачей керосина. Помимо прочего, такое техническое решение позволяет избегать факеления, выброса огненного столба из двигателя из-за переизбытка топлива в камере сгорания при запуске.

Российский двигатель пятого поколения получил и электронно-цифровую систему управления с полной ответственностью. Такая система дает возможность устанавливать произвольные законы регулирования двигателя и гибко адаптировать их под различные условия. Это значительно ускоряет время настройки и повышает надежность системы, позволяет быстро вводить изменения. В старых системах управления любое изменение было очень нетривиальной задачей.

Если говорить в общем, то электронно-цифровая система позволяет еще больше упростить управление самолетом благодаря тому, что она полностью отвечает за регулирование впрыска топлива, подачу воздуха, зажигание и управление некоторыми другими параметрами работы силовой установки. Благодаря этому от летчика требуется только отдавать управляющие указания.

Двигатель пятого поколения «Изделие 30» будет отличаться от АЛ-41Ф1 повышенной топливной эффективностью и меньшей стоимостью жизненного цикла.

«По сравнению с двигателями четвертого поколения в пятом добавилась возможность крейсерского сверхзвукового движения — для этого двигатель должен обладать изменяемой степенью двухконтурности. Это требование добавило еще один удельный параметр — удельный расход топлива на крейсерском сверхзвуке. Также у двигателя должна быть значительно меньшая заметность в инфракрасном и радиоволновом диапазоне. Это достигается специальной конструкцией сопла и воздухозаборника. Серьезным аспектом нового двигателя является также снижение стоимости жизненного цикла машины — меньше расхода на обслуживание, больше межремонтный ресурс», — рассказал о новых силовых установках Марчуков.

Сопла и лопатки

Для нового двигателя, который будет устанавливаться на истребители Су-57 с середины 2020-х годов, сегодня разрабатывается плоское сопло. Обычно такой аппарат представляет собой две подвижные пластины, установленные на S-образном канале на выходе реактивного двигателя. В частности, так сделано на американском истребителе F-22 Raptor пятого поколения.

Такое сопло, вместе с S-образным каналом скрывающее раскаленные лопатки турбины двигателя, позволяет снизить инфракрасную заметность боевого самолета для систем наблюдения, в том числе и инфракрасных поисково-следящих систем. Однако это же техническое решение вводит дополнительное сопротивление для истекающих газов, из-за чего характеристики двигателя ухудшаются в среднем на 2-3 процента.

Будет ли плоское сопло входить в состав двигательной установки с «Изделием 30» в основе, пока неизвестно. Сегодня этот двигатель испытывают с обычным соплом.

В 2013 году разработчики показали лопатки компрессора высокого давления для двигателя второго этапа, предназначенного к установке на Су-57. Они были изготовлены из алюминида титана — сплава титана и алюминия. В СМИ появлялась информация и о том, что этот же сплав может быть использован для изготовления лопаток турбины низкого давления «Изделия 30». Но позднее все эти работы были приостановлены. По словам Марчукова, алюминид титана не подходит для военного двигателя.

«Лопатки из алюминида титана используются в самых последних ступенях турбины низкого давления на гражданских самолетах, где температура газов относительно низка. Это дает значительную экономию по массе, так как в гражданских двигателях турбины многоступенчатые. В военном двигателе температура газов даже перед турбиной низкого давления значительно выше, и алюминид титана в этих условиях просто неприменим», — пояснил генеральный конструктор ОКБ имени А. Люльки.

«Интерметаллиды вроде алюминида титана не подходят и для лопаток компрессора. Этот материал хрупок, и любая забоина на лопатке чревата ее разрушением. Да и экономия по весу для компрессора получается незначительной», — добавил Марчуков.

В целом же разработка «Изделия 30» ведется с применением технологий компьютерного моделирования и симуляций. Благодаря этому полную программу испытаний двигателя планируется завершить с помощью всего десяти опытных образцов.

«У конструктора двигателей Архипа Люльки на столе была огромная логарифмическая линейка, с помощью которой он проводил и проверял расчеты. Но руками все рассчитать невозможно, нужно множество испытаний. И при создании двигателя АЛ-31 было сделано 68 опытных изделий перед тем, как он окончательно обрел свою форму», — рассказывает Марчуков.

Плюс контур, плюс поколение

Параллельно с разработкой двигателя второго этапа для Су-57 конструкторы уже создают и научно-технический задел для двигателей шестого поколения. В первую очередь исследования направлены на улучшение удельных характеристик силовой установки по сравнению с двигателями пятого поколения.

По словам Марчукова, такой проект предусматривает добавление в конструкцию силовой установки третьего внешнего воздушного контура. Благодаря этому можно добиться низкого удельного расхода топлива на крейсерском сверхзвуковом режиме.

Над созданием трехконтурного двигателя работают и в США, в частности, на заводах компании GE Aviation. Американские военные называют свой двигатель адаптивным, поскольку он способен адаптировать некоторые удельные характеристики под текущие параметры полета.

При полете на дозвуковой скорости третий воздушный контур будет открыт. Благодаря этому воздушный поток от вентилятора будет проходить через второй и третий контуры и двигатель будет работать практически как турбовентиляторная силовая установка с большой степенью двухконтурности. В таком режиме силовая установка будет иметь несколько бóльшую тягу и существенно меньшее потребление топлива.

При сверхзвуковом же полете третий контур будет перекрываться полностью, а второй частично, благодаря чему двигатель будет работать уже как силовая установка с низкой степенью двухконтурности.

«Во всем двигателе и во всех его узлах сконцентрированы высокие технологии, множество расчетов и сложностей. Они проявляются по-разному. Например, компрессор двигателя является очень сложной конструкцией с точки зрения аэродинамики, но он относительно прост в используемых материалах и технологиях, так как там нет высоких температур. Турбина, напротив, с аэродинамической точки зрения проста, но лопатки турбины испытывают огромные температурные и механические нагрузки, что требует использования сложных материалов, систем охлаждения и длительных испытаний. Современные двигатели для боевых самолетов могут разрабатывать лишь несколько стран, и конструкторская мысль в них развивается схожим образом», — отметил Марчуков.

Сергей Иванов