Kогда дело касается реактивных двигателей, гораздо эффективнее незначительно ускорить большое количество воздуха, чем придать большую скорость небольшому объему воздуха. Именно этот принцип скрывается в турбовентиляторных двигателях, и пока отрасль пытается снижать расход топлива и выбросы углекислого газа, вентиляторы будут становиться все больше для повышения степени двухконтурности силовых установок.
В этом и кроется проблема для конструкторов, когда они пытаются приспособить увеличивающиеся в размерах моторы к современным авиалайнерам. Если монтировать двигатели, как и сейчас, под крылом, то с увеличением диаметра вентилятора стойки шасси будут длиннее и тяжелее. Кроме того, возникают проблемы растущего аэродинамического сопротивления при увеличении размера мотогондолы и повышающегося шумового воздействия.
Есть признаки того, что конструкторы в процессе поиска новых конфигураций самолетов следующего поколения сходятся к нескольким вариантам интеграции двигателей с ультравысокой степенью двухконтурности (UHBR). Эти варианты варьируются от размещения двигателей над крылом для снижения шумового воздействия до их расположения в задней части фюзеляжа для снижения аэродинамического сопротивления.
Установка двигателей над крылом кажется неподходящим вариантом, поскольку мотогондола может пересекаться с воздушным потоком. Но компания Honda смогла адаптировать эту конфигурацию со своим бизнес-джетом HondaJet. Детальный компьютерный анализ, проведенный компанией Lockheed Martin для своего концепта транспортного самолета Hybrid Wing Body (HWB), показал, что расположение двигателя над задней кромкой крыла является оптимальным вариантом, более эффективным, чем расположение силовой установки под крылом или в задней части фюзеляжа, даже в случае с массивным редукторным турбовентиляторным двигателем UltraFan от Rolls-Royce.
Модель HWB была протестирована в трансзвуковой аэродинамической трубе в исследовательском центре NASA Langley Research Center в июле этого года в попытке подтвердить результаты компьютерного моделирования. Тем временем NASA заключило соглашение с немецким аэрокосмическим центром DLR для проведения высокоточных расчетов шумового воздействия на виртуальном самолете с расположением турбовентиляторных двигателей под и над крылом, используя набор данных, полученных DLR при изучении модели VFW 614, у которой двигатели были расположены над крылом.
Российский Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) недавно завершил испытания в аэродинамической трубе модели ближнемагистрального авиалайнера с турбовентиляторными двигателями большого диаметра, расположенными над задней кромкой крыла с уменьшенной стреловидностью для снижения аэродинамического сопротивления. Как отмечают в ЦАГИ, данная конфигурация снижает шумовое воздействие и массу шасси, а также повышает безопасность в целом, поскольку двигатели защищены от мусора на ВПП.
Французский аэрокосмический исследовательский центр Onera изучает новую экономичную конструкцию среднемагистрального авиалайнера следующего поколения в рамках большого проекта, финансируемого Национальным исследовательским агентством Франции и нацеленного на интеграцию двигателей UHBR. Проект NextGen Onera Versatile Aircraft (NOVA) должен завершиться испытаниями в аэродинамической трубе двух отобранных конфигураций в 2017 и 2018 г.
NOVA — это проект 180-местного самолета, предназначенного для замены Airbus A320. Один из концептов по-прежнему подразумевает размещение двигателей под крылом, но с увеличенным двугранным углом наподобие крыла чайки, что позволит разместить двигатели большого диаметра без увеличения высоты стоек шасси. Другая концепция предполагает размещение двигателей в хвостовой части самолета, где они будут всасывать воздух из низкоэнергетического течения в пограничном слое вокруг фюзеляжа, создавая поток для снижения аэродинамического сопротивления.
Для проекта NOVA были выбраны редукторные турбовентиляторные двигатели (GTF) со степенью двухконтурности 16, тогда как для двигателей Pratt Whitney PW1100G на самолетах A320NEO этот показатель равен 12. Предполагается, что такой самолет будет запущен в эксплуатацию не ранее 2025 г., поэтому Onera ограничила себя лишь двумя конфигурациями, но в то же время приготовила несколько инноваций, включая широкий фюзеляж с двумя проходами и таким же расположением кресел, как на самолетах Boeing 767 (2-3-2).
"Эллиптические секции фюзеляжа будут более тяжелыми, поскольку им придется выдерживать повышенные нагрузки, связанные с герметизацией салона, но более широкий фюзеляж станет на 14% короче по сравнению с узкофюзеляжными самолетами, так что проблемы будут не такими серьезными", — говорит инженер Людовик Виарт. Поскольку фюзеляж будет шире, Onera решила, что он должен вносить свой вклад в создание подъемной силы. В качестве ориентира инженеры использовали концепт D8, разрабатываемый для NASA Массачусетским технологическим институтом (MIT).
Onera выбрала крыло с высоким относительным удлинением (этот показатель равен 13) и более эффективными законцовками, направленными вниз. В конфигурации "чайка" поперечный угол V-образности внутренней секции крыла равен 12°, а внешней – 5°. Такая конструкция обеспечивает снижение высоты стоек шасси на 50 см и снижение массы на 250 кг. Более высокий угол V-образности внутренней секции крыла увеличивает его массу на 125 кг, но в целом отмечается снижение массы всей конструкции.
Другие особенности конфигурации по схеме "чайка" — V-образное хвостовое оперение для снижения массы и узкая мотогондола, нижняя кромка которой выдается вперед для снижения шума от двигателя. Onera рассматривает возможность использования регулируемого сечения входного сопла вентилятора двигателя GTF, чтобы немного изменить направление вектора тяги во время крейсерского полета, что позволило бы снизить дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое триммированием хвостового оперения при балансировке самолета. "Однако мы не уверены, что сможем снизить это сопротивление", — говорит Виарт.
Конфигурация с отсасыванием пограничного слоя (BLI) напоминает концепт D8 от MIT, но с привычным Т-образным хвостовым оперением. В рамках исследования NOVA эта концепция сравнивается с эталонной конфигурацией в стиле лайнеров MD-80, когда двигатели UHBR размещаются в задней части фюзеляжа. В концепте BLI 40% двигателей скрыто под корпусом кормовой части фюзеляжа. Силовые установки GTF обладают вентилятором такого же диаметра и такой же площадью сечения сопла, но сам воздухозаборник больше, что обеспечивает забор большего количества воздуха. Увеличена и мотогондола в целях необходимости размещения большого воздухозаборника.
Исследования конфигурации BLI продолжаются, их цель — определение аэродинамического сопротивления конструкции, веса и эффективности. Onera также изучает конструкцию вентилятора, который мог бы функционировать в потоке воздуха приграничного слоя. При традиционной конструкции мотогондолы особенности входящего потока не влияют на режим работы двигателя. Однако в двигателях UHBR степень сжатия вентилятора настолько мала, что внешние аэродинамические потоки могут повлиять на работу вентилятора.
NOVA — один из ярких примеров растущего интереса европейцев к концепции BLI. Еще один интересный проект — Propulsive Fuselage Concept (PFC), разрабатываемый германским исследовательским институтом Bauhaus Luftfahrt при финансовой поддержке Евросоюза. Работа над данным проектом, получившим название Dispursal, была завершена в январе этого года. В проекте участвовали компании Airbus Group Innovations, Onera и российский Центральный институт авиационного моторостроения (ЦИАМ). Необходимо отметить, что Airbus при этом является акционером института Bauhaus Luftfahrt.
Концепт PFC отличается наличием вентилятора диаметром 4 м в задней части фюзеляжа, а также воздухозаборником высотой 0,5 м, который производит забор воздуха вокруг всего корпуса фюзеляжа в приграничном слое. Вентилятор приводится в движение через редуктор турбовентиляторной установкой в хвосте самолета, которая также создает небольшую тягу. В сравнении с обычным узкофюзеляжным самолетом уровня 2035 г. специалисты Bauhaus ожидают, что расход топлива концепта PFC будет на 9,2% меньше при крейсерской скорости 0,80M и на 14,1% меньше при скорости 0,78M.
Недостатком является наличие третьего двигателя в хвосте машины, тогда как сам самолет разработан для традиционного размещения двух двигателей под крыльями воздушного судна. Такая компоновка приводит к увеличению максимальной взлетной массы ВС на 1,3%, в результате чего экономия топлива снижается на величину от 5,2 до 11,0%. Рассматриваемый гибридно-электрический вариант, заключающийся в приводе вентилятора от электроэнергии, вырабатываемой подкрыльевыми двигателями, также приводит к увеличению массы ВС.
Когда специалисты MIT провели испытания в аэродинамической трубе NASA вариантов с интегрированным двигателем и с силовой установкой, размещаемой в мотогондоле, они зафиксировали 7%-ное снижение потребляемой мощности вследствие забора воздуха из приграничного слоя. Но Аскин Изикверен, руководитель отдела по проектированию концептуальных ВС в институте Bauhaus, считает данные оценки слишком консервативными. Он отмечает, что в Европе есть довольно высокий интерес к дальнейшим испытаниям проекта BLI. Так, например, компания Airbus в рамках европейской программы Clean Sky 2 планирует провести летные испытания концепта BLI, который может иметь сходство с PFC.
В заключительном отчете Bauhaus рекомендует построить опытную модель для летных испытаний и предлагает два варианта. Первый — установить масштабную копию PFC (1:3) на региональный самолет Saab 340. У этой модели цилиндрический фюзеляж и низкорасположенное крыло, однако спутная струя от винтов двигателя может помешать работе силовой установки BLI. В качестве альтернативы можно использовать Dornier 328Jet с турбовентиляторными двигателями. Но в данном случае проблему могут вызвать исходящие от высокорасположенного крыла воздушные потоки.
С точки зрения моторостроительных компаний, поддерживающих многие исследования в данной области, тенденция к повышению степени двухконтурности двигателей приходит вместе с необходимостью более высокой интеграции систем в конструкции воздушного судна и силовых установок. "Дни, когда самолеты и двигатели оптимизировались отдельно друг от друга, сочтены", — говорит Алан Ньюби, главный инженер компании Rolls-Royce по программам и технологиям следующего поколения.
"Мы инвестируем большие средства в технологии следующего поколения и их демонстраторы. Мы также пытаемся заглянуть в будущее, чтобы найти какие-то необычные решения, способные встряхнуть рынок, концепции, способные направить нас по совершенно иному пути", — говорит он. Программа развития Rolls-Royce включает в себя проект UltraFan — редукторного турбовентиляторного двигателя большого класса со степенью двухконтурности 15+. Данная силовая установка в первую очередь предназначается для самолетов, которые будут запущены в эксплуатацию после 2025 г., и представляет собой один из двигателей большого диаметра, которые стимулируют изучение альтернативных конфигураций.
"Необходимо обратить более пристальное внимание на интеграцию двигателей, мотогондол и пилонов. Но мы не можем сделать это самостоятельно. Требуется уделять больше внимания вопросам интеграции силовых установок с самолетами, так что здесь мы должны сотрудничать с авиастроителями", — говорит Ньюби. Органы управления с электроприводом и системы также должны стать более интегрированными. "Таким образом, это не просто традиционные технологии, — отмечает он, — это интеграция систем, и такие вещи, как распределенная тяга, всерьез изучаются в рамках европейских исследовательских программ". В качестве примера можно привести вентилятор с изменяемым шагом лопастей. "Когда дело касается очень высокой степени двухконтурности, действенность вентилятора на разных режимах становится значительной проблемой, которую можно решать за счет регулируемого воздухозаборника. Но если у нас появится вентилятор с переменным шагом, можно отказаться и от регулируемого воздухозаборника, и от устройства реверса, а это позволит снизить вес и размеры мотогондолы", — говорит Ньюби.
Несмотря на увеличение размеров двигателей, требования к величине тяги становятся меньше, поскольку возрастает эффективность новых самолетов. Так, двигатели General Electric GE90 с тягой 51,1 т, устанавливаемые на самолетах Boeing 777-300ER, являются, скорее всего, самыми мощными на сегодняшний день в гражданской авиации. Но при этом моторы GE9X для самолетов Boeing 777X, обладающие большим диаметром, отличаются пониженной тягой.
Компания Rolls-Royce поддерживает исследования авиастроителей, направленные на разработку самолетов с высоким расположением крыла. Это решение обладает высоким значением относительного удлинения крыла при малом аэродинамическом сопротивлении и при этом облегчает процесс установки двигателей с высокой степенью двухконтурности.
Ньюби видит несколько шагов в будущее. Первый шаг — улучшение интеграции компонентов в двигателе — уже выполняется. Второй — интеграция силовой установки и непосредственно воздушного судна. И третий — гибридно-электрическая тяга. "До электрического самолета еще далеко, но гибридные решения могут стать обычной практикой, когда плотность заряда в батареях достигнет определенного уровня", — говорит Ньюби. В настоящее время специалисты Rolls-Royce набираются опыта по созданию электрических и гибридных систем.
