Валерий Августинович - Битва за скорость. Великая война авиамоторов
Сегодня наиболее продвинутыми программами разработки беспилотных «ударников» являются американская разработка фирмы «Боинг» ХВ-45 (индекс X, как это принято в США, означает «экспериментальный»), европейская (на базе французской разработки известной самолетной фирмы «Дассо») nEUROn и чисто английская Taranis. Все эти проекты беспилотных «ударников» выполняются по технологии «stealth», т. е. обеспечивающей малую заметность в радио- и инфракрасном диапазонах излучения. Плюс малые размеры благодаря отсутствию пилота и связанных с ним систем жизнеобеспечения, включая кабину. Беспилотник, выполненный по схеме «летающее крыло», не имеет выступающих частей: воздухозаборника, хвостовых стабилизаторов, выступающих сопл двигателя. Плоский, он скользит в воздухе, невидимый и неслышимый, как тень. Технология невидимости «стелс» позволяет самолету безопасно иметь дозвуковую скорость полета, необходимую, в свою очередь, для экономичного длительного (по 12 часов) полета и, соответственно, большую дальность. Взлетный вес такого самолета составляет около 8 тонн. Парадокс, но в начале XXI века мы пришли к размерности тяжелого (для того времени) боевого самолета времен Второй мировой войны. И вместе с тем какая огромная разница в облике, технологиях и тактике применения между тогдашними Пе-2 или Ме-110 и нынешними ХВ-45 или «Таранисом»!
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, или БПЛА. Это — разведывательные, ударные и высотные беспилотные летательные аппараты. В зависимости от целей назначения определились и размеры, масса этих БПЛА, а также требования к облику двигателя. Ниже представлены примерные параметры этих систем [64].
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.
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).
Беспилотный многоцелевой самолет «Глобал Хоук». Фарнборо-2008.
Успех применения БПЛА «Глобал Хоук», как видно, определяется не столько инновационным двигателем, сколько уникальными характеристиками системы в целом. Этот самолет в подлинном смысле этого слова способен держаться в воздухе свыше 32 часов, летая на высоте выше 70 000 футов (21336 м). На основании успешного опыта применения «Глобал Хоук» ВМС США заказали 120 таких самолетов. Как можно видеть из таблицы требований, представленной выше, этот самолет, по сути, является универсальным БПЛА, выполняющим и разведывательные, и ударные функции. Но эта универсальность имеет и свои недостатки: недостаточно малую заметность, высокую стоимость, традиционное вооружение. Следующее поколение БПЛА, по-видимому, будет иметь более узкую специализацию. И вот для этого следующего поколения БПЛА следует ожидать инноваций как в разработках двигателей, так и в создании вооружения на новых физических принципах.
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 топ-ливо-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.
