Двигатель второго этапа что это

Как разрабатывается и каким будет двигатель для истребителей пятого поколения Су-57

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.

Схема турбовентиляторного двигателя Volvo RM12

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.

Читайте также:  Какой двигатель лучше на сааб

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.

АЛ-41Ф («Изделие 20»), АЛ-41Ф1 («Изделие 117») и АЛ-41Ф1С («Изделие 117С») — три существенно различающихся между собой двигателя. Первый должен был устанавливаться на советский прототип истребителя пятого поколения Миг-1.44 МФИ, но в связи с развалом СССР в серию не пошел. АЛ-41Ф1 — двигатель, в котором использовались наработки по АЛ-41Ф и АЛ-31ФП. Сегодня он стоит на опытных образцах Су-57. АЛ-41Ф1С — фактически несколько увеличенный в размерах АЛ-31Ф. Этот двигатель производится серийно и устанавливается на Су-35С. В АЛ-41Ф1С, несмотря на схожую конструкцию с АЛ-31Ф, использовано более 70 процентов новых деталей, и значительно улучшены удельные характеристики, а в АЛ-41Ф1 этот показатель достигает 80 процентов.

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.

Читайте также:  Неисправности работы двигателя на дэу матиз

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.

Источник

ТЕХНОЛОГИИ, ИНЖИНИРИНГ, ИННОВАЦИИ

Измеритель диаметра, измеритель эксцентриситета, автоматизация, ГИС, моделирование, разработка программного обеспечения и электроники, БИМ

Известные особенности двигателя второго этапа для истребителя пятого поколения Су-57

В настоящее время продолжается подготовка к серийному производству перспективных истребителей Су-57. Как и в случае с прототипами, серийная техника будет комплектоваться двигателями двух моделей. Первые серийные образцы получат существующие двигатели АЛ-41Ф1 (они же «двигатели первого этапа»), а затем их в серии сменят более новые «Изделия 30». С конца 2017 года перспективные турбореактивные двигатели «Изделие 30» испытываются в воздухе, и в будущем ожидается освоение их производства в интересах серийного выпуска самолетов. ТРДДФ типа «Изделие 30», или «двигатель второго этапа», является одной из главных тем в контексте проекта ПАК ФА / Т-50 / Су-57. При этом эта тема является одной из самых закрытых.

Впрочем, к настоящему времени разработчик в лице НПО «Сатурн», а также официальные лица из Министерства обороны и других структур успели раскрыть часть данных и составить примерную картину. Стоит ожидать, что в будущем продолжится поступление новой информации, и промышленность раскроет новые подробности интереснейшего проекта.

Двигатель пятого поколения

Истребитель Су-57 относят к условному пятому поколению, что говорит о наличии ряда характерных требований. Одно из главных таких требований – обеспечение крейсерской сверхзвуковой скорости, в том числе без использования форсажных камер. Существующие серийные двигатели не позволяют получить такие характеристики, в связи с чем требуется совершенно новая силовая установка. Перспективный двигатель, предназначенный для Су-57, как и сам самолет, относят к условному пятому поколению – однако уже в сфере моторостроения.

Считается, что разница между поколениями турбореактивных двигателей проявляется в изменении основных параметров. Резкий рост удельной тяги или сокращение удельного расхода топлива, достигнутые в новом проекте, позволяют относить его к следующему поколению. Новейший ТРДДФ «Изделие 30» по этим показателям выгодно отличается от существующих систем, что позволяет его разработчикам говорить о создании двигателя поколения «5» или «5+».

Высокие характеристики нового двигателя достигаются, в первую очередь, за счет применения самых современных технологий, материалов и решений. При этом используются и уже освоенные идеи. Так, «Изделие 30» продолжает линейку отечественных двигателей со штатным соплом, имеющим средства управления вектором тяги.

Впрочем, от некоторых современных решений пришлось отказаться. К примеру, в 2013 году НПО «Сатурн» показало перспективную конструкцию лопатки для компрессора высокого давления, изготовленную из алюминида титана. Появились сообщения о возможном внедрении такого материала в конструкцию турбины. Однако позже от алюминида титана в составе «Изделия 30» отказались. Экономия массы оказалась незначительной, а стойкость к повышенным механическим и тепловым нагрузкам, характерным для двигателей военного назначения, – недостаточной.

По известным данным, «Изделие 30» представляет собой двухконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой. На уровне некоторых основных идей он имеет сходство с более старыми двигателями семейств АЛ-31 и АЛ-41, но все его агрегаты разрабатывались заново и с применением современных наработок. Результатом этого стал заметный рост всех основных характеристик, позволяющий относить «Изделие 30» к следующему поколению ТРДДФ.

Двигатель имеет обычную для своего класса архитектуру с многоступенчатыми компрессорами высокого и низкого давления, камерой сгорания и многоступенчатыми турбинами. Позади турбин находятся форсажная камера и сопло с УВТ. На внешней поверхности двигателя помещены необходимые агрегаты того или иного назначения. Разработчики «Изделия 30» не спешат раскрывать все подробности конструкции, но часть особенностей нового проекта уже известна.

Компрессор обеспечивает сжатие поступающего воздуха со степенью 6,7, обеспечивая расход воздуха до 20-23 кг/с. Камера сгорания оснащается плазменной системой зажигания, устанавливаемой прямо на форсунках. Такие средства обеспечивают воспламенение топлива сразу после его попадания в камеру сгорания. Благодаря этому поддерживается оптимальный режим горения, а также исключается т.н. факеление – неправильное сгорание топлива, скопившегося в двигателе. Температура газов перед турбиной находится в пределах от 1950 до 2100°K. Для сравнения, у серийного двигателя АЛ-31Ф этот параметр не превышает 1700°K.

Читайте также:  2107 прогрев двигателя оборотов

Двигатель «30» комплектуется новым соплом, имеющим функции управления вектором тяги. Этот агрегат заметно меньше использовавшихся ранее и имеет иные обводы. В частности, задняя кромка сопла, образуемая отдельными створками, получает неровную форму.

Важной особенностью конструкции, обеспечивающей получение новых возможностей, является изменение степени двухконтурности. Также проект учитывал необходимость сокращения заметности двигателя и самолета в целом для радиолокационных и инфракрасных систем наблюдения. Такие задачи решались путем создания оптимальных конструкций воздухозаборника и сопла.

Для нового двигателя создана оригинальная электронно-цифровая система управления с полной ответственностью. Она принимает данные с множества различных датчиков и следит за работой всех компонентов двигателя. Получая команды от летчика, система управления выполняет их с учетом текущих параметров и различных факторов. Автоматика управления двигателем упрощает работу летчика, а также облегчает настройку силовой установки для работы в тех или иных условиях.

Все новые идеи и решения предназначаются для повышения основных характеристик двигателя. Согласно открытым данным, максимальная тяга двигателя «Изделие 30» достигает 11000 кгс, форсажная – 18000 кгс. Для сравнения, двигатель первого этапа АЛ-41Ф1 имеет тягу 9500 и 15000 кгс соответственно. Таким образом, самолет Су-57 даже при максимальной взлетной массе, превышающей 35 т, будет иметь тяговооруженность более единицы. При нормальном взлетном весе этот параметр достигнет 1,15-1,2.

Удельные параметры нового двигателя либо улучшились, либо остались на уровне предшествующих изделий. Так, руководство НПО «Сатурн» указывает, что удельный расход топлива у «Изделия 30» остался на уровне двигателя АЛ-31Ф – около 0,67 кг•кгс/час. Одновременно повысилась удельная тяга, но точное значение этого параметра не называется. При таких параметрах, по своим габаритам и массе двигатель «30» почти не отличается от серийных отечественных ТРДДФ.

Оптимизация основных параметров приводит к повышению летно-технических характеристик самолета. По разным оценкам, крейсерская сверхзвуковая скорость самолета Су-57 без применения форсажа, обеспечиваемая двумя двигателями с тягой по 11000 кгс, может достигать М=1,5. Наличие сопла с УВТ значительно улучшает маневренность на всех режимах.

Планы на будущее

Пока перспективный ТРДДФ «Изделие 30» остается на стадии летных испытаний и проверяется на опытных самолетах Т-50 / Су-57. К настоящему времени изготовлено около двух десятков опытных двигателей, предназначенных для проверок на земле и в воздухе. Летные испытания двигателей продолжаются больше года и требуют еще времени. Так, в начале прошлого года сообщалось, что весь цикл летных испытаний может занять три года.

Согласно нынешним планам, в ближайшие годы российские воздушно-космические силы получат несколько первых серийных истребителей Су-57. Первые машины этого типа будут оснащаться т.н. двигателями первого этапа – ТРДДФ АЛ-41Ф1. В 2020 году должен появиться второй контракт на поставку серийной техники. На этот раз речь идет о внедрении новых двигателей. Часть истребителей второй серии будет оснащаться «Изделиями 30». Серийное производство таких двигателей будет освоено предприятием «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение». В дальнейшем, ориентировочно в середине двадцатых годов, новый двигатель станет стандартным для всех серийных Су-57.

Параллельно с испытаниями и доводкой «Изделия 30» в его существующей версии ведутся работы по созданию новых агрегатов для такого двигателя. Осуществляется разработка плоского сопла, способного снизить заметность самолета в разных спектрах. Вместо штатного сопла за двигателем планируется помещать изогнутый канал, на котором должны устанавливаться две подвижные плоские створки.

S-образный канал прикрывает лопатки турбины от излучения радиолокаторов, а прямоугольное сечение сопла сокращает инфракрасное излучение от реактивных газов. В то же время, такие агрегаты создают дополнительное сопротивление движению газов, что приводит к небольшому сокращению технических характеристик двигателя. Новое сопло пока находится на ранних стадиях, и пока неизвестно, внедрят ли его при проведении будущих модернизаций Су-57. Впрочем, с помощью такого проекта российские двигателестроители получают важный опыт.

Также сообщается о проработке вопросов создания двигателя «шестого поколения». Для дальнейшего повышения основных и удельных характеристик предлагается добавить третий контур в дополнение к двум существующим. Однако такие идеи пока остаются на стадиях самых ранних исследований, и потому их вряд ли можно рассматривать в контексте дальнейшей доработки истребителей Су-57.

Пока основной задачей двигателестроителей в рамках программы ПАК ФА является доводка «Изделия 30» с последующим запуском его производства и внедрением в серийный выпуск истребителей Су-57. По всей видимости, в серию пойдет двигатель в его нынешней конфигурации – с рядом особых технических решений, повышающих общие характеристики. При этом кардинальные переработки, такие как установка нового сопла, пока не планируются.

Главным результатом проекта под рабочим обозначением «30» является создание ТРДДФ с высокими характеристиками для новейшего российского истребителя. При этом не стоит забывать и о других важных моментах. Завершив работы по «Изделию 30» и доведя его до эксплуатации в войсках, российское двигателестроение в очередной раз покажет свой потенциал и подтвердит свои лидирующие позиции.

Источник: https://topwar.ru/
Автор: Рябов Кирилл

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

Источник

Adblock
detector