Открытый вопрос

Дуглас БАРРИ, Лондон
Ги НОРРИС, Лос-Анджелес
Роберт УОЛЛ, Тулуза
Компаниям Airbus и Boeing, возможно, придется повременить с выбором силовой установки для своих узкофюзеляжных самолетов нового поколения до 2013 г., чтобы дать возможность схеме с открытым вентилятором достигнуть технологической зрелости.
В качестве альтернативы с менее отдаленными сроками принятия решения и ввода в эксплуатацию им предлагается дальнейшее усовершенствование давно известного турбовентиляторного двигателя с высокой степенью двухконтурности, а также турбовентилятор с приводом через редуктор. Однако ни один из альтернативных вариантов не обладает такими выгодными преимуществами в отношении экологической безопасности, как схема с открытым вентилятором, что особенно актуально в связи с растущей озабоченностью мирового сообщества высоким уровнем выбросов диоксидов углерода.
Рик Паркер, директор по НИОКР и технологиям Rolls-Royce, называет замену нынешнего поколения узкофюзеляжных самолетов едва ли не лучшим и единственным решением экологических проблем. Как сказал Паркер в своем выступлении на конференции Королевского авиационного общества (RAES) по проблемам экологии, состоявшейся в Лондоне в октябре 2007 г., "если мы не примем нужные меры, мы пожалеем об этом".
На обещания никто не скупится. По словам Марка Дюбарри, президента Rolls-Royce France, сокращение расхода топлива на 25-30% по сравнению с двигателями нынешнего поколения — задача вполне выполнимая. Президент авиакомпании Emirates Тим Кларк полагает, что самолет, сделанный из композиционных материалов, и с двигателем, выполненным по схеме с открытым вентилятором, станет "чрезвычайно привлекательным" вариантом замены нынешнего поколения узкофюзеляжных машин.
По оценке Паркера, двигатели такой конструкции поступят на рынок ко второй половине следующего десятилетия. Дюбарри прогнозирует их ввод в эксплуатацию в 2017 г. По словам Паркера, к 2013 г. новая двигательная концепция будет проработана уже достаточно хорошо, чтобы убедить производителей двигателя и планера в ее способности доказать свою состоятельность на практике.
Разработка схемы с открытым вентилятором идет высокими темпами, однако Boeing по-прежнему считает, что наиболее оптимальным сроком ввода в эксплуатацию наследника 737-го будет 2015 г., не раньше. Airbus перенес сроки замены семейства A320 с начала следующего десятилетия на 2017 г. или около того, объясняя это тем, что узкофюзеляжные машины этой линейки по-прежнему хорошо продаются, а также тем, что все технические ресурсы компании сейчас сосредоточены на программах A380 и A350.
Впрочем, есть признаки того, что отношение Boeing к новой технологии становится все более скептичным. Первичные результаты внутренних исследований, проведенных инженерами компании на базе теоретических данных о работе двигателя, показали, что экономия топлива, обеспечиваемая схемой с открытым вентилятором, пока не оправдывает ожиданий. Вместо 15%-ного сокращения расхода топлива, которое хотят обеспечить на узкофюзеляжном самолете нового поколения, результаты, показанные новой схемой, с учетом всех привходящих факторов, таких как монтаж, увеличение массы и паразитное сопротивление, "едва дотягивают до отметки 10%", сообщает один из участников исследований. Заданный параметр, правда, находится в верхнем диапазоне показателей топливной экономичности, которых можно ожидать от двигателя подобной конструкции.
Результаты исследований, если они подтвердятся, могут заставить Boeing более пристально взглянуть на другие перспективные начинания в области новых двигательных технологий, в частности на проект Leap56, осуществляемый CFM International, или разработку турбовентилятора с приводом через редуктор (GTF, Geared Turbofan) от Pratt & Whitney. Почувствовав выгодную возможность для продвижения своей технологии, P&W недавно объявила, что работы над GTF позволят схеме с редуктором быть как минимум не хуже, а то и лучше схемы с открытым вентилятором. А Rolls-Royce рассматривает оба варианта открытого вентилятора: толкающий и тянущий. По словам инженеров компании, открытый вентилятор дает 10-15% экономии топлива по сравнению с традиционной двухвальной или трехвальной конструкцией турбовентиляторного двигателя. В качестве источника энергии для привода спаренного вентилятора с противовращением рассматриваются варианты с двух- и трехвальным газогенератором.
Комментируя результаты исследований и отчеты своих инженеров, Boeing избегает конкретных заявлений о том, что компания отдает предпочтение схеме с тянущим ротором, а не классической конструкции с толкающим винтовентилятором, оптимальной для большинства силовых установок с открытым вентилятором, известных на сегодняшний день. Однако Boeing признает, что сделать предстоит еще много.
В ходе предыдущих исследований в рамках научной программы 737 Replacement Study / Yellowstone 1, результаты которых были объявлены в 2006 г., инженеры Boeing изучили ряд нестандартных конфигураций силовой установки. Среди них было несколько вариантов с размещением двигателей на удлиненных пилонах в хвостовой части фюзеляжа, включая малошумную схему, предусматривающую возможность установки стандартных турбовентиляторных двигателей с высокой степенью двухконтурности или двигателей с тянущим спаренным винтовентилятором с противовращающимися лопастями. Еще один рассмотренный вариант представлял собой топливоэкономичную конструкцию с толкающими винтовентиляторами, установленными на П-образном хвостовом оперении.
И хотя Boeing отказывается от комментариев, большинство экспертов склоняются к мнению, что компания сосредоточит свое внимание на дальнейшей проработке вариантов с использованием тянущего, а не толкающего движителя. Если эти нестандартные варианты не принесут ожидаемых результатов, то схему с тянущим вентилятором будет легче трансформировать в традиционную конфигурацию силовой установки.
Представители Airbus говорят, что они с большим интересом следят за продвижением в разработке схемы с открытым вентилятором, и выражают оптимистичное ожидание, что эта технология сумеет обеспечить снижение уровня шума на 10 дБ по сравнению с предыдущими конфигурациями силовых установок. Однако, как заявил один из руководителей Airbus, компания хочет, чтобы полученные параметры и уровни шума были продемонстрированы. Еще один вопрос, который интересует компанию, — степень проникновения шума от открытого вентилятора в салон. Несмотря на то что новая технология компанию заинтересовала, у Airbus есть опасения, что она не вызовет восторга у пассажиров и рынок воспримет ее с прохладцей.
Шумность остается одной из главных проблем схемы с открытым вентилятором. "Вопрос снижения уровня шума заслуживает самого серьезного обсуждения", — говорит Паркер. Чиновники правительства США подчеркивают, что шум от работы авиационных двигателей остается более серьезной проблемой, чем выбросы CO₂.
Как отмечает Паркер, Airbus пошел на увеличение расхода топлива у A380 на 1-2%, чтобы привести его в соответствие с нормами шума. Кейт Манс, президент RAES, задается вопросом: следует ли смягчить требования к шумности, чтобы можно было повысить экологические характеристики двигателей?
Консультативный совет по авиационно-космическим исследованиям в Европе ставит целью не только снижение выбросов CO₂ на 50% к 2020 г., но и аналогичное уменьшение воспринимаемого внешнего шума. Нынешняя технология открытого вентилятора будет превосходить по своим акустическим характеристикам ту, которая разрабатывалась в 80-е, поскольку окружная скорость концевой части лопасти будет значительно ниже, а площадь самой лопасти больше, однако этот аспект все еще требует проработки. В схемах с толкающим ротором выхлопные газы будут выводиться тоже через ступицу, а не сквозь лопасти, что положительно скажется на уровне шума.
Разработчикам схем с использованием открытого вентилятора предстоит решать проблему шума по трем направлениям: этап взлета, этап крейсерского полета, шум в салоне. Кроме того, не все может быть гладко и с сертификацией — в частности, угрозу может представлять разлом лопастей, которые не закрыты от попадания в другие части самолета мотогондолой. Правда, как отмечает Дюбарри, предварительные переговоры с сертификационными органами внушают оптимизм.
Выступая на конференции, Кристин Бикерстафф, представляющая инженеров-двигателистов из британского подразделения Airbus, заявила, что шумовые характеристики двигателей снова вызывают интерес специалистов. "Airbus серьезно изучает перспективные технологии в области винтовентиляторных двигателей и повторно рассматривает наработки, отвергнутые ранее, например криопланы на водородном топливе", — добавила она.
Работа над технологией открытого вентилятора уже перешла в активную фазу. Следующим шагом станут стендовые испытания новой технологии, которые, по словам Паркера, позволят вывести двигатель на 4-5-й уровень технологической готовности. В числе поставленных целей получение шумовых характеристик, сопоставимых с характеристиками современных турбовентиляторных двигателей. Также необходимо подтвердить правильность выбора конструкции лопастей и вариантов компоновки двигателя.
Результаты этих работ будут использованы в ходе реализации программы Евросоюза "Чистое небо", предусматривающей создание наземного демонстрационного стенда с новым двигателем примерно в 2011 г. В двигателе будет реализована схема с толкающим вентилятором, поскольку Airbus, накапливающий опыт работы с тянущим винтовентилятором в рамках программы создания военно-транспортного самолета A400M, намерен поближе познакомиться с альтернативным вариантом.
ЕС также финансирует работы по трехвальным двигательным схемам, перспективным моделям турбовентиляторных двигателей и турбовентиляторам с редуктором. В ходе работ по проектам в рамках исследовательской программы ЕС Framework Seven изменениям подвергнутся практически все части двигателя, говорит Паркер. Часть работ будет вестись на базе уже имеющегося задела Rolls-Royce в разработке перспективного двухвального турбовентилятора RB.282-80, который компания предлагает Airbus и Boeing для их новых узкофюзезяжных самолетов в качестве первоначального варианта.bк Что касается Pratt & Whitney, то с ростом уверенности компании в успехе своего GTF, уже выбранного для региональных самолетов Bombardier и Mitsubishi, она все критичнее комментирует перспективы схемы с открытым вентилятором. Как утверждает президент P&W Стив Фингер, инженерные анализы показали, что побочные эффекты от установки и дополнительный вес конструкции сводят на нет преимущества открытого вентилятора. По его словам, эта схема также не обеспечивает большей топливной экономичности по сравнению с другими.