Оторваться от земли
История авиационного двигателя
Двигатель — сердце самолета, единственный источник энергии для него. Без силовой установки ни один аппарат не полетит, не будут работать и системы жизнеобеспечения на борту — от интернета до выпуска шасси. Именно эволюция моторов позволила современной авиации передвигаться со сверхзвуковой скоростью. Историю авиадвигателей мы разложили для вас… по винтикам.
1940-е
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
1880-е
ПАРОВОЙ АВИАДВИГАТЕЛЬ
1923
ПОРШНЕВОЙ АВИАДВИГАТЕЛЬ
2123
альтернативный двигатель
«Фонтанка.ру» представляет проект к 100-летию российской гражданской авиации, которая зарождалась в Петербурге. В нем мы рассказываем, кто и на чем летает в России, какими отечественными разработками можно гордиться, как будет меняться важнейшая отрасль завтра.
Чтобы самолет летел — и летел правильно, на нужной высоте и с высокой скоростью, — авиационный двигатель должен отвечать весьма высоким требованиям. Во-первых, быть достаточно мощным при минимальных массе и габаритах. Во-вторых, экономно расходовать горючее и смазку. Наконец, он должен долго и стабильно работать, быть относительно простым в использовании и сравнительно недорогим в производстве. Достичь всех этих желаемых качеств человечеству удалось далеко не сразу. И сейчас инженерная мысль продолжает идти вперед — похоже, нас ждет еще немало открытий.
Паровой двигатель самолета Можайского
Мощность:
30 л.с.
Общая масса:
более 80 кг
Расчетная скорость полета:
40 км/час
ПАРОВОЙ АВИАДВИГАТЕЛЬ
Почти полтора века назад первый в мире аппарат тяжелее воздуха, да еще с человеком на борту, смог оторваться от земли. «Полет» продолжался всего несколько секунд и закончился жестким приземлением, но он впервые практически доказал, что люди способны летать.
А.Ф. Можайский
Петербуржцы могут гордиться: испытание первого «воздухоплавательного снаряда» произошло в Красном Селе. Это случилось где-то между 1881 и 1885 годами — очевидцы называют разные даты. Имя изобретателя хорошо знает каждый: Александр Федорович Можайский. Для немолодого морского офицера это было дело всей жизни. Разработанная им конструкция хоть и выглядела непривычно для нас, но у нее уже были все элементы, присущие современным крылатым машинам: фюзеляж, хвостовое оперение, крыло, шасси и силовая установка.
Какой же двигатель стоял на аппарате Можайского?
Их было два, и они соответствовали времени: были паровыми. Машины изготовила английская фирма Ahrbecker Son and Hamkens. «Движки» крутили три винта — один передний тянущий и два задних толкающих.
Это были очень современные для того времени паровые установки, но даже их мощности, увы, не хватило для устойчивого полета. А еще стальная конструкция была громоздкой и тяжелой для самолета из фанеры: только котел весил 64,5 кг.
Испытания самолета Можайского: как это было
«Во второй половине июля 1885 [года] была предпринята попытка поднять самолет в воздух. Во время разбега по горизонтально уложенным деревянным рельсам самолет накренился и поломал крыло…»
Энциклопедия «Авиация»,
под редакцией академика
Г.П. Свищёва
под редакцией академика
Г.П. Свищёва
«Испытание прибора окончилось неудачей, и механик, управляющий машиной, потерпел увечье»
«Записки инженерного технического русского общества», 1893 г.
«Первый полет аэроплана на военном поле в Красном Селе дал результаты неважные: аппарат отделился от земли, но, будучи неустойчивым, накренился набок и поломал крыло. Дальнейших опытов не было за неимением средств. Аппарат Можайского интересен как первая практическая попытка построить большой аэроплан».
Военная энциклопедия Сытина, 1916 г.
Идея паровых установок для авиации развития не получила: уже через два десятилетия после опытов Можайского братья Райт подняли в воздух свой «Флайер-1» с поршневым двигателем внутреннего сгорания.
После первого неудачного опыта Можайский начал восстанавливать самолёт и заказал для него две новые, более мощные силовые установки. Примечательно, что на этот раз изобретатель обратился не к заграничным мастерам, а на Обуховский сталелитейный завод в Петербурге. Сегодня это предприятие входит в состав АО «Концерн ВКО «Алмаз — Антей» — одного из крупнейших интегрированных объединений российского оборонно-промышленного комплекса.
Паровые двигатели по английским образцам обуховцы изготовили, но, вероятно, не успели установить из-за смерти изобретателя. Как выглядели моторы и какой мощностью обладали — неизвестно: никаких документов не осталось. Высказывались лишь предположения, что их общая мощность была доведена до 100 л. с. О судьбе первых моторов, изготовленных в России для авиации, мы также ничего не знаем. Они канули в Лету, как и сам «воздухоплавательный снаряд».
Паровые двигатели по английским образцам обуховцы изготовили, но, вероятно, не успели установить из-за смерти изобретателя. Как выглядели моторы и какой мощностью обладали — неизвестно: никаких документов не осталось. Высказывались лишь предположения, что их общая мощность была доведена до 100 л. с. О судьбе первых моторов, изготовленных в России для авиации, мы также ничего не знаем. Они канули в Лету, как и сам «воздухоплавательный снаряд».
ПОРШНЕВОЙ АВИАДВИГАТЕЛЬ
Именно поршневая силовая установка «породила» мировую авиацию. Ее мощности хватило для уверенного и долгого полета.
Это, по сути, обычный двигатель внутреннего сгорания, такой же, как на автомобилях. Если он одноцилиндровый, то это один полый цилиндр, внутри которого находится другой — поршень.
Это, по сути, обычный двигатель внутреннего сгорания, такой же, как на автомобилях. Если он одноцилиндровый, то это один полый цилиндр, внутри которого находится другой — поршень.
Поршевой двигатель АШ-62 ИР — сердце советских «Дугласов». Из собрания Университета гражданской авиации
Как работает бензиновый поршневой двигатель?
В пространство над поршнем подается смесь из топлива и воздуха.
01
Воспламеняясь от электрической искры и сгорая, смесь выделяет газы высокого давления и температуры.
02
Продукты сгорания давят на поршень и заставляют его двигаться.
03
Это движение передается через специальные механизмы в нужное нам место, а именно — на воздушный винт самолета.
04
Вращающийся винт создает тягу, и воздушное судно летит.
05
«Флайер-1» американцев братьев Райт, пролетевший в 1903 году целых 12 секунд, был оснащен бензиновым поршневым двигателем и заправлен обычным автомобильным бензином. Сегодня в авиации используют дизельный, который превосходит бензиновый по всем параметрам. Он успешно эксплуатируется.
«ДАЁШЬ МОТОР!»
Такой лозунг был выдвинут труженикам авиационной промышленности Советского Союза в 20-е годы XX столетия. Молодому государству были нужны собственные двигатели, чтобы не зависеть от западных стран: проблема импортозамещения не нова.
Уже 7 ноября 1923 года ленинградский завод «Большевик» явил миру первый советский авиамотор. Его назвали «В. Д. Серов» в честь управляющего предприятием, в присутствии которого состоялись испытания. Отечественный «движок» торжественно провезли по городу во время праздничной демонстрации: на сохранившейся исторической фотографии мы видим внушительных размеров агрегат в кузове грузовика.
Как выглядел первый советский авиамотор, смотрите на видео
Сборочное отделение авиамоторной мастерской. Завод «Большевик», 1920-е гг.
Заводчане — производители первого авиадвигателя
Первый советский поршневой авиамотор М-5
Мощность:
400 л.с.
Общая масса:
410 кг
Максимальная скорость полета:
202 км/час (у земли)
Примечательно, что пионером двигателестроения стал уже упоминавшийся Обуховский завод: в «Большевик» он превратился после революции. В 1924 году ленинградский поршневой авиадвигатель вышел в серийное производство с наименованием М-5.
На самом деле, оригинальной разработкой он не был: советские конструкторы взяли за образец американский Liberty L-12. Сейчас мы называем такой процесс реинжинирингом.
Тем не менее, производство силовой установки здесь, на родине, было настолько эпохальным событием, что самолет Р-1, с новым авиамотором совершивший перелет Москва-Смоленск-Ленинград-Москва, получил гордое имя «Ленинградский Большевик».
Тем не менее, производство силовой установки здесь, на родине, было настолько эпохальным событием, что самолет Р-1, с новым авиамотором совершивший перелет Москва-Смоленск-Ленинград-Москва, получил гордое имя «Ленинградский Большевик».
«Обуховский завод с момента его создания участвовал в передовых проектах. Поэтому неудивительно, что он стал производителем первого отечественного авиамотора, подарившего советским самолетам возможность подниматься в воздух, не завися ни от кого. И сегодня предприятие развивает новые компетенции — в том числе, по производству и разработке беспилотных аппаратов, причем не только летательных».
Заместитель генерального директора Концерна ВКО «Алмаз-Антей», генеральный директор Обуховского завода Михаил Подвязников
Летные испытания шли на аэродроме завода «Большевик» на Белевском поле: сейчас на этом месте стоят жилые дома Невского района.
На испытаниях в цеху лично присутствовал председатель Президиума Верховного Совета СССР Михаил Калинин.
Два самолета Р-1 с моторами М-5 совершили героический перелет Москва-Пекин-Токио. Пилотировали их летчики Михаил Громов и Михаил Волковойнов.
«Двигатели М-5 находились в производстве несколько лет, эксплуатировались до 1932–1933 годов. Они устанавливались не только на легких самолетах-разведчиках Р-1, МР-1 и Р-3, но и на истребителях И-1 в вариантах Поликарпова и Григоровича, и И-2. Советские авиамоторы даже экспортировались: их ставили на импортные «Фоккер-С-IV». Только для поставки на самолетостроительные заводы было изготовлено около 3200 штук. Также М-5 использовались в легком танке БТ-5».
Интересные факты про первый советский авиамотор:
Директор Музея Обуховского завода Олеся Дранишникова
Самым массовым из первых советских поршневых авиадвигателей стал мотор М-11, разработанный коллективом специалистов под руководством инженера Николая Окромешко. Главным инженером завода «Мотор», на котором был создан этот двигатель, был талантливый конструктор Аркадий Швецов. Двигателем М-11 оснащался, в частности, массовый советский самолет По-2.
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Наш век — это эпоха огромных скоростей, обеспечить которые может только мощный турбореактивный газотурбинный двигатель. Уже из названия видно: рабочим телом этой тепловой машины наряду с топливом служит газ — продукт сгорания топлива. Турбина преобразует энергию топлива в кинетическую энергию вытекающей из двигателя реактивной газовой струи. За ее счет и за счет баланса сил давления потока воздуха и газа, приложенных к элементам газо-воздушного тракта, образуется сила тяги. Она и движет самолет.
Появившись в середине XX столетия, газотурбинные авиамоторы тоже прошли определенную эволюцию. На сегодняшний день выделяют несколько типов:
Затем горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть его энергии расходуется на вращение турбиной компрессора — чтобы тот мог выполнять свою функцию. Одновременно со сжатием поступающего воздуха на лопатках компрессора образуется разность давлений потока, которая суммируется с тягой двигателя.
04
Другая часть энергии непосредственно расходуется на движение самолета. Пройдя турбину, газ превращается в реактивную струю в выходном сопле и вырывается из него в атмосферу. Если говорить простыми словами, то эта реактивная струя дополнительно «толкает» воздушное судно вперед.
05
Как работает турбореактивный газотурбинный двигатель?
Воздух из атмосферы попадает в сужающийся канал — входное устройство, — где немного сжимается, а затем поступает в компрессор.
01
В компрессоре он сжимается еще сильнее: давление растет, как и температура.
02
Далее воздух приходит в камеру сгорания, смешивается там с топливом, и эта смесь воспламеняется. Это приводит к сильному возрастанию температуры при, можно сказать, постоянном давлении.
03
пионеры, появившиеся в 40-е годы в Германии и Великобритании. В СССР первым отечественным одноконтурным турбореактивным двигателем был «Александр Микулин АМ-3», который стоял на первом пассажирском самолете Туполев Ту-104 (1955-1956 гг.). В то время он был самым мощным в мире. Такие двигатели использовались до 60-х годов, сейчас их уже не выпускают.
здесь, как и в поршевых, есть винт, но принцип работы силовой установки — уже как у газотурбинного. Турбина вырабатывает мощность, передаваемую воздушному винту. Винт отбрасывает атмосферный воздух назад. Образуется тяга — так же, как и в поршневых авиационных двигателях. Экономичность турбовинтовых двигателей очень высока, но, как и у поршневых, есть ограничение по скорости полета. Такие авиамоторы применяются для самолетов малой и средней дальности, которые летают на высоте 4000-8000 м.
эти двигатели вращают несущий винт вертолета.
здесь реактивная тяга создается в двух контурах: внутреннем и наружном. Такие моторы обладают меньшим удельным расходом топлива, большей тягой и меньшим уровнем шума. Сегодня это один из основных видов, применяемых в современной пассажирской и транспортной авиации. В нашей стране пионером такого типа стал двигатель Д-20П конструкции П. А. Соловьева.
«Есть мнение, что современный газотурбинный двигатель — самое сложное устройство, разработанное человеком. Всего четыре страны в мире серийно производят их для гражданской авиации: Россия, США, Великобритания и Франция. Даже Китая в этом списке нет. Сейчас внимание всей отрасли направлено на испытания современного ПД-14. Это полностью отечественный двигатель, который устанавливается на среднемагистральные самолеты МС-21-310».
Старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры №24 «Авиационной техники и диагностики» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени Главного маршала авиации А. А. Новикова Искандар Давыдов
ИСПЫТАНИЯ ТУРБОРЕАкТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ЛЕНИНГРАДЕ
Ленинградская наука сказала свое слово и в развитии турбореактивных двигателей. В 1955 году в нашем городе было открыто Высшее авиационное училище гражданского воздушного флота. С первых же дней кафедра авиадвигателей под руководством инженера Петра Сергеевича Лабазина впервые в СССР начала научные исследования в области реверсирования тяги двигателей гражданских самолётов и разработку реверсивных устройств. Напомним, что реверс важен для торможения самолета на взлетно-посадочной полосе.
А.А. Новиков
Сначала исследования шли в корпусе ВАУ ГВФ на Литейном, 48. Но рев реактивных двигателей мешал жителям окрестных домов, поэтому в 1960–1967 годах работы проводились уже на мотороиспытательной станции (МИС) в Авиагородке. В здании установили аэродинамическую трубу, в которой и тестировали оборудование. За ходом экспериментов лично наблюдал Главный маршал авиации Александр Александрович Новиков, возглавлявший в тот период вуз.
Здание, где проходили исследования, стало первым лабораторным корпусом современного Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. Высшее учебное заведение готовит не только пилотов и авиадиспетчеров, но и авиаинженеров — специалистов, которые организуют процедуру технического обслуживания и ремонта воздушных судов.
Здание, где проходили исследования, стало первым лабораторным корпусом современного Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. Высшее учебное заведение готовит не только пилотов и авиадиспетчеров, но и авиаинженеров — специалистов, которые организуют процедуру технического обслуживания и ремонта воздушных судов.
Разработка студентов СПБГУ ГА имени А.А.Новикова — компрессор двигателя ГТД-350. Модель позволяет заглянуть внутрь важной части мотора
Единственный в России виртуальный тренажер по устройству и конструкции основных систем самолета Sukhoi Superjet 100 находится в СПБГУ ГА. Он позволяет изучить и закрепить теоретические знания по устройству и конструкции основных систем самолета, а также отрабатывать навыки по наземному обслуживанию
КАК СОЗДАЮТ СОВРЕМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?
В эру цифровых технологий без IT не обойтись — тем более при создании авиационного двигателя. В 2022 году ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого представили очень интересную и перспективную разработку — первый в России цифровой двойник авиационного двигателя.
«Работа продолжалась три года: в ней на разных стадиях принимали участие от 25 до 35 инженеров. Сначала была создана собственная цифровая платформа, затем на ней разместили комплекс взаимоувязанных компьютерных моделей, который позволяет описывать все процессы, происходящие в авиационном двигателе».
Начальник отдела перспективных разработок в двигателестроении Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Александр Себелев
Цифровой двойник используют на всех стадиях жизни мотора, но особенно он важен при разработке.
«Когда мы проводим все испытания натурно, они могут длиться годами. Тестирование в цифровой среде, на виртуальных стендах, серьезно сокращает сроки. Мы можем гораздо раньше проверять все гипотезы, которые возникают в процессе разработки, и сразу отсекаем нежизнеспособные конструктивные решения. Рынку нужно, чтобы продукт появился как можно раньше».
Директор Научно-образовательного центра «Авиационные двигатели и энергетические установки» Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Андрей Удодов
Обычно разработка и доводка двигателя занимает 10-15 лет, только потом он может быть передан в эксплуатацию. Применение цифрового двойника способно сократить этот срок до 5 лет — сегодня есть такой запрос двигателестроительной отрасли.
Важно и то, что цифровой двойник вместе с другими инструментами помогает спрогнозировать, что будет с мотором через 30-40 лет эксплуатации.
Разработка Политеха универсальна, ее можно применять для любых типов двигателей. Пилотным же проектом стал цифровой двойник модели ТВ7-117СТ-01 производства АО «ОДК-Климов». Это современный газотурбинный турбовинтовой авиамотор, обладающий повышенной мощностью на взлетном режиме (3100 л.с.) и лучшей в своем классе топливной эффективностью. Двигатель управляется инновационной электронной системой и работает в тандеме с новым воздушным винтом АВ112-114, имеющим повышенную тягу 4 тонны. В декабре 2022 года двигатель получил сертификат типа Федерального агентства воздушного транспорта РФ.
Силовая установка предназначена для регионального пассажирского самолета Ил-114-300. Воздушное судно очень ждут российские авиакомпании: оно будет перевозить пассажиров между городами нашей страны. Сам борт сейчас проходит испытания, в 2024 году первые два авиалайнера планируется передать заказчику.
Турбовинтовой двигатель ТВ7-117СТ-01
Мощность:
3100 л.с.
Масса:
515 кг
Система автоматического управления: с полной ответственностью (FADEC) БАРК-65СМ
Региональный пассажирский самолет Ил-114-300
Длина: 26,877 м
Размах крыла: 30 м
Максимальная взлетная масса: 23,5 т
Двигатели: два турбовинтовых мотора ТВ7-117СТ-01
Крейсерская скорость: до 500 км/ч
Набор высоты: до 7600 м
Дальность полета: до 1900 км
Количество пассажиров: 64 человека
Длина: 26,877 м
Размах крыла: 30 м
Максимальная взлетная масса: 23,5 т
Двигатели: два турбовинтовых мотора ТВ7-117СТ-01
Крейсерская скорость: до 500 км/ч
Набор высоты: до 7600 м
Дальность полета: до 1900 км
Количество пассажиров: 64 человека
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Как мы уже отмечали в начале текста, инженерная мысль не останавливается никогда. Ученые разрабатывают новые типы двигателей, о которых вы тоже наверняка слышали.
Говорят, что на смену реактивным двигателям внутреннего сгорания в авиации придут электрические. Так ли это? «Фонтанка» собрала мнения экспертов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
По словам Андрея Удодова, электродвигатели применяются в авиационной отрасли давно: они генерируют мощности для разных систем на борту. Привлекательной выглядит и идея создания электрической силовой установки, которая бы обеспечивала сам полет: в мире, в том числе и в России, ведется много разработок. Главным преимуществом таких машин будет экологичность: электрические двигатели не вырабатывают углекислый газ и не выпускают в атмосферу различные токсичные вещества, они менее шумные. В общем, есть много причин, чтобы их применять.
Энтузиазм конструкторов подогревают успехи в создании постоянных магнитов на базе редкоземельных металлов и в первую очередь — на базе химического элемента неодима. Сила «неодимового» магнита на порядок выше, чем у магнитов предыдущего поколения при практически той же массе.
КАКИМ МОЖЕТ БЫТЬ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ?
Есть разные варианты конструктивного решения.
1. Гибридная силовая установка, состоящая из обычного газотурбинного мотора с электрическим генератором. Газотурбинный «движок» в этой схеме не основной: он лишь обеспечивает выработку генератором электроэнергии, которая распределяется по электрическим двигателям, питает их.
2. Классический вариант: аккумуляторные батареи в объеме, достаточном для выполнения полета. От них питается электрический двигатель.
3. Топливные ячейки: по сути, это «одноразовые» аккумуляторные батареи, которые нужно будет пополнять. Они могут работать на водороде и других химических элементах.
Директор Научно-образовательного центра «Авиационные двигатели и энергетические установки» Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Андрей Удодов:
«Здесь принципиальный вопрос в удельной энергоемкости источника энергии. На данный момент авиационный керосин позволяет обеспечить более длительный полет, чем аналогичная масса аккумуляторной батареи или топливной ячейки. По разным оценкам, соотношение здесь может достигать 1:10. То есть, условно говоря, на самолете с газотурбинным двигателем пролетим 1000 км, с электрическим — только 100.
Второй проблемой является масса. Сейчас достижением считается удельная мощность электродвигателя в 10 кВт/кг. Соответственно, если мы захотим создать высокооборотный электрический двигатель мощностью 100 кВт, то его масса может достичь 10 кг. Перспективным уровнем видится удельная мощность в 20-25 кВт/кг».
По словам специалиста, наиболее реальный вариант сейчас — гибридные установки. В пару к газотурбинным моторам можно создать довольно легкие и эффективные высокооборотные электрические машины.
Начальник отдела перспективных разработок в двигателестроении Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Александр Себелев:
«И все-таки надо подчеркнуть: электрический привод для летательных аппаратов — уже реальность. Сейчас более 90% беспилотников поднимают в воздух именно электродвигатели. Если произойдет научный прорыв в аккумуляторостроении, то, конечно, на них перейдет большая часть летательных аппаратов. Многое здесь зависит от наших коллег — химиков и физиков, которые ведут исследования по созданию аккумуляторных батарей».
По словам Андрея Удодова, электродвигатели применяются в авиационной отрасли давно: они генерируют мощности для разных систем на борту. Привлекательной выглядит и идея создания электрической силовой установки, которая бы обеспечивала сам полет: в мире, в том числе и в России, ведется много разработок. Главным преимуществом таких машин будет экологичность: электрические двигатели не вырабатывают углекислый газ и не выпускают в атмосферу различные токсичные вещества, они менее шумные. В общем, есть много причин, чтобы их применять.
Энтузиазм конструкторов подогревают успехи в создании постоянных магнитов на базе редкоземельных металлов и в первую очередь — на базе химического элемента неодима. Сила «неодимового» магнита на порядок выше, чем у магнитов предыдущего поколения при практически той же массе.
КАКИМ МОЖЕТ БЫТЬ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ?
Есть разные варианты конструктивного решения.
1. Гибридная силовая установка, состоящая из обычного газотурбинного мотора с электрическим генератором. Газотурбинный «движок» в этой схеме не основной: он лишь обеспечивает выработку генератором электроэнергии, которая распределяется по электрическим двигателям, питает их.
2. Классический вариант: аккумуляторные батареи в объеме, достаточном для выполнения полета. От них питается электрический двигатель.
3. Топливные ячейки: по сути, это «одноразовые» аккумуляторные батареи, которые нужно будет пополнять. Они могут работать на водороде и других химических элементах.
Директор Научно-образовательного центра «Авиационные двигатели и энергетические установки» Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Андрей Удодов:
«Здесь принципиальный вопрос в удельной энергоемкости источника энергии. На данный момент авиационный керосин позволяет обеспечить более длительный полет, чем аналогичная масса аккумуляторной батареи или топливной ячейки. По разным оценкам, соотношение здесь может достигать 1:10. То есть, условно говоря, на самолете с газотурбинным двигателем пролетим 1000 км, с электрическим — только 100.
Второй проблемой является масса. Сейчас достижением считается удельная мощность электродвигателя в 10 кВт/кг. Соответственно, если мы захотим создать высокооборотный электрический двигатель мощностью 100 кВт, то его масса может достичь 10 кг. Перспективным уровнем видится удельная мощность в 20-25 кВт/кг».
По словам специалиста, наиболее реальный вариант сейчас — гибридные установки. В пару к газотурбинным моторам можно создать довольно легкие и эффективные высокооборотные электрические машины.
Начальник отдела перспективных разработок в двигателестроении Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» Александр Себелев:
«И все-таки надо подчеркнуть: электрический привод для летательных аппаратов — уже реальность. Сейчас более 90% беспилотников поднимают в воздух именно электродвигатели. Если произойдет научный прорыв в аккумуляторостроении, то, конечно, на них перейдет большая часть летательных аппаратов. Многое здесь зависит от наших коллег — химиков и физиков, которые ведут исследования по созданию аккумуляторных батарей».
Может ли летать воздушное судно с ядерной силовой установкой? Этим вопросом задались в середине XX века ученые в СССР и США. Начались разработки. Почему они закончились неудачей, рассказывает наш эксперт.
Старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры №24 «Авиационной техники и диагностики» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А.Новикова Искандар Давыдов:
«И у нас, и на Западе конструкторы столкнулись с проблемой грязного топлива — опасными выбросами, отрицательно влияющими на экологию и здоровье экипажа. Соответственно, нужна конструкция, которая защитила бы команду от радиации. Целесообразности в создании такого судна не увидели, поэтому программу в двух странах закрыли. Если технологии продвинутся, если мы сможем эффективно защитить окружающую среду и экипаж, то всё может быть… Но вряд ли это перспектива ближайшего будущего».
Старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры №24 «Авиационной техники и диагностики» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А.Новикова Искандар Давыдов:
«И у нас, и на Западе конструкторы столкнулись с проблемой грязного топлива — опасными выбросами, отрицательно влияющими на экологию и здоровье экипажа. Соответственно, нужна конструкция, которая защитила бы команду от радиации. Целесообразности в создании такого судна не увидели, поэтому программу в двух странах закрыли. Если технологии продвинутся, если мы сможем эффективно защитить окружающую среду и экипаж, то всё может быть… Но вряд ли это перспектива ближайшего будущего».
Водород, на первый взгляд, — идеальное топливо. Благодаря рекордной энергоемкости и малой массе он может обеспечить реактивному двигателю прекрасное отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива.
По теплотворности этот газ втрое превосходит авиационный керосин. Он устойчиво горит и не создает в камере сгорания вредных пульсаций. А еще у него высокая охлаждающая способность, что продлевает жизнь мотору.
Но главный плюс — экологическая чистота: в выхлопе только водяной пар с небольшой примесью оксидов азота.
Впрочем, водород бережно относится к природе только на этапе сжигания в двигателе. Его получение связано с немалыми энергетическими затратами. Из-за этого килограмм водорода в среднем в 20–80 раз дороже килограмма лучшего авиационного керосина.
Есть сложности и с технологией хранения: такое топливо просто так в бак не зальешь. Даже в самых современных емкостях для водорода не исключена аварийная утечка. А нештатная ситуация грозит сильным взрывом.
Старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры №24 «Авиационной техники и диагностики» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова Искандар Давыдов:
«Разработки водородных авиадвигателей ведутся. Наверное, в будущем — лет через 50–100 — человечество придет к этому альтернативному топливу, которое экологичнее и, может быть, станет дешевле. Тем более, что проблема использования жидкого водорода в ракетно-космической технике давно решена, и лидером в этих разработках был СССР».
Но пока альтернативы газотурбинным двигателям нет.
По теплотворности этот газ втрое превосходит авиационный керосин. Он устойчиво горит и не создает в камере сгорания вредных пульсаций. А еще у него высокая охлаждающая способность, что продлевает жизнь мотору.
Но главный плюс — экологическая чистота: в выхлопе только водяной пар с небольшой примесью оксидов азота.
Впрочем, водород бережно относится к природе только на этапе сжигания в двигателе. Его получение связано с немалыми энергетическими затратами. Из-за этого килограмм водорода в среднем в 20–80 раз дороже килограмма лучшего авиационного керосина.
Есть сложности и с технологией хранения: такое топливо просто так в бак не зальешь. Даже в самых современных емкостях для водорода не исключена аварийная утечка. А нештатная ситуация грозит сильным взрывом.
Старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры №24 «Авиационной техники и диагностики» Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации имени Главного маршала авиации А.А. Новикова Искандар Давыдов:
«Разработки водородных авиадвигателей ведутся. Наверное, в будущем — лет через 50–100 — человечество придет к этому альтернативному топливу, которое экологичнее и, может быть, станет дешевле. Тем более, что проблема использования жидкого водорода в ракетно-космической технике давно решена, и лидером в этих разработках был СССР».
Но пока альтернативы газотурбинным двигателям нет.
Теперь вы знаете главное об эволюции авиадвигателей. В рамках проекта к 100-летию гражданской авиации в России мы расскажем еще много интересного о том, что происходит в важнейшей отрасли сегодня.
Внимательный читатель заметит, что первые советские моторы были военного назначения. Так в СССР в те годы развивалось двигателестроение: приоритетом были разработки для армии, а на их основе создавались гражданские модификации.
Пика развития поршевые авиадвигатели достигли к концу Второй Мировой войны. Они позволяли самолетам достигать скорости до 750 км/ч. Но на этом их возможности были исчерпаны: ведь мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д., то есть массы. А масса, как мы уже говорили, — враг авиации. Так, ученые подсчитали: чтобы набрать скорость до 1000 км/ч, поршневый мотор должен весить 15 тонн! Для летательных аппаратов, где буквально каждый килограмм на счету, это неприемлемо.
Вторым фактором, ограничивающим развитие поршневых двигателей, стал сам воздушный винт. На больших скоростях при росте мощности он уже не в состоянии увеличить тягу — становится «тормозом». Это называется «эффект запирания».
Вот две главные причины, по которым поршневые силовые установки уступили место газотурбинным. Впрочем, совсем со сцены такие авиадвигатели не ушли: их до сих пор используют в малой авиации. Самолеты этого типа летают на высоте до 4000 м. Их мощность не превышает 500-750 лошадиных сил.
Пика развития поршевые авиадвигатели достигли к концу Второй Мировой войны. Они позволяли самолетам достигать скорости до 750 км/ч. Но на этом их возможности были исчерпаны: ведь мощность зависит от количества цилиндров, площади поршней и т.д., то есть массы. А масса, как мы уже говорили, — враг авиации. Так, ученые подсчитали: чтобы набрать скорость до 1000 км/ч, поршневый мотор должен весить 15 тонн! Для летательных аппаратов, где буквально каждый килограмм на счету, это неприемлемо.
Вторым фактором, ограничивающим развитие поршневых двигателей, стал сам воздушный винт. На больших скоростях при росте мощности он уже не в состоянии увеличить тягу — становится «тормозом». Это называется «эффект запирания».
Вот две главные причины, по которым поршневые силовые установки уступили место газотурбинным. Впрочем, совсем со сцены такие авиадвигатели не ушли: их до сих пор используют в малой авиации. Самолеты этого типа летают на высоте до 4000 м. Их мощность не превышает 500-750 лошадиных сил.
Михаил Громов
Михаил Волковойнов
Автор: Анастасия Коренькова
Редактор / корректор: Елена Виноградова
Координатор: Елена Рожнова
Фотографы: Алексей Рожнов, Анжела Мнацаканян
Видео: Алексей Рожнов
Фотографии также предоставлены Передовой инженерной школой СПбПУ
Другие источники фотографий и иллюстраций: Adobe Stock, wikipedia.org
Дизайнер: Соня Осколкина
АО «Концерн воздушно-космической обороны «Алмаз — Антей»
Редактор / корректор: Елена Виноградова
Координатор: Елена Рожнова
Фотографы: Алексей Рожнов, Анжела Мнацаканян
Видео: Алексей Рожнов
Фотографии также предоставлены Передовой инженерной школой СПбПУ
Другие источники фотографий и иллюстраций: Adobe Stock, wikipedia.org
Дизайнер: Соня Осколкина
АО «Концерн воздушно-космической обороны «Алмаз — Антей»
Реклама
Спецпроекты «Фонтанки.ру»
Март 2023 г. © Фонтанка.ру