Почему столько задержек с двигателем ПД-14 для импортозамещенного МС-21

.

Причина в том, что в области отечественного авиационного двигателестроения он стал самым масштабным за последние несколько десятилетий. Эксперты и причастные лица были заинтригованы этой работой.

Аббревиатура ПД-14 имеет расшифровку (Перспективный Двигатель с тягой 14 т). Причем в рамках проекта предполагается постройка сразу нескольких силовых установок с тягой 9-18 тонн. Они должны закрыть большинство потребностей российского рынка и помочь отказаться от зарубежных агрегатов. ПД-14 — семейство двигателей пятого поколения. Это достаточно новое направление, которое только начинают осваивать ведущие КБ из РФ, Франции, США и Великобритании. Сейчас в мире таких установок не более 15%. ПД-14 пополнит их число и позволит существенно снизить эксплуатационные расходы. Заявлено, что он будет на 15-17% экономней аналогов. Отечественные конструкторы начали работу над реактивным мотором примерно 16 лет назад. В 2008 году указанный проект получил финансирование в размере 15 млрд. рублей, после чего сразу началась активная работа. Уже в 2010 году конструкторы тестировали прототип газогенератора 100ГГ-01, а в середине 2012 года представили комплектный демонстратор двигателя.

Силовая установка создается специально под новый отечественный лайнер МС-21-310. Это ближне-среднемагистральный узкофюзеляжный авиалайнер, относящийся к самому популярному и востребованному типу пассажирских самолетов. Нюанс в том, что сроки работы над планером и двигателем рассинхронизированы. Обычно для создания силовых установок новых поколений нужно в 1.5-2 раза больше времени. А в данном случае ПД-14 начали разрабатывать уже после старта проекта МС-21 (это случилось в 2005 году). По этой причине сдвинулись сроки сертификации мотора, и разработчики приняли решение для первых тестовых полетов использовать двигатель из США. Им стал PW1400G, схожий по характеристикам с отечественной разработкой.

Используемые в ПД-14 технологии

Необычность проекта в том, что при его реализации создали профильные группы. У каждой было свое направление, поэтому эффективность работы оказалась максимальной. К разработке были привлечены специалисты разных предприятий ОДК и отраслевых институтов. На этапе конструирования «демонстратора» произошло событие, определившее будущее силовой установки. На этой стадии конструкторы смогли отработать технологию изготовления пустотелой титановой лопатки вентилятора. Они использовали инновационный метод сверхпластической формовки и диффузионной сварки. В освоении технологии участвовали разные специалисты: ЦИАМ им. П. И. Баранова, ОДК-Авиадвигатель, ОДК-УМПО и т.д.

Еще одной сверхважной задачей стало создание турбины низкого давления ТНД). Здесь ключевую роль сыграли опыт и знания конструкторов и Перми и Уфы. Именно они выбрали перспективное направление для работы среди двух имеющихся: · минимальное количество ступеней при максимальных размерах самой турбины; · как можно больше ступеней и меньший диаметр турбины. В итоге конструкторы выбрали проверенный подход с большим количеством ступеней и умеренными габаритами элемента. Это позволило добиться отличного сочетания силовой отдачи и экономичности на крейсерском режиме. Еще один уникальный момент — одновременная работа ОДК-Авиадвигатель над мотором ПД-14 и мотогондолой. Таких примеров отечественная сфера двигателестроения ранее не знала. Опыт оказался удачным. Конструкторы решили не использовать популярный на то время распашной тип реверсивного устройства. Другой инновацией стало внедрение электропривода, который также был создан в России компаниями «Диаконт» и «Электропривод».

Упомянутые выше пустотелые лопатки вентилятора позволили значительно снизить массу силовой установки. Для их изготовления была проведена колоссальная по объему и содержанию работа. Специалистам удалось получить изделия, имевшие минимальную массу и способные выдерживать колоссальные нагрузки.

Научное обоснование выбранных инженерных решений

У двигателя ПД-14 высокая степень двухконтурности (8.5), что нехарактерно для подобных агрегатов. Но тогда почему было выбрано подобное решение? Все дело в ценах на топливо! ВАЖНО: Степень двухконтурности — это соотношение расхода воздуха, проходящего через внешний контур и турбину. При равных условиях этот показатель напрямую влияет на тягу двигателя. Увеличить тягу силовой установки можно двумя способами. Рассмотрим каждый из них: 1. Повышение скорости реактивной струи. При увеличении этого показателя в 2 раза кинетическая энергия возрастает в 4 раза. 2. Увеличение массы реактивной струи. Здесь изменения показателей пропорциональны. То есть если масса струи увеличится вдвое, то и энергия станет x2. Фактически при идентичных характеристиках тяги можно получить кинетическую энергию струи с кратной разницей.

Если идти по пути увеличения кинетической энергии струи, то неизбежно повышение расхода топливо. В нынешних реалиях это экономически невыгодно, и ситуация вряд ли когда-нибудь изменится. Поэтому необходимо одновременно снизить скорость струи и повысить ее массу. Здесь на первый план выходит второй контур, который забирает определенный процент энергии турбины и формирует тягу струи во внешнем контуре. При таких вводных скорость струи понижается, ее масса растет и увеличивается тяга. И все это происходит при уменьшении расхода топлива!

У высокой двухконтурности есть и обратная сторона. Она негативно влияет на максимальную и крейсерскую скорость, а также на тягу ВС с увеличением высоты. Поэтому раньше конструкторы предпочитали иметь низкую двухконтурность при высоких других показателях (скорости, тяге и «аппетитах» двигателей). Но сейчас приходится думать об экономичности. ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ: У ПД-14 на крейсерском режиме движения (скорость 0.8 М и высота 11 тыс.м.) тяга сильно падает с высотой и равняется 2430 кг.

Используемые материалы

Для изготовления двигателя выбраны особые никелевые и титановые сплавы, имеющие высочайшую прочность. Сама мотогондола на 2/3 выполнена из отечественного композита. Все это в комплексе позволяет значительно снизить итоговую массу силовой установки. ФАКТ: При создании ПД-14 нашли практическое применение около двух десятков инновационных российских материалов. В частности, для изготовления дисков 6-8 ступеней применялся новейший никелевый гранульный сплав. А лопатки турбин сделали из облегченного интерметаллида титана.

С какими двигателями предстоит конкурировать ПД-14?

Основным конкурентом отечественному двигателю видится американский PW1400G от Pratt & Whitney. У них схожие характеристики, хотя по некоторым позициям заокеанский мотор выигрывает. Наша силовая установка имеет вентилятор длиной 1900 мм, американский 2100 мм. Тяга при взлете у ПД-14 составляет 14 тонн, а конкурента — 13.6 тонны. Степень двухконтурности у них также отличается: 8.5 m у российского, 10 m у американского. При этом тесты показали абсолютно одинаковый расход топлива 0.53 кг/кгс*ч. Последний параметр особенно важен в условиях высоких цен на нефть. В крейсерском режиме ПД-14 демонстрирует тягу 2430, а PW1400G — 2600. Вес у них различается всего на 20 кг: 3780 кг против 3800 кг соответственно.

Еще один важный аспект при выборе подобных двигателей — их последующее обслуживание. Pratt & Whitney здесь выигрывает по всем параметрам, поскольку компания давно наладила поставки запасных частей во все у4голки планеты. Отечественный двигатель может отвоевать долю рынка, но только при условии постоянного совершенствования и успешной работе в области поставок комплектующих.

Перспективы двигателя в контексте лайнера МС-21

Согласно официальным заявлениям, старт серийного производства авиалайнера начнется в 2024 году. До конца отчетного периода должны быть готовы к эксплуатации первые 6 воздушных судов. В марте текущего года появилась информация, что уже активно тестируется новое ПО FADEC, для чего производились испытательные полеты опытного образца авиалайнера. Якобы летчики тестировали ВС в разных режимах.

Указанные данные противоречат слухам о проблемах с весом у самолета после использования комплектующих в рамках программы импортозамещения. Это подтвердили авторитетные отечественные издания, назвавшие даже точную цифру. Если верить их сведениям, самолет стал тяжелей на 6 тонн, что значительно ухудшило его летные характеристики. В этом плане представители Ростеха лишь косвенно подтвердили указанные проблемы. Они заявили: «Пока рано говорить о проблемах с весом, поскольку не утвержден финальный облик авиалайнера. Планируется, что это произойдет к концу 2024 года, и тогда можно будет говорить о проблемах или признать их отсутствие. Хотя установка компонентов в рамках программы импортозамещения действительно приводит к тому, что вес лайнера меняется».

Возникает вопрос: Если внешнего облика еще нет, что же тогда взлетало и тестировалось? Ответы на него получить не удастся. Вряд ли представители госкорпорации выложат все карты на стол, особенно если прямо перед запуском в серию самолет вдруг оказался неконкурентоспособным.

Напомним, в феврале текущего года ОАК заявила об изменении сроков поставок МС-21 и SJ 100. Точные сроки пока не называются, но это минимум 1-2 года. При этом в прессе активно тиражируются сведения, что итоговые характеристики самолетов будут отличаться от запланированных. В худшую сторону! Сейчас рано делать выводы. Официальной документации по ВС пока не существует в природе, но вся эта «карусель» со сменой материалов и комплектующих действительно могла сделать самолет излишне тяжелым. Уже сейчас некоторые издания со ссылкой на экспертов заявляют об изменении озвученных ранее параметров. Например, вместимость и дальность полета уменьшатся примерно на 30 % (с 211 до 135 мест, с 5 до 3.5 тыс. км. соответственно). У авиакомпаний нет особого выбора, поэтому они будут ждать поставок МС-21. Покупать зарубежные самолеты сейчас сложно и недальновидно в плане их дальнейшего обслуживания.