Сила будущего. Двигатели для истребителей пятого поколения - «Военные действия»

В рамках программы рарзарботки истребителя пятого поколения авиационной промышленности и смежным отраслям необходимо решить ряд сложнейших задач и создать все необходимое оборудование. Одной из самых сложных составляющих такой программы является создание двигателя с требуемыми характеристиками. Проекты перспективных силовых установок разрабатываются в ряде стран, причем несколько таких систем уже доведены до серийного производства. Рассмотрим текущее положение дел в этой области.

США

Первыми разработку двигателей для истребителей пятого поколения начали предприятия Соединенных Штатов. Эти проекты так же были первыми завершены, а затем доведены до серийного производства и последующей эксплуатации. Как следствие, к настоящему времени США получили возможность сообщать о новых рекордах и серьезном отрыве от зарубежных конкурентов. Буквально несколько дней назад американская промышленность сообщила о преодолении очередного важного рубежа.

Серийный самолет F-22A одной из строевых частей. Фото US Air Force

Первым американским двигателем нового поколения стало изделие Pratt & Whitney F119, создававшееся в рамках программы ATF и теперь используемое на истребителях Lockheed Martin F-22 Raptor. Несколько дней назад было объявлено, что такие двигатели, достаточно давно находящиеся в полноценной эксплуатации, в общей сложности наработали 500 тыс. летных часов. Руководитель проекта F119 Аманда Глоуд отметила, что подобное достижение ярко демонстрирует возможности имеющихся технологий. Также сообщается, что с 2005 года все построенные истребители F-22 в общей сложности провели в воздухе 200 тыс. часов.

Разработка двигателя F119 началась еще в восьмидесятых годах с целью оснащения будущих истребителей пятого поколения программы ATF. Контракт на полноценное проектирование был подписан в 1991 году. Через год первый опытный F119 был установлен на испытательный стенд, а в 1997-м готовые изделия нового типа были испытаны на опытных самолетах. Двигатели компании Pratt & Whitney использовались на опытных самолетах Lockheed YF-22 и Boeing YF-23. Последний не в полной мере устроил военных, и выбыл из конкурса. В итоге к серийному производству был рекомендован истребитель F-22 с двигателем модификации F119-PW-100.

Серийные самолеты Raptor оснащаются двумя двигателями F119-PW-100. Такое изделие представляет собой турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой и отклоняемым соплом, управляющим вектором тяги в одной плоскости. Двигатель построен по двухвальной схеме, роторы контуров высокого и низкого давления вращаются в противоположных направлениях. Компрессор низкого давления имеет три ступени, компрессор высокого давления – 6. Имеется по одной ступени турбины в обоих контурах. Сопло двигателя выполнено плоским и имеет отклоняемые створки, позволяющие изменять направление вектора тяги.

Двигатель Pratt & Whitney F119-PW-100 имеет общую длину чуть менее 5,2 м при максимальном диаметре менее 1,2 м. Масса изделия – 1,8 т. Температура перед турбиной составляет 1647°C. Тяга на форсаже – 15876 кгс (по другим данным, 16785 кгс). Согласно официальным источникам, два двигателя F119-PW-100 обеспечивают истребителю тяговооруженность не менее 0,88. При нормальном взлетном весе этот параметр достигает 1,15. Имеется возможность разгона до скорости 2410 км/ч. Без использования форсажа самолет способен развивать скорость 1960 км/ч. Боевой радиус определен в 760 км, тогда как перегоночная дальность достигает 2960 км.


Опытный образец двигателя F119 с управляемым соплом. Фото Wikimedia Commons

По имеющимся данным, к настоящему времени было выпущено более 500 двигателей Pratt & Whitney F119 всех модификаций. Эти изделия использовались на нескольких опытных образцах истребителя F-22, а в дальнейшем устанавливались на серийные самолеты. В общей сложности было построено 195 самолетов, из которых 187 являются серийными и предназначались для поставки военно-воздушным силам. Согласно последним данным, с момента официального старта эксплуатации истребители Raptor успели налетать в общей сложности 200 тыс. часов. При этом общая наработка двигателей, включая летные испытания опытных образцов, достигла 500 тыс. часов. Таким образом, став первым серийным двигателем для истребителя пятого поколения, изделие F119 смогло установить рекорд, который вряд ли будет побит в ближайшем будущем.

В дополнение к тяжелому и весьма дорогому истребителю F-22 американской промышленностью был создан самолет Lockheed Martin F-35 Lightning II. Для оснащения такой техники был создан турбореактивный двигатель Pratt & Whitney F135. Разработка такой силовой установки стартовала в девяностых годах и завершилась в середине прошлого десятилетия. Двигатель F135 создавался на основе существующего F119, из-за чего проект изначально носил обозначение F119-JSF – по названию программы разработки истребителя.

Разработка проекта F119-JSF / F135 завершилась в середине двухтысячных годов, и в 2007-м был представлен первый серийный образец. В дальнейшем продолжилась доводка техники, в результате чего проект заметным образом затянулся. Тем не менее, к 2013 году компания Pratt & Whitney поставила сотый серийный двигатель F135. К этому времени удалось избавиться от основной массы имевшихся проблем, а также поставить в серию три модификации двигателя, предназначенные для разных версий истребителя F-35.

Являясь дальнейшим развитием существующего изделия, двигатель F135 сохраняет основные его черты. Используется двухконтурная схема со схожим составом ступеней компрессоров. Была сохранена одноступенчатая турбина высокого давления, тогда как в контуре низкого давления была применена новая турбина с двумя ступенями. При помощи разных дополнительных устройств или технологий были созданы три модификации двигателя: F135-PW-100, F135-PW-400 и F135-PW-600.


Звено истребителей F-35 в полете. Фото US Air Force

Двигатель версии «PW-100» является базовым изделием семейства и предназначается для установки на самолетах F-35A военно-воздушных сил. Он имеет длину 5,6 м при диаметре не более 1,17 м. Масса изделия – 1,7 т. Максимальная тяга такого двигателя составляет 13 тыс. кгс, форсажная – 19,5 тыс. кгс. На базе «сотого» двигателя была создана модификация F135-PW-400, предназначенная для палубных истребителей F-35C. Единственным серьезным отличием такого двигателя является наличие усиленного антикоррозийного покрытия. Все характеристики остаются на прежнем уровне.

Самолеты F-35B, имеющие возможность укороченного взлета и вертикальной посадки, получают двигатели F135-PW-600, имеющие самые серьезные отличия. Такой двигатель имеет поворотное сопло, позволяющее перенаправлять тягу вертикально вниз. Кроме того, от двигателя вперед отводится дополнительный приводной вал, вращающий подъемный вентилятор. В результате такой переработки длина силовой установки в целом увеличилась до 9,37 м, из которых 1,35 м приходится на крупнейшие части подъемного вентилятора. Максимальная тяга такого двигателя составляет 12250 кгс, форсажная – 18600 кгс.

Первые самолеты семейства F-35 были построены и подняты в воздух в 2006 году. За прошедшее время машины трех модификаций были доведены до полноценного серийного производства. Уже построено и передано заказчику более 230 машин. Все эти самолеты несут по одному двигателю соответствующей модификации. Заявлена возможность разгона до максимальной скорости 1930 км/ч. Без использования форсажа истребитель F-35A способен лететь со скоростью 1470 км/ч. Боевой радиус достигает 1400 км, дальность – не менее 2200 км.


Двигатель F135-PW-600 с подъемным вентилятором. Фото Wikimedia Commons

Как видим, Соединенные Штаты, начав работы раньше других стран, к настоящему времени успели разработать и довести до серийного производства сразу два турбореактивных двигателя для истребителей пятого поколения. Эти изделия строятся в значительных количествах и эксплуатируются вооруженными силами.

Китай

Заметных успехов в деле создания истребителей пятого поколения и двигателей для них достиг Китай. В настоящее время китайская промышленность работает сразу над двумя перспективными самолетами, а также создает для них необходимые комплектующие. При этом, однако, в области двигателестроения наблюдается неоднозначная ситуация. Имея ограниченные возможности в деле разработки современных авиационных двигателей, КНР вынуждена самым активным образом использовать зарубежные изделия.

В январе 2011 года впервые поднялся в воздух истребитель пятого поколения Chengdu J-20. К настоящему времени было построено и выведено на испытания несколько опытных образцов, отличающихся по конфигурации и составу бортового оборудования. Так, по известным данным, опытные J-20 имели силовую установку двух версий, как китайского, так и зарубежного производства.

Ранее появлялась информация о закупке российских двигателей АЛ-31Ф, отличающихся высокими характеристиками. Такие двигатели могли бы использоваться вплоть до начала серийного производства самолетов и появления собственных изделий с аналогичными характеристиками. Также публиковалась информация о возможности использования последних модификаций двигателя Shenyang WS-10, представляющего собой китайской вариант развития советского/российского АЛ-31.


Китайские истребители Chengdu J-20 во время демонстрационного полета. Фото Wikimedia Commons

Согласно последним данным, серийные самолеты J-20 будут оснащаться турбореактивными двигателями Xian WS-15, разрабатываемых до настоящего времени. Проект стартовал еще в девяностых годах, и в середине двухтысячных дошел до стендовых испытаний. К концу прошлого десятилетия были получены определенные положительные результаты. Ранее в зарубежных профильных изданиях высказывались предположения, согласно которым проект WS-15 является китайской попыткой скопировать американский двигатель F119. Также ходили слухи о желании Китая скопировать российские двигатели последних модификаций семейства АЛ-31.

Из имеющихся данных следует, что изделие Xian WS-15 представляет собой турбовентиляторный двигатель с форсажной камерой. Сообщалось о применении трехступенчатого компрессора низкого давления и шестиступенчатого компрессора в контуре высокого давления. Двигатель имеет общую длину более 5 м. При температуре перед турбиной порядка 1600°C планируется получить тягу до 19-20 тыс. кгс.

По разным оценкам, истребитель Chengdu J-20 с двумя двигателями WS-15 сможет показывать тяговооруженность не менее 1,05. При этом он сможет развивать скорость до 2100 км/ч. Возможность разгона до сверхзвуковых скоростей без использования форсажа пока не уточняется. Какие характеристики будет иметь серийный самолет с доведенными двигателями – пока неизвестно.

С 2012 года продолжаются летные испытания легкого истребителя пятого поколения Shenyang J-31. Согласно имеющимся данным, как минимум, в течение некоторого времени этот самолет испытывался в специфической конфигурации. Он был оснащен двумя турбореактивными двигателями РД-93 российского производства, используемыми на истребителях четвертого поколения. В прошлом десятилетии Китай смог наладить выпуск своей версии РД-93 под названием Guizhou WS-13. В обозримом будущем планируется оснастить самолеты J-31 улучшенным двигателем WS-13E.


Легкий истребитель Shenyang J-31 на авиационной выставке. Фото Wikimedia Commons

Согласно ранее публиковавшимся сведениям, WS-13E будет представлять собой двухконтурный турбовентиляторный двигатель, являющийся дальнейшим развитием существующего РД-93. Серийные изделия базовой модификации WS-13 имеют восемь ступеней компрессоров высокого и низкого давления. При длине менее 4,2 м и диаметре около 1 м двигатель WS-13 весит 1,14 т. Существующее изделие на форсаже развивает тягу более 8800 кгс. В новой модификации WS-13 форсажную тягу планируется увеличить и довести до 9-9,1 тыс. кгс.

По понятным причинам, точное состояние перспективных проектов WS-13E и WS-15 не раскрывается. Китайская оборонная промышленность традиционно хранит свои основные секреты и не спешит оглашать самые интересные сведения о новых проектах.

Россия

Российская промышленность продолжает работы над единственным собственным проектом истребителя пятого поколения – ПАК ФА или Т-50. В рамках крупной программы также ведется разработка перспективного двигателя, отличающегося от существующих образцов повышенными характеристиками и новыми возможностями. Тем не менее, сложность подобных работ привела к тому, что опытные самолеты пришлось оснащать двигателями имевшихся типов, имеющими приемлемые характеристики. Прототипы Т-50 пока оснащаются турбореактивными двигателями АЛ-41Ф1. В дальнейшем предполагается завершить разработку и поставить в серию совершенно новый двигатель, пока известный под обозначением «Изделие 30» или «Тип 30».

В контексте программы ПАК ФА «Изделие 30» рассматривается как т.н. двигатель второго этапа. Пока этот проект имеет только рабочее обозначение, но в дальнейшем возможно появление нового названия с литерами «АЛ». Ранее сообщалось, что к настоящему времени была разработана конструкторская документация и стартовала сборка опытных двигателей. Установка «Изделий 30» на опытный самолет и первый полет с их использованием запланированы на конец текущего года. В течение нескольких следующих лет будут выполняться новые проверки, а в 2020 году предполагается провести государственные испытания.


Один из опытных ПАК ФА / Т-50. Фото Alex S / Russianplanes.net

Несколько дней назад издание «Газета.ру» опубликовало новые подробности хода проекта «Изделие 30», полученные от неназванных источников в Московском ОКБ им. А.М. Люльки. Согласно информации от источника, предприятие работает в три смены, чтобы успеть к назначенным срокам и уложиться в установленный график. При этом имеются проблемы со смежниками: со своими обязательствами не справляется поставщик автоматики управления двигателем. После завершения текущих работ планируется установить опытный двигатель на летающую лабораторию и испытать в полете. Первая такая проверка запланирована на 6 ноября. Тем не менее, если смежники не справятся со своими задачами, график испытаний может быть изменен.

Также источник «Газеты.ру» подтвердил, что перспективный двигатель заметно отличается от существующих изделий, таких как АЛ-41Ф1, но получает новую турбину и полностью цифровую систему управления. Следствием этого станет получение повышенных характеристик тяги в сочетании со сниженным потреблением топлива. Все это позволит самолету, оснащенному «Изделиями 30», развивать сверхзвуковую скорость без использования форсажа с соответствующими положительными последствиями для применения техники в целом.

По разным данным, перспективный двигатель будет развивать тягу до 11000 кгс без использования форсажа и до 18 тыс. кгс с его применением. За счет этого самолет Т-50 будет иметь тяговооруженность, в зависимости от взлетной массы, не менее 1. Максимальная скорость оценивается в 2500-2600 км/ч, максимальная без использования форсажа – до 2000 км/ч. Двигатель «Тип 30» будет оснащен отклоняемым соплом, позволяющим управлять вектором тяги. Это даст самолету значительный прирост маневренности на всех режимах полета.

***

Несмотря на бурное развитие радиоэлектронных систем и рост их значения, двигатели по-прежнему остаются одной из самых важных и сложных в разработке частей перспективных самолетов. Особые требования, предъявляемые к истребителям пятого поколения, приводят к соответствующим последствиям в контексте двигателестроения. Конструкторам приходится решать особо сложные задачи, без чего не удастся выполнить все требования заказчика и создать самолет с необходимыми характеристиками.


Двигатель АЛ-41-Ф1, используемый на существующих прототипах Т-50. Фото Wikimedia Commons

На данный момент сразу несколько стран работают над своими вариантами истребителей пятого поколения, однако далеко не все подобные разработки продвинулись достаточно далеко. Более того, лишь одна страна смогла довести перспективные самолеты до серийного производства. Другие пока проводят испытания или занимаются опытно-конструкторскими работами. Тем не менее, очевидно, в течение нескольких следующих лет США потеряют свое первенство, поскольку в серию могут пойти сразу несколько самолетов зарубежной разработки.

Ситуация с двигателями для перспективных истребителей выглядит похоже, однако заметным образом отличается. Так, Соединенные Штаты уже имеют два серийных двигателя, один из которых к тому же выпускается в трех модификациях, Россия только готовится к испытаниям первого образца схожего назначения, а о ходе китайских проектов почти ничего не известно. При этом очевидно, что разработка перспективной техники и комплектующих для нее продолжается и постепенно приводит к все новым и новым результатам. Конечным итогом всех проектов должно становиться начало серийного производства новых двигателей для установки на серийных самолетах, предназначенных для вооруженных сил. Два двигателя нового поколения уже решили эту задачу. Остальным только предстоит это сделать.
По материалам сайтов:
http://defensenews.com/
http://globalsecurity.org/
http://airwar.ru/
http://defence-update.com/
http://armyrecognition.com/
http://gazeta.ru/
http://janes.com/
http://flightglobal.com/
http://airforceworld.com/