Турбовентиляторный двигатель (тврд) и его дальнйшее развитие

Классификация самолетов с учетом конструктивных особенностей по И.Г. Житомирскому.

С учетом аэродинамической схемы:

• Нормальная схема строения.

• «Бесхвостка» – самолеты, выполненные в этой схеме аэродинамики, не имеют некоторых плоскостей на горизонтальном управлении. Управление осуществляют хвостовые плоскости.

• «Утка» – в этой схеме продольные органы управления находятся в передней части крыла.

• Конвертируемая – наиболее ярким представителем этого типа является самолет Ту-144.

• Тандем – летательный аппарат, имеющий два крыла, которые расположены друг за другом.

• Продольный триплан – хвостовое оперение горизонтального типа, а остальное – переходного типа.

В зависимости от расположения крыла

По количеству установленных крыльев:

• Полиплан.

• Триплан – самолеты оснащены тремя крыльями.

• Полутораплан – нижнее крыло значительно короче, чем верхнее.

• Биплан – самолет с двумя крыльями, которые в большинстве случаев расположены один над другим.

• Моноплан – самолеты с одной несущей поверхностью.

По типу расположения крыльев (монопланы):

• Парасоль.

• Среднеплан.

• Высокоплан.

• Низкоплан.

• Чайка.

Набор внешней части крыла (моноплан):

• Расчалочный моноплан.

• Свободнонесущий.

• Подносный моноплан.

Набор внешней части крыла (полипланы):

• Подкосной.

• Подкосно-стоечный.

• Стоечный.

• Свободнонесущий.

• Расчалочно-стоечный.

В зависимости от формы крыльев:

• Круглое.

• Прямоугольное.

• Параболическое.

• Эллиптическое.

• Треугольное.

• Трапециевидное.

• Кольцевое.

• Овальное

В зависимости от типа стреловидности крыльев:

• Прямое с углом стреловидности в 0 градусов.

• Обратной стреловидности.

• Изменяемой стреловидности во время осуществления полета.

• Прямой стреловидности.

• Переменной стреловидности.

Особый тип строения крыла:

Арочное – использовалось для самолета конструктора Антонова, который обозначался как «Изделие 181».

Что такое самолет с атомным двигателем?

Во время Холодной войны были предприняты попытки создания реактивного двигателя не на химической реакции, а на тепле, который бы вырабатывал ядерный реактор. Его ставили вместо камеры сгорания.

Воздух проходит через активную зону реактора, понижая его температуру и повышая свою. Он расширяется и истекает из сопла со скоростью, большей чем скорость полета.

Комбинированный турбреактивно-атомный двигатель.

В СССР проводились его испытания на базе ТУ-95. В США тоже не отставали от ученых в Советском Союзе.

В 60х годах исследования в обеих сторонах постепенно прекратились. Основными тремя проблемами, которые помешали разработке, стали:

• безопасность летчиков во время полета;
• выброс радиоактивных частиц в атмосферу;
• в случае падения самолета, радиоактивный реактор может взорваться, нанеся непоправимый вред всему живому.

Модификации мотора М-17. М-34, АМ-35 и АМ-38

А. А. Микулин разрабатывает в ЦИАМе вначале проект модификации мотора М-17, а именно М-34 (АМ-34). Оставив неизменной поршневую группу, Микулин сосредоточился на изменении силовой схемы корпуса. В тени Микулина работает его бывший коллега по конструкторскому бюро в НАМИ В. А. Добрынин, на плечи которого ляжет основная работа по доводке М-34 в Рыбинске. Став в 1936 г. во главе КБ завода № 24, Микулин с коллегами к 1941 г. разрабатывают самый мощный мотор того времени АМ-35 (1350 л.с.), оказавшийся, однако, неудачным (тяжелым) приме­нительно к истре­би­телю. Позже на его основе был создан АМ-38 для штурмовика Ил-2.

Добрынин из-за разногласий с Микулиным уходит из его КБ и в 1939 г. фактически становится главным конструктором КБ-2 при МАИ, в котором начинается разработка мощного (2500 л.с.) 24-цилиндрового мотора водяного охлаждения Х-образной схемы М-250 (по 6 цилиндров в четырех рядах). Эта незаконченная разработка, имевшая драматическую судьбу в связи со вскоре начавшейся войной, сыграет-таки свою роль в истории советского авиамоторостроения. В ее ходе создавалась новая конструкторская школа. А в негласном споре конструкторских школ бывших коллег Микулина и Добрынина в конечном счете победит Добрынин.

Самолетостроение очень быстро развивается (нарастает инновационная волна), и ему нужны все более мощные и надежные двигатели, которых в стране нет. Время является критическим фактором в предвоенной гонке: в том, что война неизбежна (или с Англией, или с Польшей, или с Японией), никто не сомневается. В СССР — состояние враждебного окружения капиталистических государств. Используя мировой экономический кризис и связанную с этим благоприятную конъюнктуру (кроме СССР, заказчиков нет), правительство принимает решение о закупке лицензий и целых заводов за рубежом. В качестве партнеров выбираются уже известные нам французские компании «Гном-Рон» и «Испано-Сюиза» и американская «Райт».

Системы бортового оборудования

Все, что обеспечивает жизнь машины в воздухе и правильность ее поведения в полете — управляемость, безопасность, надлежащие условия для пассажиров и экипажа, исправное выполнение специальных функций, для которых, собственно, машина и создавалась, — называют системами бортового оборудования.

Часть бортовой системы электроснабжения самолета: преобразователь тока

В 1970-х годах, когда на воздушные суда начали все шире проникать электронные устройства, для этих систем появился термин «авионика», совместивший в себе понятия «авиация» и «электроника». Оборудование летательных аппаратов подразделяют на собственно авиационное, радиоэлектронное и авиационное вооружение (для военных машин).

К авиационному оборудованию относится, прежде всего, электрика, в том числе системы энергоснабжения, светотехническое оборудование, системы управления силовыми установками (двигателями машины), системы кондиционирования, автоматические противопожарные средства, противообледенительные системы.

Система энергоснабжения обеспечивает электроэнергией все системы и аппараты машины, питаемые от электричества. В нее входят в первую очередь авиационные генераторы, отличающиеся от аналогичных наземных устройств меньшими размерами и весом.

Часть бортовой системы электроснабжения самолета: генератор постоянного тока

Затем — преобразователи тока, изменяющие его род и характеристики при подаче к электрическим аппаратам. Аварийными источниками питания, которые применяются при выходе из строя основных, служат аккумуляторные батареи.

Наконец, сами электрические провода и коробки для их разветвления, а также разного рода реле, включающие и выключающие в нужный момент то или иное электрическое устройство.

Светотехническое оборудование самолета подразделяется на внешнее и внутреннее. Первое устанавливается на крыле, фюзеляже, хвостовом оперении. Оно служит для предотвращения столкновения с другими машинами, освещения взлетно-посадочной полосы, подсветки опознавательных знаков на борту и прочее. На консолях крыла, носу и хвосте находятся аэронавигационные огни, обозначающие габарит машины в темноте.

Части бортовой системы электроснабжения самолета: а — реле; б — распределительная коробка

Внутреннее освещение применяется в самом самолете — в кабине пилотов, пассажирских отсеках. Оно же используется для подсветки приборных досок.

К приборному оборудованию самолета относятся устройства, осуществляющие измерения условий полета: атмосферное давление за бортом и высоту машины над землей, скорость полета и число Маха (то есть отношение скорости самолета к скорости звука), скорость ветра за бортом, температуру воздуха и прочее. Все приборы, контролирующие эти показатели, называют аэрометрическими.

Фара для освещения взлетной полосы, применявшаяся в советских летательных аппаратах. На снимке — в убранном положении

Отдельная приборная система следит за работой силовых установок: проверяет температуру и давление в рабочих камерах двигателей, предупреждает о сбоях в управляющих системах. Специальные пилотажно-навигационные приборы сверяют движение машины с заданным курсом.

К авиационному оборудованию относят и средства объективного контроля, следящие как за оборудованием машины, так и за поведением ее экипажа, причем делающие это независимо от него. Такие средства, называемые черными ящиками, нужны для выяснения причин аварий. В эту же группу входят и всем известные автопилоты — средства, позволяющие вести машину по заданному курсу в автоматическом режиме. Система предупреждения о столкновении «обозревает» пространство вокруг машины, передает сигналы встречным воздушным судам, сообщает о появлении других машин своему пилоту.

Бортовой аэронавигационный огонь самолета

Поделиться ссылкой

ПРЕОБРАЗУЕМЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Также по теме: САМОЛЕТ

Преобразуемый летательный аппарат может взлетать вертикально или почти вертикально, переходя затем к горизонтальному полету. Переход к горизонтальному полету можно осуществить несколькими способами: установкой независимых тяговых систем для вертикального и горизонтального полета, поворотом осей вращения винтов, поворотом крыла с винтами и, наконец, изменением направления реактивной струи таким образом, чтобы на режимах взлета и посадки создавалась вертикальная подъемная сила, а на крейсерском режиме – горизонтальная тяга. В аэродинамических трубах и в летных условиях исследованы самые разные варианты указанных выше основных способов.

Самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП) принадлежат к более многочисленному семейству самолетов вертикального или короткого взлета и посадки (СВ/КВП). Вертолет также является преобразуемым летательным аппаратом, поскольку для перехода в режим горизонтального полета наклоняют ось вращения его винта. К непреобразуемым ЛА относятся самолеты короткого взлета и посадки (СКВП), в которых для уменьшения пробега применяются специальные аэродинамические устройства и двигатели для создания дополнительной подъемной силы.

«Ключевые технологии»

Как говорят эксперты, наиболее трудоёмкая задача для российской промышленности — создание сверхмощного двигателя ПД-35 с тягой на взлёте от 33 до 40 т. Лётные испытания полноразмерного демонстратора этой силовой установки должны начаться в 2025 году, серийное производство — в 2028 году.

Этот агрегат необходим для оснащения перспективных транспортных машин большой грузоподъёмности, широкофюзеляжных дальнемагистральных самолётов Ил-96 и CR929 — перспективного российско-китайского лайнера, над проектом которого работают ОАК и государственная компания COMAC (Шанхай), которая специализируется на производстве авиакосмической техники.

Также по теме

«Технологическая независимость»: как новейший российский двигатель ПД-14 может изменить отечественную авиацию

Российский пассажирский самолёт МС-21 должен до конца года совершить первый полёт на двигателях ПД-14. Об этом глава Объединённой…

Полноразмерный макет отсека этого самолёта был представлен на МАКС-2019 в подмосковном Жуковском. Российско-китайская машина должна выпускаться в трёх модификациях. Базовая версия будет представлена моделью CR929-600, удлинённая — CR929-700, с укороченным фюзеляжем — CR929-500.

«На создание таких двигателей (как ПД-35. — RT) в мировой практике уходит 15 лет… Идёт разработка 18 ключевых технологий. В том числе сложнейшая деталь — композитная лопатка для вентилятора. Она уже готова. Благодаря этому массу двигателя удалось существенно снизить», — рассказал 1 сентября в интервью РБК индустриальный директор авиационного кластера «Ростеха» Анатолий Сердюков.

Как сообщил в июле в комментарии ТАСС генеральный конструктор предприятия «ОДК-Авиадвигатель» Александр Иноземцев, использование новой композитной лопатки для ПД-35 позволило сократить массу узла, где она установлена, на 30%. Серийное производство лопаток развернётся на «ОДК-Сатурн».

Разработке сверхмощного авиационного двигателя нового поколения большое внимание уделяет лично президент РФ Владимир Путин. В середине августа на видеоконференции с врио губернатора Пермского края Дмитрием Махониным он заявил, что власти РФ окажут всю необходимую поддержку в реализации этого амбициозного проекта

«Что касается ПД‑35, это важнейший проект не только для Пермского края и не только для моторостроительного кластера Перми и для моторостроительного кластера страны в целом — это очень важный проект для всей России, имея в виду наши амбициозные планы в развитии авиации, в том числе и нашу работу над широкофюзеляжным самолётом», — подчеркнул Путин.

• Полноразмерный макет отсека CR929 на МАКС-2019

Как полагает Олег Пантелеев, создание новых авиационных двигателей, включая ПД-35, направлено на устранение зависимости отечественной авиационной отрасли от западных государств.

В свою очередь, в комментарии RT заслуженный лётчик России генерал-майор Владимир Попов обратил внимание на то, что реализация амбициозных проектов в двигателестроительном кластере стимулирует разработку новых отечественных летательных аппаратов, материалов и разнообразных электронных систем. «Это позволит создавать новые самолёты не только в гражданском секторе, но и в военной сфере

Благодаря ведущимся разработкам новых двигателей большое количество наших инженерных коллективов, конструкторских бюро получают необходимую финансовую поддержку. Всё это вместе толкает вперёд нашу высокотехнологичную промышленность», — заключил Попов

«Это позволит создавать новые самолёты не только в гражданском секторе, но и в военной сфере. Благодаря ведущимся разработкам новых двигателей большое количество наших инженерных коллективов, конструкторских бюро получают необходимую финансовую поддержку. Всё это вместе толкает вперёд нашу высокотехнологичную промышленность», — заключил Попов.

Конструкция

Устройство двигателя самолета достаточно сложное. Рабочая температура в таких установках достигает 1000 и более градусов. Соответственно, все детали, из которых двигатель состоит, изготавливаются из устойчивых к воздействию высоких температур и возгоранию материалов. Из-за сложности устройства существует целая область науки о ТРД.

ТРД состоит из нескольких основных элементов:

• вентилятор;
• компрессор;
• камера сгорания;
• турбина;
• сопло.

Перед турбиной установлен вентилятор. С его помощью воздух затягивается в установку извне. В таких установках используются вентиляторы с большим количеством лопастей определенной формы. Размер и форма лопастей обеспечивают максимально эффективную и быструю подачу воздуха в турбину. Изготавливаются они из титана. Помимо основной функции (затягивания воздуха), вентилятор решает еще одну важную задачу: с его помощью осуществляется прокачка воздуха между элементами ТРД и его оболочкой. За счет такой прокачки обеспечивается охлаждение системы и предотвращается разрушение камеры сгорания.

Возле вентилятора расположен компрессор высокой мощности. С его помощью воздух поступает в камеру сгорания под высоким давлением. В камере происходит смешивание воздуха с топливом. Образующаяся смесь поджигается. После возгорания происходит нагрев смеси и всех расположенных рядом элементов установки. Камера сгорания чаще всего изготавливается из керамики. Это объясняется тем, что температура внутри камеры достигает 2000 градусов и более. А керамика характеризуется устойчивостью к воздействию высоких температур. После возгорания смесь поступает в турбину.

Вид самолетного двигателя снаружи

Турбина представляет собой устройство, состоящее из большого количества лопаток. На лопатки оказывает давление поток смеси, приводя тем самым турбину в движение. Турбина вследствие такого вращения заставляет вращаться вал, на котором установлен вентилятор. Получается замкнутая система, которая для функционирования двигателя требует только подачи воздуха и наличия топлива.

Далее смесь поступает в сопло. Это завершающий этап 1 цикла работы двигателя. Здесь формируется реактивная струя. Таков принцип работы двигателя самолета. Вентилятор нагнетает холодный воздух в сопло, предотвращая его разрушение от чрезмерно горячей смеси. Поток холодного воздуха не дает манжете сопла расплавиться.

В зависимости от типа используемого двигателя самолеты классифицируют как:

• Паровые.

• Мускульные.

• Поршневые (бензиновые и дизельные установки внутреннего сгорания).

• Воздушно-реактивного типа (ВРД):

  • Турбореактивные.

  • Воздушно-реактивные пульсирующего типа.

  • Воздушно-реактивные прямоточного типа.

• Турбовинтовые.

• Двигатели турбовального типа (используются на Ан-140).

• Турбореактивные с двухконтурной схемой:

  •  Турбовинтовентиляторные.

  • Турбовентиляторные.

• Ракетный тип двигателей:

  • Твердотопливные.

  • Жидкостные.

• Электрические.

• Ядерные.

• Комбинированные.

В зависимости от количества установленных двигателей разделяют все самолеты на два типа, а именно: однодвигательные и многодвигательные.

«Прорывные технологии»

В рамках решения Военно-промышленной комиссии от 17 июля 2018 года в России реализуется концепция, предполагающая широкое внедрение в авиационную отрасль систем электродвижения. Одним из ведущих отечественных институтов в этой сфере является ЦИАМ.

По словам Гордина, в планы предприятия входит создание авиационных двигателей-демонстраторов, «на которых будут исследованы прорывные технологии». В частности, речь идёт об использовании высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), позволяющих уменьшить массогабаритные параметры силовых установок и повысить их КПД до 99%.

По информации ЦИАМ, электрические моторы обладают рядом преимуществ перед агрегатами внутреннего сгорания. Например, они более экологичные и менее шумные. Эти качества позволяют электродвигателям соответствовать самым жёстким международным стандартам, которые определяет Международная организация гражданской авиации (ICAO).

• Cамолёт семейства «Сигма»

«Внедрение электрических силовых агрегатов позволит сократить эмиссию вредных веществ. Также они относительно просты в производстве и эксплуатации по сравнению с двигателями внутреннего сгорания», — отметил в беседе с RT заслуженный лётчик РФ Владимир Попов. 

Кроме того, как считают российские инженеры, прогресс в совершенствовании электрических моторов закладывает фундамент для проектирования летательных аппаратов с новыми характеристиками. При этом учёные признают, что для воплощения в реальность амбициозных инновационных идей потребуется не одно десятилетие.

Выступая на VI Открытой всероссийской конференции по аэроакустике, начальник отдела перспектив развития воздушно-реактивных двигателей ЦИАМ Анатолий Полев констатировал, что «разработка новых конкурентоспособных двигателей — затратный и длительный процесс».

Также по теме

Защита на высоте: как Россия совершенствует костюмы для военных лётчиков

В России разрабатывается новый защитный костюм для пилотов Воздушно-космических сил. Об этом рассказал начальник…

Как пояснил учёный, период создания новых технологий в авиадвигателестроении составляет 10—16 лет, на их освоение и внедрение в летательные аппараты уходит примерно столько же времени. Тем не менее отечественные инженеры рассчитывают достичь определённых практических результатов уже в ближайшее время.

Так, в рамках научно-исследовательской работы «Электролёт СУ-2020» (осуществляется по заказу Минпромторга) в Сибирском научно-исследовательском институте авиации им. С.А. Чаплыгина создаётся летающая лаборатория на базе самолёта Як-40.

На этой машине будет испытываться экспериментальная гибридная силовая установка (ГСУ). Лётные испытания этого образца запланированы на 2022 год.

В носовой части самолёта инженеры установят электродвигатель, использующий эффект высокотемпературной сверхпроводимости. Он призван обеспечить более высокие показатели удельной мощности и КПД компонентов гибридного агрегата по сравнению с традиционными аналогами. В салоне летающей лаборатории будут размещены аккумуляторы и блоки системы управления.

Мощность гибридного двигателя составляет 500 кВт (679 л. с.): 400 кВт производят генераторы, 100 кВт — аккумуляторы. Масса двигателя — 95 кг, диаметр — 0,45 м, длина — 0,4 м. В перспективе подобной силовой установкой можно будет оснащать самолёты вместимостью до 20 пассажиров.

«Создание гибридных силовых установок — одно из ведущих направлений развития авиационной техники, которое может существенно повлиять на облик летательных аппаратов будущего. На исследования и разработку ГСУ направлены усилия практически всех ведущих авиационных научных и промышленных центров мира. В перспективе ГСУ позволят существенно сократить удельный расход топлива и вредные выбросы», — говорится в материалах ЦИАМ.

Устройство реактивного двигателя

С первого взгляда кажется устройство конструкции реактивной установки достаточно простым, однако характеристики использования топлива и его сгорания требуют применения высокопрочных материалов.

На рисунке 4 изображено устройство реактивного двигателя.

Рисунок 4 — Устройство реактивного двигателя

Из рисунка 4 видно, что на входе в аппарат установлен вентилятор всасывающий воздух в двигатель. Вентилятор состоит из мощных и объемных по размеру лопастей, которые, как правило, изготавливаются из титана. Далее вслед за вентилятором установлен многоступенчатый турбокомпрессор для подачи воздуха непосредственно в камеру, где происходит сгорание рабочего тела.

После воспламенения и сгорания поток реактивных газов направляется на рабочие лопатки турбоагрегата, чем и приводят его во вращение. На валу турбины горячей ступени имеется жесткая связь с компрессором, который вращается от работы турбины.

Отработанный газовый вихрь через сопла набирает реактивную скорость и покидает полость аппарата. Для предотвращения перегрева и расплавки на сопла подводится охлаждающий воздух от турбокомпрессора по специальным каналам в корпусе двигателя.

Это интересно: Опоздать на самолет во сне

Тенденция развития транспортной системы

Как заявил RT генеральный директор ЦИАМ Михаил Гордин, лётные испытания демонстратора ГСУ запланированы на вторую половину 2021 года. При этом инженерам предстоит провести большой объём работ, прежде чем приступить к опытно-конструкторскому этапу.

«Наверное, здесь мы, как и спортсмены, немного суеверны… Только после успешного завершения комплекса испытаний можно будет говорить о зрелости технологий ГСУ, позволяющих переходить к выполнению опытно-конструкторских работ», — сказал Гордин.

• Турбогенератор гибридной силовой установки

По его словам, в 2021 году пройдут испытания демонстратора ГСУ, у которого сверхпроводящим является только электрический двигатель. В 2022-м будет тестироваться опытный агрегат, у которого сверхпроводящими станут также генератор и силовая электрическая шина.

В состав текущей компоновки демонстратора ГСУ входят серийный турбовальный мотор, генератор, аккумуляторы и электродвигатель с использованием эффекта высокотемпературной сверхпроводимости проектной мощностью 500 кВт.

Также по теме

«Возвращает страну в высшую лигу авиации»: каково значение полёта лайнера МС-21 с отечественными двигателями ПД-14

В Иркутске состоялся первый полёт отечественного пассажирского лайнера МС-21-310 с двигателями ПД-14. Глава Минпромторга Денис…

Проект создания гибридной силовой установки соответствует государственной политике РФ, направленной на широкое внедрение в авиационную отрасль систем электродвижения. Интеграция таких технологий позволит значительно сократить эмиссию вредных веществ, уровень шума, увеличить топливную экономичность и повысить безопасность полётов.

Как пояснили RT в пресс-службе ЦИАМ, охлаждаемый жидким азотом электромотор получает энергию от генератора (400 кВт), вращаемого газотурбинным двигателем, и блока литий-ионных аккумуляторных батарей (100 кВт).

Электромотор с воздушным винтом размещён в носовой части Як-40ЛЛ, двигатель с генератором — в хвосте самолёта (вместо штатного двигателя АИ-25). Все остальные системы ГСУ находятся в фюзеляже машины.

Отдельно гендиректор ЦИАМ отметил продукцию компании «СуперОкс». По его словам, российская компания — один из мировых лидеров в производстве высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения.

Выбор в качестве базы для летающей лаборатории самолёта Як-40 Михаил Гордин объяснил достаточно скромными габаритами этой машины и наличием у неё трёх двигателей, что оптимально для установки основных элементов демонстратора ГСУ.

«Вообще для лётных испытаний авиационных двигателей традиционно используется летающая лаборатория на базе самолёта Ил-76, но это очень большой и к тому же дорогой в эксплуатации самолёт. Для наших целей мы искали самолёт поменьше. В итоге свой выбор остановили на Як-40. Он идеально подходит для поставленных нами целей», — пояснил гендиректор ЦИАМ.

• Як-40ЛЛ перед установкой электромотора с воздушным винтом

В свою очередь, гендиректор Института имени Жуковского Андрей Дутов рассказал журналистам, что разработчики надеются, что уже через два года будет создана следующая летающая лаборатория на базе самолёта Ту-114, которая сможет летать на электромоторах без вспомогательных двигателей. Он добавил, что разработка не имеет аналогов в мире и к отечественным специалистам уже обращались представители компаний Siemens и Airbus с предложениями о сотрудничестве.

«Это историческое событие. На сегодняшний день в гражданской авиации технологии исчерпаны и идёт борьба за зелёную авиацию, за будущее авиации, за новые виды топлива… Это первый шаг к созданию электрического самолёта», — цитирует Дутова ТАСС.

По словам Михаила Гордина, развитие систем электродвижения — одна из тенденций развития транспортной системы как внутри России, так и в мире в целом. Топ-менеджер добавил, что программы создания и применения гибридных и электрических силовых установок реализуются всеми ведущими производителями авиационной техники.