Сердце самолёта: авиадвигатель и технические решения, способные вывести перспективный российский СВВП на новый уровень

08.10.2021

08 октября 2021г.

В статье Вертикальный взлёт: тупиковое направление или будущее боевой авиации были рассмотрены реальные и мнимые недостатки, приписываемые самолётам вертикального взлёта и посадки (СВВП).

Можно заметить, что с появлением новых поколений СВВП всё ближе по характеристикам к «классическим» боевым самолётам сопоставимых массогабаритных характеристик. Если Як-38 значительно уступал МиГ-21бис м МиГ-23МЛ по лётно-техническим характеристикам (ЛТХ), то разница между ЛТХ Як-141 и МиГ-29 уже не так значительна, при этом по некоторым параметрам Як-141 даже выигрывал. Если же говорить об американской линейке F-35, в которой присутствуют «классический» F-35A, СВВП F-35B и авианосный вариант F-35C, то их характеристики уже вполне сопоставимы.

Когда говорят о малом распространении СВВП, то забывают, что сама по себе эта технология значительно сложнее – она не каждой стране по плечу. К примеру, конвертопланы пока тоже очень мало распространены, их нет даже у нас, несмотря на достаточно развитую авиационную промышленность, при этом мало кто сомневается в эффективности и перспективности конвертопланов. С СВВП ситуация аналогична – построить их, не имея технического задела, достаточно сложно. По сути, сделать это в XXI веке пока смогли только США.

Страны Европы вообще постепенно теряют компетенции по строительству боевых самолётов, их разработки крайне продолжительны по времени и затратны по финансам. Если говорить, например, о Швеции, то в их «Гриппене» стоит турбореактивный двигатель (ТРД) на базе американского двигателя General Electric F404 от F/A-18 Hornet, то есть сами шведы не могут создать двигатель даже для классического самолёта, что уж тут говорить об СВВП. Британия потеряла компетенции по созданию СВВП, отказавшись от разработки следующего поколения СВВП «Харриер» и перейдя на американские F-35B. Франция только экспериментировала в этом направлении.

То же самое и с КНР, у них много чего разрабатывается и производится, но с авиадвигателями всё никак не сложится – имеется серьёзное отставание по тяге и по ресурсу ТРД. А ведь создать двигатель для СВВП ещё сложнее. Можно предположить, что как только двигателестроительная промышленность Китая решит свои проблемы, то тематикой СВВП они займутся вплотную.

По информации от китайских и американских СМИ, в КНР активизированы работы по СВВП J-18 («Цзянь-18», по классификации НАТО «Красный орел»). Планер СВВП должен быть выполнен с использованием технологий снижения заметности, радиус действия составит около 2 000 километров, также на J-18 будет установлена радиолокационная станция (РЛС) с активной фазированной антенной решёткой (АФАР).

Китай пытается разработать СВВП ещё с 60-х годов XX века, для чего в Британии у коллекционера даже был приобретён списанный «Харриер». В 1994 году для этих же целей предположительно был куплен российский СВВП Як-141. Предполагается, что китайский СВВП может появиться к 2025 году.

В части создания СВВП и ТРД для них России достался такой задел от СССР, которому другие страны могли только позавидовать. Несмотря на то, что прошло уже достаточно много времени, этот задел можно и нужно использовать.


СССР был одной из двух стран, способных создать серийные образцы СВВП, и именно в СССР был создан Як-141 – машина, опередившая своё время на десятилетия.

Сердцем самолёта, от которого по большей части зависят его ЛТХ, является турбореактивный двигатель. Несложно проследить логическую цепочку – по мере роста удельной и максимальной мощности ТРД параметры СВВП всё больше приближались к параметрам «классических» самолётов.

И для создания российского СВВП в первую очередь потребуется создать для него подходящий двигатель.

Двигатель для СВВП

Существует два пути.

Первый – создавать авиадвигатель для перспективного СВВП на базе перспективного ТРД «Изделие 30» – двигателя второго этапа для Су-57, работа над которым ведётся с большими задержками. Сложно сказать, насколько это реально, поскольку характеристики ТРД «Изделие 30» засекречены, нет информации и о том, можно ли оснастить этот двигатель поворотным соплом, которое значительно отличается от обычного сопла с управляемым вектором тяги (УВТ).

Оснащение СВВП подъёмными двигателями, не вариант – это технология прошлого века, то есть от «Изделия 30» необходимо обеспечить отбор мощности на вентилятор. И возможно ли это в принципе на этом ТРД – неизвестно.


Применение ТРД для вертикального взлёта и посадки создаёт проблемы при эксплуатации СВВП из-за разрушения взлётно-посадочных полос (ВПП) горячей реактивной струёй

Однако существует ещё одна возможность – в своё время двигатель самолёта Як-141 показывал выдающиеся характеристики, и на его базе продолжаются разработки перспективных ТРД, о которых было рассказано в статье Советское наследство: турбореактивный двигатель пятого поколения на базе «Изделия 79».

Потенциально, сердцем перспективного российского СВВП может стать ТРД Р579-300, разрабатываемый АМНТК «Союз».


ТРД Р579-300 разработки АМНТК «Союз»

ТРД Р579-300

Почему именно ТРД Р579-300?

По утверждению производителя, этот авиадвигатель можно с полной уверенностью отнести к пятому поколению авиационных двигателей, причём высокие характеристики достигаются за счёт применения эффективных конструкторских решений, а не за счёт использования сложных технологических операций и материалов, освоение которых нашей промышленностью может вызвать задержки разработки и серийного производства перспективных ТРД.

На сайте разработчика размещена таблица с характеристиками ТРД Р579-300 в различных вариантах исполнения, в том числе представлены варианты для СВВП с максимальной форсажной тягой до 21–23 тысячи кгс.


Варианты реализации ТРД Р579-300 для различных летательных аппаратов

В ТРД Р579-300 имеются две особенности, делающие его крайне многообещающим решением для перспективного российского СВВП.

Первая – это возможность подключения на валу ТРД нагрузки мощностью более 40 МВт.

Вторая – адаптивная степень двухконтурности и регулируемая степень сжатия.

Возможность подключения на валу ТРД нагрузки позволяет разместить на нём подъёмный вентилятор, подобно тому, как это реализовано в F-35B. Подъёмный вентилятор не только позволяет отказаться от тяжёлых и расходующих много топлива вспомогательных подъёмных двигателей, но и снизить тепловую нагрузку на ВПП.

Кроме того, с высокой вероятностью, основой боевой устойчивости боевых самолётов в XXI веке станут перспективные комплексы бортовой самообороны, в том числе лазерные комплексы бортовой самообороны и средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Увеличение мощности РЛС с АФАР также требует наличия на борту мощного источника электроэнергии. Таковым может стать электрогенератор на валу ТРД.


Прототип сверхпроводящего синхронного авиационного двигателя мощностью 1 мегаватт, с плотностью мощности 20 киловатт на килограмм, разработанного в Германии – учитывая обратимость синхронных электрических машин, на базе данной технологии могут быть созданы компактные электрогенераторы с минимальными габаритами и высоким КПД. Фото: Demaco.nl

Не меньшие, а то и большие возможности даст регулируемая степень двухконтурности, позволяющая создавать холодную реактивную струю за счёт большой максимальной степени двухконтурности и, соответственно, больших пропускаемых объёмов воздуха. При этом скорость истечения «холодной» реактивной струи будет соизмерима со скоростью истечения «горячей» струи.

По утверждению разработчиков АМНТК «Союз», в перспективном российском СВВП на базе ТРД Р579-300 может быть реализован вертикальный взлёт без поворота основного сопла, за счёт использования подъёмного вентилятора и отбора воздуха от внешнего контура, который будет выбрасываться через направленные вниз небольшие сопла в центральной/хвостовой части фюзеляжа и на законцовках крыльев (последние должны использоваться для стабилизации СВВП). При этом температура реактивной струи, направленной вниз, составит порядка 150–200 градусов Цельсия, что полностью решит проблему разрушения материалов ВПП при вертикальном взлёте (или взлёте с коротким разбегом) перспективных СВВП.

Потенциально может быть рассмотрен вариант, когда не будет использоваться даже подъёмный вентилятор, а вертикальный взлёт и посадка будут осуществляться только за счёт отвода воздуха от «холодного» контура в сопла, расположенные в нескольких точках фюзеляжа СВВП.

А ведь именно высокая температура реактивной струи существенно затрудняет эксплуатацию СВВП как на кораблях, так и на суше.


Ранее созданные СВВП сильно разрушали ВПП, существует такая проблема и у современного СВВП F-35B – на фотоизображении хорошо заметен раскалённый факел пламени из поворотного сопла ТРД

Помимо обеспечения возможности «холодного» вертикального взлёта и посадки, а также обеспечения энергией перспективных лазерных комплексов самообороны, средств РЭБ и РЛС с АФАР, подъёмный вентилятор и адаптивная степень двухконтурности позволят реализовать в перспективном СВВП ещё несколько преимуществ.

Дополнительные преимущества

Большой объём холодного воздуха, получаемый от второго контура ТРД, может быть использован не только на этапе вертикального взлёта и посадки. Одним из перспективных и эффективных способов улучшения аэродинамики и управляемости летательного аппарата во всём диапазоне высот и скоростей полёта является управление пограничным слоем.


Принцип управления пограничным слоем

Управление пограничным слоем заключается в обеспечении безотрывного обтекания крыла в большом диапазоне углов атаки за счёт увеличения энергии пограничного слоя. Воздействие на пограничный слой необходимо, чтобы ослабить или предотвратить срыв потока на обтекаемой поверхности. В СССР сдув пограничного слоя использовался у истребителей МиГ-21 для увеличения подъёмной силы крыла при взлёте и посадке – воздух под высоким давлением подавался через щель в передней кромке закрылков.


МиГ-21ПФ/ПФС/СПС (сдув пограничного слоя) был разработан для эксплуатации с грунтовых аэродромов. С этой целью истребитель был оснащён двигателями Р-11-Ф2С-300 с отбором воздуха от компрессора и системой сдува пограничного слоя с закрылков, что позволило сократить длину пробега в среднем до 480 м, а посадочную скорость до 240 км/ч!

В перспективном СВВП с ТРД Р579-300 управление пограничным слоем позволит не только повысить эффективность работы органов управления, но и, например, компенсировать недостатки аэродинамической эффективности фюзеляжа, которые могут возникнуть в результате его оптимизации для снижения радиолокационной заметности.

Возможность ТРД создавать мощный поток холодного воздуха может быть использована для реализации газодинамического управления СВВП, что, в свою очередь, может привести к уменьшению размеров аэродинамических органов управления или даже отказу от некоторых из них и, как следствие, к уменьшение радиолокационной заметности боевого самолёта.


Газодинамическое управление использовалось ещё в СВВП «Харриер», однако, мощность ТРД того времени не позволяла сделать его действительно эффективным

Ну и, наконец, холодный воздух может быть использован для охлаждения сопла ТРД и других элементов конструкции, что уменьшит дальность обнаружения перспективного СВВП инфракрасными сенсорами и сократит вероятность его поражения ракетами с инфракрасными головками самонаведения (ИК ГСН).

В принципе, всё это может быть реализовано и на самолётах с горизонтальным взлётом и посадкой в том случае, если в них будет установлен двигатель с большой степенью двухконтурности, но у СВВП есть ещё одно преимущество, которое зачастую рассматривается только как недостаток – его подъёмный вентилятор.

Подъёмный вентилятор

Само по себе использование подъёмного вентилятора более эффективно, нежели применение отдельных реактивных двигателей, как минимум из-за меньшего расхода топлива и холодного воздушного потока, создаваемого подъёмным вентилятором, не разрушающего ВПП так, как это делает направленная вниз раскалённая струя реактивного двигателя.

Помимо этого, реализация подъёмного вентилятора потребует освоения технологии отбора большой мощности с вала ТРД. Побочным эффектом этой технологии станет возможность размещения на валу ТРД, кроме собственно подъёмного вентилятора, ещё и генератора электрической энергии, жизненно необходимого для обеспечения электропитанием бортовых лазерных комплексов самообороны, средств РЭБ и РЛС с АФАР, о чём уже говорилось выше.

Наличие на борту СВВП мощных источников электроэнергии и подачи воздуха позволит полностью отказаться от ненадёжных и пожароопасных гидравлических приводов в пользу электрических и пневматических приводов.

Наряду с топливом, воздух является важнейшим компонентом, позволяющим ТРД реализовать все заложенные в него характеристики. Существуют ситуации, когда количество воздуха, поступающего к ТРД, установленного на борту летательного аппарата, становится недостаточным. Эта проблема может возникать при эксплуатации самолёта на высокогорных аэродромах, на больших высотах полёта или при интенсивном маневрировании.

В этой ситуации перспективный СВВП может использовать подъёмный вентилятор для нагнетания к двигателю дополнительных объёмов воздуха, при открытых верхних створках и закрытых нижних створках. В этом случае воздушный поток по специальным каналам будет поступать на вход ТРД, позволяя ему работать на максимальной мощности.


Подъёмный вентилятор СВВП F-35B

Например, где-то на высокогорном аэродроме для взлёта «классического» боевого самолёта с полной боевой нагрузкой потребуется ВПП протяжённостью полтора километра, тогда как СВВП за счёт обеспечения ТРД дополнительными объёмами воздуха осуществит «горизонтальный» взлёт с ВПП протяжённостью 300–500 метров.

Выводы

Рост удельной и максимальной, форсажной и бесфорсажной мощности ТРД во многом нивелирует различия между «классическими» летательными аппаратами и СВВП.

Можно предположить, что характеристики перспективных «классических» боевых самолётов и СВВП будут различаться в пределах 10–15 %. Например, у СВВП будет на 1–2 тонны меньше боевая нагрузка, что терпимо, если у «классического» самолёта она будет 8 тонн, а у СВВП 6–7 тонн, всё равно на самолёте просто не хватит точек подвески, особенно внутрифюзеляжных, чтобы навесить вооружений на такую массу. Или перегоночная дальность у «классического» самолёта будет на 200–300 километров больше, чем у СВВП, что не критично, когда она составляет порядка трёх-четырёх тысяч километров.

При этом у СВВП будут преимущества, реализовать которые на «классических» боевых самолётах не получится.

В условиях революционного развития космических средств разведки и высокоточного оружия большого радиуса действия, в том числе гиперзвукового, обеспечить выживаемость боевой авиации при внезапном ударе противника может только возможность рассредоточения боевых самолётов по небольшим замаскированным аэродромам.

Сочетание СВВП и развитых служб оперативного развёртывания мобильных аэродромов позволит создать максимально устойчивый к нанесению противником глубоких ударов парк боевой авиации.

Ну и, разумеется, свою нишу СВВП найдут и на российском флоте (ВМФ).