Суммарный объем годового финансирования, направляемый в мире на исследования в области силовых установок для сверхзвукового и гиперзвукового полета, оценивается [11] более чем в 1 млрд $. Работы в области модернизации воздушно-реактивных двигателей (ВРД) оцениваются еще в 1,4 млрд $ в год. Конкуренция на этом рынке ведется всеми исследовательскими центрами в мире, прежде всего, за государственные гранты, заказы и бюджеты поисковых НИР ведущих корпораций. Только на обзоры будущего авиации и гражданского двигателестроения и только НАСА в 2010–2011 гг. выделено [10] 17,1 млн $. Все работы можно разделить на две большие группы [5]: совершенствование узлов двигателей традиционных схем; создание комбинированных двигателей.

Совершенствование узлов двигателей традиционных схем

Работы идут в двух направлениях: резкое (в 3–5 раз) удешевление конструкции двигателей при сохранении удельных параметров; улучшение на 20–25 % топливной экономичности и снижение на 20 % удельного веса двигателей. Первое направление представлено исследованиями в области новых термодинамических циклов. Второе направление включает в себя как традиционное увеличение степени двухконтурности, так и внедрение новых схем [9]:

● открытый ротор (10 % топливной экономичности);

● закапотированный винто-вентилятор (5 % топливной экономичности);

● промежуточное охлаждение воздуха между ступенями компрессора (4 % топливной экономичности);

● турбина с противоположным вращением ступеней (полностью уравновешенный ротор);

● управляемая камера сгорания, работающая на сверхбедной топливной смеси (5 % топливной экономичности, снижение выбросов NOx на 50 %);

● легкий композитный компрессор;

● элементы турбины, изготовленные с использованием матричных композитов.

Новые схемы интеграции силовой установки и планера

Отдельным направлением является более полная интеграция двигателей и планера. Это позволяет создать идеальную циркуляцию вектора скорости вокруг профиля (рис. 1) за счет утилизации пограничного слоя в двигателе. Выравнивание профиля скорости за летательным аппаратом существенно снижает индуктивное сопротивление и, соответственно, экономит топливо. И в этой сфере возможно использование, например, детонационного горения как совершенно нечувствительной к неравномерностям на входе газодинамической системы. Естественным следующим шагом в данном направлении видится распределенная силовая установка [7], в которой может быть множество газогенераторов (рис. 2), либо множество движителей (сопел и вентиляторов), превосходящее количество газогенераторов (рис. 3).

Рис. 1. Выравнивание профиля скорости за летательным аппаратом существенно снижает индуктивное сопротивление

Рис. 2. Распределенная силовая установка с множеством газогенераторов

Активно рассматриваются вопросы безмаслянных трасмиссий и безконтактных опор ротора ВРД [1, 3, 4]. Так, например, Hypermach Aerospace Ltd. для своего проекта SonicStar (рис. 4) разрабатывает двигательную установку, которая будет сочетать в себе элементы традиционного ВРД и инновационного электрического двигателя, приводящего во вращение компрессор. Предполагается, что двигатель будет иметь переменную степень двухконтурности и электромагнитные опоры ротора. Для управления обтеканием будут использоваться электромагнитные поля, создаваемые магнитами на сверхпроводящих элементах.

Рис. 3. Распределенная силовая установка с числом движителей, превосходящим количество газогенераторов

Рис. 4. Проект SonicStar фирмы Hypermach Aerospace Ltd

Развитие концепции гибридных (комбинированных) реактивных двигателей

Развитие комбинированных двигателей стирает грань между космонавтикой и авиацией. Ряд схем таких силовых установок позволяет летательному аппарату (ЛА) взлетать как обычному самолету и выходить за пределы стратосферы. Тенденции изменения удельного импульса по мере увеличения числа Маха полета для двигателей различных схем показаны на рис. 5. Нельзя не упомянуть в этой связи фирму ReactionEngines (http://www.reactionengines.co.uk/). Фирма создана в 1989 г. легендарным Аланом Бондом. Он слывет в Британии «чудиком», говорят, что у его проектов всего один недостаток – чертежи существуют только в голове Алана. Тем не менее компания регулярно получает финансирование из разных фондов Евросоюза на развитие проекта космического космоплана Scylon, на гиперзвуковой самолет Lapcat, на новаторские турборакетные и гибридные двигатели.

Рис. 5. Сравнение удельного импульса Isp реактивных двигателей различных типов

Самым ярким представителем данного направления является проект комбинированного ВРД Scimitar, рассчитанного на число Маха полета М = 5[1]. В конструкции последнего используются такие прогрессивные решения, как эжекторное сопло с большой степенью расширения, турбина во внешнем контуре, эффективный теплообменник, охлаждающий воздух перед компрессором.

Следующим шагом в этом направлении является турборакетный двигатель SABRE для воздушно-космического самолета[2]. В нем использованы такие радикальные решения, как сжижение атмосферного воздуха и подача его в камеру сгорания кислородно-водородного ЖРД. На атмосферном участке двигатель работает как комбинированный. Окислителем выступает кислород воздуха, а горючим жидкий водород. А вот за пределами атмосферы это уже чистый жидкостный ракетный двигатель.

Рынок для первоочередного внедрения перспективных двигателей

Ведущие мировые производители реактивных двигателей прогнозируют внедрение радикально новых решений после 2030 г. [6]. Тем не менее существует ряд рынков, на которых появление новинок стоит ожидать гораздо раньше.

Рынок деловой авиации интересен тем, что он менее консервативен с точки зрения внедрения технических новшеств. Здесь вполне по силам небольшой инжиниринговой компании выйти на рынок с проектом новых силовых установок.

Прогнозируется и появление рынка сверхзвуковой деловой авиации [2]. Так, компания Aerion (http://aerioncorp.com) продвинулась дальше всех в разработке проекта сверхзвукового самолета. Она уже приступила к подготовке сертификации своего сверхзвукового бизнес-джета (рис. 6), который должен выйти на рынок в конце десятилетия. Этот корпоративный самолет будет рассчитан на перевозку 8–12 пассажиров. Самолет оптимизирован на скорости 0,95 и 1,5 М. Компания Aerion сообщает, что у них уже есть около 50 потенциальных заказов на сверхзвуковой бизнес-джет.

Перспективы данного сегмента рынка связаны с успехами или неудачами в решении двух принципиальных проблем: снижение уровня звукового удара на местности; радикальное улучшение экономичности силовой установки на сверхзвуковых скоростях.

Рис. 6. Сверхзвуковой бизнес-джет фирмы Aerion

Первая проблема близка к разрешению [8]. Для решения второй необходим переход к комбинированным двигателям или новым термодинамическим циклам сжигания топлива.

Чрезвычайно перспективным представляется рынок частной и коммерческой космонавтики. Лидером тут являются США, где в творческой и свободной от рутины и государственной бюрократии атмосфере растут такие компании, как «SpaceX», «XCOR Aerospac», «Virgin Galactic».

Заключение

Таким образом, можно констатировать, что отрасль аэрокосмического двигателестроения стоит на пороге технологической революции. Эволюционное развитие традиционных ВРД и жидкостных ракетных двигателей привело к тому, что их технические характеристики вплотную приблизились к теоретическому пределу. Дальнейшее совершенствование дается ценой огромных затрат и не приводит к существенным улучшениям потребительских свойств летательного аппарата. Выход видится специалистами во внедрении инновационных узлов и разработке двигателей, совмещающих термодинамические циклы разного вида.

Рецензенты:

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Цветков О.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретические основы тепло- и хладотехники» Института Холода и Биотехнологий, ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 17.10.2013.