Пик российского авиастроения: почему самолёт МС-21 с отечественным двигателем ПД-14 так важен
0
27
Россия стоит на пороге одного из важнейших научных, инженерных и конструкторских достижений в своей современной истории. Неминуемо приближается день, когда в эксплуатацию войдёт среднемагистральный узкофюзеляжный пассажирский самолёт МС-21. А оснащаться он будет двигателями ПД-14. Это первый турбовентиляторный двигатель, созданный в России со времён СССР. Более того, на данный момент в мире существует всего четыре государства, способных производить современные авиационные турбореактивные двигатели по полному циклу (Великобритания, США, Франция и Россия). Стоит отметить, что стран, которые обладают ядерным оружием, насчитывается девять. Таким образом, способность государства производить подобные двигатели — показатель высочайшего уровня развития технологий и машиностроения. И эти разработки охраняются как важнейшая государственная тайна (например, Франция занимается производством горячих частей двигателей SaM‑146 только на собственной территории).
15 декабря 2020 года состоялось первое лётное испытание самолёта МС-21-310, оборудованного двигателем ПД-14. Продолжительность полёта составила 85 минут. 8 февраля 2021 года ПД-14 получил дополнение к сертификату типа, подтверждающее его соответствие требованиям Международной ассоциации гражданской авиации (ICAO) по выбросам вредных веществ и готовность МС-21-310 совершать международные рейсы. Это, безусловно, знаковое событие для отечественного авиастроения. Но в чём уникальность российских самолётов и почему ПД-14 считают одним из самых прорывных проектов в гражданской авиации за последние десятилетия?
%%TRASH_CHAPTERS%%
Инженеры сразу предупредили, что создание абсолютно нового турбовентиляторного авиационного двигателя — это невероятно трудоёмкая и сложная задача. Учитывая, сколько стран могут позволить себе самостоятельно производить подобные устройства, можно представить, какой уровень технологий и машиностроения должен быть у государства, а также сколько производственных, финансовых и человеческих ресурсов требуется для полного цикла работ над ПД-14. Неудивительно, что разработка и создание двигателя занимает больше времени, чем постройка самолёта. Более того, перед конструкторами стояла задача разработать унифицированный газогенератор (один из ключевых элементов двигателя), на базе которого можно было бы производить установки различных мощностей для использования не только в авиации, но и в других сферах.
На бумаге ПД-14 — это турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель, без смешения потоков наружного и внутреннего контуров, с реверсом и эффективной системой шумоглушения, включая шевроны. Чтобы создать подобное устройство, к тому же превосходящее имеющиеся аналоги по техническим характеристикам, учёные и инженеры разработали и внедрили 16 ключевых технологий, например, лопатки турбины из легчайшего интерметаллида титана, а также продвинутую систему охлаждения, позволяющую турбине работать при температуре до примерно 1727 °С. Весной 2012 года была собрана первая тестовая демонстрационная модель двигателя. Летом того же года прошли его первые наземные испытания, а в 2015-м — лётные (на крыле летающей лаборатории Ил-76ЛЛ). 18 октября 2018 года двигатель получил от Росавиации сертификат типа, что стало подтверждением соответствия изделия российским нормам лётной годности, а также его готовности к серийному производству и эксплуатации.
Устанавливаться двигатель будет на самолёты МС-21: ПД-14 — на МС-21-310, ПД-14А (дросселированный вариант ПД-14) — на МС-21-210, а ПД-14М (форсированный вариант) — МС-21-410. Кроме того, не стоит забывать, что на базе газогенератора ПД-14 будет создано целое семейство турбовентиляторных двигателей пятого поколения. ПД-8 — двигатель с уменьшенной тягой (8 тонн) станет заменой двигателю PowerJet SaM146. Его можно будет использовать на самолётах Ан-148, Sukhoi Superjet 100, Sukhoi Superjet 75, Ту-334 и Бе-200. ПД-12 — турбовальный двигатель для замены украинского Д-136 для тяжёлого транспортного вертолёта Ми-26. ПД-18Р — двигатель с редукторным приводом вентилятора и увеличенной тягой для крупных самолётов вроде Ту-214, Ил-96-300, Ил-96-400Т и Ил-106. Кроме того, на базе газогенератора ПД-14 планируется создание газотурбинных установок для использования в промышленных целях в составе электрогенераторных и газоперекачивающих установок. В разработке находится также ПД-35 (и семейство на его основе) — двухконтурный турбовентиляторный двигатель сверхбольшой тяги, который можно будет установить на разрабатываемый Ил-496 или перспективный российско-китайский широкофюзеляжный дальнемагистральный самолёт CR929.
Двигатель состоит из восьми ступеней компрессора с применением блисок и двух ступеней турбины (5+ поколения). Вентилятор трансзвуковой, выполнен с широкохордными пустотелыми бесполочными лопатками. Применена технология нанесения теплозащитного покрытия на основе окиси циркония и иттрия толщиной 1 мм. Турбина низкого давления имеет шесть ступеней. Турбина высокого давления включает две ступени с охлаждаемыми лопатками. Реализован принцип активного управления зазорами в обеих турбинах. Осевой компрессор низкого давления выполнен трёхступенчатым. Барабанно-дисковый компрессор высокого давления выполнен восьмиступенчатым. В малоэмиссионной кольцевой камере сгорания и турбине высокого давления использовано керамическое теплозащитное покрытие второго поколения. В конструкции мотогондолы применено реверсивное устройство решетчатого типа с электромеханическим приводом.
ПД-14 оснащается двухканальной цифровой системой автоматического управления (САУ-14) с полной ответственностью типа FADEC (full authority digital engine control system), которая разработана компанией «ОДК-СТАР». В состав САУ-14 входит электронный регулятор двигателя РЭД-14. Он обеспечивает комплексное всережимное управление двигателем, информационный обмен с системами самолёта, а также диагностику и защиту двигателя от предельных режимов. Это первая автоматическая система управления, созданная в России, которая не имеет гидромеханического резервирования. За все режимы работы двигателя отвечает только электроника. Такое конструктивное решение значительно повысило показатель надежности устройства. В исполнительную часть САУ-14 входит дозатор топлива ДТ-14М и блок насосов БН-14М. Они также выполнены из новейших материалов.
Помимо высокой топливной эффективности ПД-14 также более экономически выгодный двигатель. Его эксплуатационные расходы на 14-17% меньше, чем у конкурентов, а стоимость жизненного цикла ниже на 15-20%. Уровень шума значительно ниже требований Международной организации гражданской авиации. И в целом ПД-14 демонстрирует высокий уровень экологичности, превосходя существующие аналоги по многим параметрам (например, уровень эмиссии оксидов азота на 30-40% ниже установленных норм). Ресурс до первого ремонта блока насосов составляет 20 000 часов, до первого ремонта всех блоков САУ-14 — 40 000 часов. Надёжность вылета по расписанию, связанная с двигателем — не менее 99,96%. Наработка на неустранимое в полёте выключение двигателя более 200 000 часов.
Однако в сравнении с аналогами МС-21 выигрывает по многим параметрам. Во-первых, он имеет самый широкий фюзеляж в классе среднемагистральных самолётов (4,06 метра), что в разы повышает комфортность салона. Также в МС-21 увеличена ширина прохода между рядами кресел (56-58 см в зависимости от типа кресел). Во-вторых, это первый авиалайнер в классе, крыло которого выполнено из полимерных композитных материалов, что позволило дополнительно уменьшить массу самолёта на 25-30%, а также улучшить аэродинамические показатели, что привело к снижению расхода топлива и увеличению скорости относительно аналогов.
Стоит отметить, что планы по созданию собственного среднемагистрального авиалайнера были у России ещё с начала 90-х. Однако тогда проект не мог быть реализован из-за недостатка финансирования. Лишь в 2008 году параллельно с испытаниями отечественного ближнемагистрального самолёта SSJ-100 стартовала разработка МС-21. Проектом занялась корпорация «Иркут» совместно с входящим в её состав опытно-конструкторским бюро Яковлева. Интересно, что помимо истребителей Су-30 и учебно-боевых самолётов Як-130, «Иркут» также производит ряд компонентов для лайнеров Airbus A320.
К 2014 году на Иркутском авиазаводе завершилась реконструкция производственных площадок под новый лайнер и началась сборка первых опытных образцов МС-21-300 с двигателями PW1400G американской компании Pratt & Whitney. 8 июня 2016 года состоялась торжественная церемония выкатки и презентация первого прототипа. 28 мая 2017 года на высоте 1000 метров и при скорости 300 км/час прошёл первый полёт отечественного среднемагистрального авиалайнера нового поколения. Он продлился 30 минут. В дальнейшем повышалась высота, длительность и скорость полётов. А 15 декабря 2020 года в воздух поднялся МС-21-310, оснащённый новейшими российскими двигателями ПД-14. Продолжительность данного полёта составила 85 минут.
Исходя из этих данных, отечественный авиалайнер гораздо вместительнее, комфортнее и быстрее европейского Airbus A320neo и американского Boeing 737 MAX. МС-21-300 проигрывает конкурентам лишь по дальности полёта. Однако учитывая все преимущества, а также разницу в стоимости (15-30 миллионов долларов), этот недостаток можно назвать несущественным. В итоге самолёты МС-21 вместе с такими перспективными моделями отечественного и совместного производства, как Ил-114, SSJ100 и CR929, составят достойную конкуренцию на мировом рынке гражданских авиалайнеров.
МС-21 и ПД-14 во всей красе
15 декабря 2020 года состоялось первое лётное испытание самолёта МС-21-310, оборудованного двигателем ПД-14. Продолжительность полёта составила 85 минут. 8 февраля 2021 года ПД-14 получил дополнение к сертификату типа, подтверждающее его соответствие требованиям Международной ассоциации гражданской авиации (ICAO) по выбросам вредных веществ и готовность МС-21-310 совершать международные рейсы. Это, безусловно, знаковое событие для отечественного авиастроения. Но в чём уникальность российских самолётов и почему ПД-14 считают одним из самых прорывных проектов в гражданской авиации за последние десятилетия?
%%TRASH_CHAPTERS%%
История создания перспективного двигателя ПД-14
В 2006 году было подписано соглашение о создании первого в истории современной России турбовентиляторного авиационного двигателя, который получил название ПД-14, что расшифровывается как перспективный двигатель тягой 14 тонн. Последней аналогичной разработкой был авиадвигатель четвёртого поколения ПС-90А, созданный в СССР в 1980-х годах. Официально работа над созданием нового двигателя стартовала в 2008 году. Головным разработчиком стало пермское конструкторское бюро «ОДК-Авиадвигатель», а головным изготовителем — «ОДК-Пермские моторы». Обе входят в состав корпорации ОДК (Объединённая двигателестроительная корпорация). Перспективный двигатель получил неофициальную расшифровку — пермский двигатель.ПД-14 в сборочном цеху
Инженеры сразу предупредили, что создание абсолютно нового турбовентиляторного авиационного двигателя — это невероятно трудоёмкая и сложная задача. Учитывая, сколько стран могут позволить себе самостоятельно производить подобные устройства, можно представить, какой уровень технологий и машиностроения должен быть у государства, а также сколько производственных, финансовых и человеческих ресурсов требуется для полного цикла работ над ПД-14. Неудивительно, что разработка и создание двигателя занимает больше времени, чем постройка самолёта. Более того, перед конструкторами стояла задача разработать унифицированный газогенератор (один из ключевых элементов двигателя), на базе которого можно было бы производить установки различных мощностей для использования не только в авиации, но и в других сферах.
ПД-14 на сертификации
На бумаге ПД-14 — это турбореактивный двухконтурный двухвальный двигатель, без смешения потоков наружного и внутреннего контуров, с реверсом и эффективной системой шумоглушения, включая шевроны. Чтобы создать подобное устройство, к тому же превосходящее имеющиеся аналоги по техническим характеристикам, учёные и инженеры разработали и внедрили 16 ключевых технологий, например, лопатки турбины из легчайшего интерметаллида титана, а также продвинутую систему охлаждения, позволяющую турбине работать при температуре до примерно 1727 °С. Весной 2012 года была собрана первая тестовая демонстрационная модель двигателя. Летом того же года прошли его первые наземные испытания, а в 2015-м — лётные (на крыле летающей лаборатории Ил-76ЛЛ). 18 октября 2018 года двигатель получил от Росавиации сертификат типа, что стало подтверждением соответствия изделия российским нормам лётной годности, а также его готовности к серийному производству и эксплуатации.
ПД-14 и его обшивка
Устанавливаться двигатель будет на самолёты МС-21: ПД-14 — на МС-21-310, ПД-14А (дросселированный вариант ПД-14) — на МС-21-210, а ПД-14М (форсированный вариант) — МС-21-410. Кроме того, не стоит забывать, что на базе газогенератора ПД-14 будет создано целое семейство турбовентиляторных двигателей пятого поколения. ПД-8 — двигатель с уменьшенной тягой (8 тонн) станет заменой двигателю PowerJet SaM146. Его можно будет использовать на самолётах Ан-148, Sukhoi Superjet 100, Sukhoi Superjet 75, Ту-334 и Бе-200. ПД-12 — турбовальный двигатель для замены украинского Д-136 для тяжёлого транспортного вертолёта Ми-26. ПД-18Р — двигатель с редукторным приводом вентилятора и увеличенной тягой для крупных самолётов вроде Ту-214, Ил-96-300, Ил-96-400Т и Ил-106. Кроме того, на базе газогенератора ПД-14 планируется создание газотурбинных установок для использования в промышленных целях в составе электрогенераторных и газоперекачивающих установок. В разработке находится также ПД-35 (и семейство на его основе) — двухконтурный турбовентиляторный двигатель сверхбольшой тяги, который можно будет установить на разрабатываемый Ил-496 или перспективный российско-китайский широкофюзеляжный дальнемагистральный самолёт CR929.
Конструкция и технологии двигателя
Как уже говорилось выше, разработка современного турбореактивного двигателя — это очень трудоёмкий процесс. Во время создания ПД-14 конструкторы и инженеры применяли самые современные технологии. Были использованы новейшие российские сплавы титана и никеля. Например, лопатки турбины создаются из легчайшего интерметаллида титана, диски 6-8 ступеней компрессора высокого давления — из никелевого гранульного сплава нового поколения. Конструкция мотогондолы на 65% состоит из отечественных полимерных композитов. Всего в двигателе использовано около двадцати новых российских материалов, каждый из которых прошёл соответствующую сертификацию по международным нормам. По данным Объединённой авиастроительной компании, доля импортных комплектующих в ПД-14 составляет около 5%.ПД-14 на выставочном стенде
Двигатель состоит из восьми ступеней компрессора с применением блисок и двух ступеней турбины (5+ поколения). Вентилятор трансзвуковой, выполнен с широкохордными пустотелыми бесполочными лопатками. Применена технология нанесения теплозащитного покрытия на основе окиси циркония и иттрия толщиной 1 мм. Турбина низкого давления имеет шесть ступеней. Турбина высокого давления включает две ступени с охлаждаемыми лопатками. Реализован принцип активного управления зазорами в обеих турбинах. Осевой компрессор низкого давления выполнен трёхступенчатым. Барабанно-дисковый компрессор высокого давления выполнен восьмиступенчатым. В малоэмиссионной кольцевой камере сгорания и турбине высокого давления использовано керамическое теплозащитное покрытие второго поколения. В конструкции мотогондолы применено реверсивное устройство решетчатого типа с электромеханическим приводом.
Проверка насоса-регулятора НР-3ВМ на стенде в «ОДК-СТАР»
ПД-14 оснащается двухканальной цифровой системой автоматического управления (САУ-14) с полной ответственностью типа FADEC (full authority digital engine control system), которая разработана компанией «ОДК-СТАР». В состав САУ-14 входит электронный регулятор двигателя РЭД-14. Он обеспечивает комплексное всережимное управление двигателем, информационный обмен с системами самолёта, а также диагностику и защиту двигателя от предельных режимов. Это первая автоматическая система управления, созданная в России, которая не имеет гидромеханического резервирования. За все режимы работы двигателя отвечает только электроника. Такое конструктивное решение значительно повысило показатель надежности устройства. В исполнительную часть САУ-14 входит дозатор топлива ДТ-14М и блок насосов БН-14М. Они также выполнены из новейших материалов.
Характеристики ПД-14
- Тип двигателя: турбовентиляторный (безредукторный привод вентилятора).
- Диаметр вентилятора: 1900 мм.
- Сухая масса двигателя: 2870 кг.
- Тяга на взлётном режиме (H=0, M=0): 14 тс.
- Взлётная тяга: 137 кН.
- Схема двигателя: 1+3+8−2+6.
- Степень двухконтурности: 8,5.
- Степень повышения давления в компрессоре: 41.
- Удельный расход топлива в крейсерском режиме: по заявлениям разработчика, на 10-15% меньше по сравнению с современными двигателями аналогичного класса тяги и назначения (у ПД-18Р на ещё 3-5% меньше по сравнению с ПД-14).
ПД-14 на крыле МС-21
Помимо высокой топливной эффективности ПД-14 также более экономически выгодный двигатель. Его эксплуатационные расходы на 14-17% меньше, чем у конкурентов, а стоимость жизненного цикла ниже на 15-20%. Уровень шума значительно ниже требований Международной организации гражданской авиации. И в целом ПД-14 демонстрирует высокий уровень экологичности, превосходя существующие аналоги по многим параметрам (например, уровень эмиссии оксидов азота на 30-40% ниже установленных норм). Ресурс до первого ремонта блока насосов составляет 20 000 часов, до первого ремонта всех блоков САУ-14 — 40 000 часов. Надёжность вылета по расписанию, связанная с двигателем — не менее 99,96%. Наработка на неустранимое в полёте выключение двигателя более 200 000 часов.
МС-21 — новейший самолёт для новейшего двигателя
Двигатели ПД-14 разрабатывались в первую очередь для установки на отечественные среднемагистральные узкофюзеляжные пассажирские авиалайнеры семейства МС-21 («Магистральный самолёт XXI века»). Как и новый двигатель, МС-21 является первым самолётом подобного типа, полностью разработанным и выпущенным в современной России. Кроме того, лайнер создаётся с учётом всех международных требований. По прогнозам разработчиков, МС-21 может занять от 5 до 10% мирового рынка в своём сегменте до конца 2030-х годов. А основными конкурентами отечественного самолёта являются Boeing 737 и Airbus A320.МС-21-300 с двигателем PW1400G
Однако в сравнении с аналогами МС-21 выигрывает по многим параметрам. Во-первых, он имеет самый широкий фюзеляж в классе среднемагистральных самолётов (4,06 метра), что в разы повышает комфортность салона. Также в МС-21 увеличена ширина прохода между рядами кресел (56-58 см в зависимости от типа кресел). Во-вторых, это первый авиалайнер в классе, крыло которого выполнено из полимерных композитных материалов, что позволило дополнительно уменьшить массу самолёта на 25-30%, а также улучшить аэродинамические показатели, что привело к снижению расхода топлива и увеличению скорости относительно аналогов.
МС-21-300 с двигателем PW1400G в небе
Стоит отметить, что планы по созданию собственного среднемагистрального авиалайнера были у России ещё с начала 90-х. Однако тогда проект не мог быть реализован из-за недостатка финансирования. Лишь в 2008 году параллельно с испытаниями отечественного ближнемагистрального самолёта SSJ-100 стартовала разработка МС-21. Проектом занялась корпорация «Иркут» совместно с входящим в её состав опытно-конструкторским бюро Яковлева. Интересно, что помимо истребителей Су-30 и учебно-боевых самолётов Як-130, «Иркут» также производит ряд компонентов для лайнеров Airbus A320.
МС-21-310 с двигателем ПД-14
К 2014 году на Иркутском авиазаводе завершилась реконструкция производственных площадок под новый лайнер и началась сборка первых опытных образцов МС-21-300 с двигателями PW1400G американской компании Pratt & Whitney. 8 июня 2016 года состоялась торжественная церемония выкатки и презентация первого прототипа. 28 мая 2017 года на высоте 1000 метров и при скорости 300 км/час прошёл первый полёт отечественного среднемагистрального авиалайнера нового поколения. Он продлился 30 минут. В дальнейшем повышалась высота, длительность и скорость полётов. А 15 декабря 2020 года в воздух поднялся МС-21-310, оснащённый новейшими российскими двигателями ПД-14. Продолжительность данного полёта составила 85 минут.
| Технические характеристики | МС-21-300/310 (Россия) | Airbus A320neo (Франция) | Boeing 737 MAX (США) |
| Длина самолёта, м | 42,3 | 37,57 | 39,5 |
| Размах крыла, м | 35,9 | 35,8 | 35,9 |
| Высота самолёта, м | 11,5 | 11,76 | 12,3 |
| Ширина салона, м | 3,81 | 3,7 | 3,6 |
| Ширина фюзеляжа, м | 4,06 | 3,95 | 3,75 |
| Пассажировместимость, чел | 163-211 | 165-189 | 162-200 |
| Крейсерская скорость, км/ч | 870 | 828 | 842 |
| Максимальная взлётная масса, кг | 79 250 | 79 000 | 82 200 |
| Максимальная посадочная масса, кг | 69 100 | 67 400 | 69 310 |
| Максимальная коммерческая нагрузка, кг | 22 600 | 20 000 | 20 900 |
| Дальность полёта с максимальной нагрузкой, км | 6000 | 6500 | 6700 |
| Максимальная заправка топливом, кг | 20 400 | 22 400 | 20 730 |
| Стоимость, млн долларов США | 96,4 | 112 | 121,6 |
МС-21-310 с двигателем ПД-14 в полёте
Исходя из этих данных, отечественный авиалайнер гораздо вместительнее, комфортнее и быстрее европейского Airbus A320neo и американского Boeing 737 MAX. МС-21-300 проигрывает конкурентам лишь по дальности полёта. Однако учитывая все преимущества, а также разницу в стоимости (15-30 миллионов долларов), этот недостаток можно назвать несущественным. В итоге самолёты МС-21 вместе с такими перспективными моделями отечественного и совместного производства, как Ил-114, SSJ100 и CR929, составят достойную конкуренцию на мировом рынке гражданских авиалайнеров.