Европа нацелилась на разработку более дружественных к окружающей среде двигателей по программе Sustainable and Green Engines (SAGE) Integrated Technology Demonstrator. Перед моторостроителями стоит одна общая цель: повысить эффективность двигателей и добиться снижения расхода топлива и выбросов углерода в атмосферу. Однако для достижения этой цели необходимо создать более крупный вентилятор и газогенератор меньшего размера, что приведет к нежелательному увеличению веса двигателя.

Каждый моторостроитель использует свои методы достижения этой цели, однако для программы Clean Sky уже были отобраны различные предложения, и по прогнозам демонстраторы новых двигателей появятся уже в 2013-2015 годах. Журнал Flight International сделал подробный обзор этих программ.

Clean Sky - исследовательская программа, стартовавшая в 2008 году и рассчитанная на семь лет. Финансирование исследований обеспечивается в равных долях Еврокомиссией и компаниями авиационной отрасли. Задачей программы является разработка передовых технологий, призванных прийти на помощь авиационной промышленности, и способных достичь целей, установленных Европейским консультативным советом по исследованиям в области аэронавтики (ACERA). Они заключаются в двукратном сокращении выбросов углекислого газа к 2020 году, в снижении на 80% выбросов оксидов азота и в снижении уровня шумового воздействия на 50%.

По программе SAGE различными моторостроителями будут разрабатываться пять отдельных технологий. В середине этого десятилетия участники должны будут представить пять демонстраторов технологий. Проекты SAGE 1 и SAGE 2 в основном посвящены технологиям открытого ротора. Работают над этими проектами компании Rolls-Royce и Snecma. Проект SAGE 3 также возглавляется компанией Rolls-Royce и посвящен технологии трехвального турбовентилятора Advance3. Проект SAGE 4 возглавляется компанией MTU Aero Engines и основан на технологии редукторного турбовентилятора. Работа над данным проектом ведется совместно с компанией Pratt & Whitney. Фирма Turbomeca, подразделение компании Safran, отвечает за проект SAGE 5 и работает над турбовальными двигателями.

Программа Advance3 компании Rolls-Royce основана на проекте газогенератора двигателя Trent 1000 Environmentally Friendly Engine (EFE). Целью проекта Advance3 является сокращение расхода топлива на 15-20% к 2017-2018 годам. Двигатели, созданные по этой программе, предназначены для установки на широкофюзеляжные самолеты и будут обладать тягой 134-445 кН. Одной из технологий, применяемых в проекте Advance3, является сгорание обедненной смеси. По словам главного инженера Rolls-Royce Ричарда Кло, за счет применения таких двигателей можно добиться 50-процентного сокращения выбросов оксидов азота по сравнению с нынешним уровнем. В скором времени начнутся испытания демонстратора технологий Trent 1000 EFE, а работа над данной программой будет продолжаться еще три-четыре года.

По программе Clean Sky компания Rolls-Royce также должна представить демонстратор передовой системы низкого давления (ALPS). Вместе демонстраторы EFE и ALPS являются основой проекта Advance3, однако компания решила запустить их в производство по отдельности, чтобы снизить вероятность возникновения различных проблем. На создание демонстратора ALPS потребуется какое-то время, также как и для разработки демонстратора Trent 1000 EFE. "Дело не только в композитном вентиляторе и корпусе двигателя, мы также рассматриваем возможность создания более легкой обшивки. Мы планируем провести несколько запусков", - отметил Р.Кло.

Rolls-Royce также работает над программой двухвального двигателя Advance2, которая основана на демонстраторе технологий газогенератора E3E (efficiency, environment, economy - эффективность, окружающая сред, экономичность). Целью данной программы является создание двигателей, способных обеспечить сокращение расхода топлива на 15-20% к 2016-2017 годам. Программа Advance2 предназначена для бизнес-самолетов среднего и большого класса, для региональных авиалайнеров вместимостью 70-130 пассажиров, а также для узкофюзеляжных самолетов вместимостью 140-200 пассажиров. Основной задачей программы является разработка новых технологий, позволяющих увеличить температуру двигателя, степень повышения давления и эффективность различных компонентов. Кроме того, предполагается 25-процентное увеличение отношения тяга/вес.

Ранее в этом году газогенератор E3E прошел 40-часовые высотные тесты в Университете Штутгарта. В настоящее время Rolls-Royce готовится к тестам компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления.

"Мы пытаемся повысить степень двухконтурности и по возможности повысить давление и температуру газогенератора", - сказал вице-президент компании Rolls-Royce по стратегическому маркетингу Роберт Наттол.

КПД двигателя (отношение энергии, преобразованной в тягу) повышается с увеличением диаметра вентилятора и повышением степени двухконтурности. Термический КПД (демонстрирует эффективность преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию турбины) повышается с увеличением давления воздуха, поступающего в камеру сгорания, что требует увеличения температуры. Правда, в повышении температуры есть и свои минусы - это приводит к увеличению выбросов оксидов азота. И именно с этой проблемой пытаются справиться моторостроители.

Компания MTU в сотрудничестве с партнерами Avio и Volvo должна представить демонстратор редукторного турбовентиляторного двигателя. Эта цель должна быть достигнута к 2013-2014 году.

"Мы намерены и в будущем увеличивать КПД двигателя за счет повышения потока воздуха, проходящего через вентилятор, и снижения степени повышения давления вентилятора, - говорит старший вице-президент компании MTU Эрих Штайнхардт. - Это потребует разработки современных высокоскоростных турбин низкого давления и современных редукторных технологий, которые являются ключевыми элементами в нашем демонстраторе GTF SAGE 4. И конечно, мы продолжаем искать возможности дальнейшего снижения веса, и мы постараемся разработать новые технологии, которые будут удовлетворять требованиям программы Clean Sky".

Компания MTU уже обратилась к научным организациям с просьбой предоставить на рассмотрение подходящие технологии. "Сейчас мы получаем отзывы на наши запросы, и в начале следующего года мы должны приступить к подписанию контрактов", - добавил Э. Штайнхардт. MTU надеется привлечь к работе над проектом небольшие и средние фирмы, а также ведущие университеты.

В рамках программы CLAIRE (Clear Air Engine), преследующей цель создания двигателя, обеспечивающего 20-процентное сокращение выбросов углекислого газа, компания MTU также исследует возможность разработки турбовинтовентиляторного двигателя с пропеллерами, вращающимися в противоположную сторону (CRISP). В настоящее время MTU вместе с компаниями DLR и Pratt & Whitney пытается определить, какой из двигателей будет эффективнее в плане достижения поставленной цели: GTF или CRISP. Как говорит Э.Штайнхардт, решение будет принято через несколько лет, хотя двигатели GTF пока являются фаворитами.

"Сложно сказать, какой из этих двигателей обеспечит более явное снижение выбросов углекислого газа - это и является предметом наших исследований", - отмечает Э.Штайнхардт.

Третьим шагом в программе CLAIRE является разработка двигателя, обеспечивающего 30-процентное снижение расхода топлива к 2035 году. Для решения этой задачи компания MTU присоединилась к исследовательской программе Евросоюза NEWAC (New Aero Engine Core), которая предусматривает создание рекуперативного двигателя с промежуточным охлаждением, в котором теплообменники устроены таким образом, что они используют остаточную энергию выхлопных газов для выполнения полезной работы.

"Мы не собираемся ждать до 2035 года. Мы уже сейчас исследуем возможности увеличения термического КПД двигателей", - сказал Э.Штайнхардт, добавив, что повышение КПД отдельных компонентов является сложной задачей, поскольку их уровень уже и так высок. "Мы рассматриваем дальнейшее увеличение степени повышения давления. Исследования продолжаются, и мы просим финансирования у Евросоюза", - отметил Э.Штайнхардт.

Как говорит руководитель отдела инноваций компании MTU Йорг Зибер, MTU уже протестировала две конфигурации газогенератора по программе NEWAC и получила несколько хороших результатов. "Мы смогли увеличить термический КПД на 6%", - подчеркнул Й.Зибер.

Не так давно программа Clean Sky находилась под серьезным давлением из-за различных бюрократических препятствий, связанных с выдачей контрактов на исследования. Но как отмечает координатор программы Джузеппе Пагнано, все проблемы, связанные с бюрократическими препятствиями, были решены. Правда, как говорит Э.Штайнхардт, бюрократии меньше не стало, но прогресс налицо, однако, еще рано говорить об улучшениях.

В настоящее время гранты на различные исследования по программе SAGE выделены 40 участникам. И как отмечает Д.Пагнано, в будущем это число может увеличиться до ста, причем, все демонстраторы должны быть представлены в период между 2013 и 2015 годами.

Технология "вентилятора без обтекателя", более известная как "открытый ротор", неоднократно выходила на первый план, когда дело касалось сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу. В настоящее время такие компании как Rolls-Royce и CFM International продолжают работать над технологией открытого ротора, пытаясь снизить уровень шумового воздействия, вызванного отсутствием обтекателя. Однако до сих пор не ясно - воплотится ли эта технология в жизнь или нет.

По мнению Р.Натолла, открытый ротор является единственной потенциальной технологией, способной изменить представление о двигателях, поскольку она может обеспечить 30-процентное снижение расхода топлива по сравнению с существующими моторами. "Эта технология позволит сделать шаг вперед в плане сокращения расхода топлива, но это новый двигатель, и его никогда не разрабатывали ранее", - отметил Р.Натолл.

Rolls-Royce сейчас работает над демонстратором технологии открытого ротора и уже выполнила три серии тестов в аэродинамической трубе, где испытывалась масштабная модель (1:6) полноразмерного открытого ротора. Целью высокоскоростных тестов была оценка эффективности демонстратора, в то время как в ходе тестов на низкой скорости необходимо было оценить уровень шума. "Одна из главных проблем - отсутствие мотогондолы, поэтому мы не можем удержать шум внутри двигателя, - отмечает Р.Натолл. - Однако тесты показали, что двигатели с открытым ротором могут производить гораздо меньше шума по сравнению с современными моторами".

По словам Р.Натолла, проект открытого ротора пройдет через две фазы развития: в ходе первой необходимо будет подтвердить данную концепцию, а в ходе второй - протестировать ее. Целью компании Rolls-Royce является разработка и создание трех двигателей с открытым ротором до середины следующего десятилетия, ввод в эксплуатацию этих двигателей намечен на период с 2022 по 2025 года. Первые два двигателя пройдут наземные тесты в различных конфигурациях, третий двигатель будет предназначен для летных испытаний. Двигатели Rolls-Royce с открытым ротором нацелены на рынок 100-200-местных узкофюзеляжных авиалайнеров и будут обладать тягой от 89 до 156 кН.

Компания CFM International работает над собственной программой двигателя с открытым ротором. За два последних года CFM провела серию испытаний в аэродинамической трубе. Запуск двигателя в эксплуатацию запланирован на середину 2020-х годов. Как говорит менеджер компании CFM по экологическим исследованиям Франсис Кулльяр, технология открытого ротора позволит сократить на 25% выбросы углекислого газа по сравнению с нынешними моделями, однако уровень шумового воздействия остается одной из главных проблем.

"Евросоюз планирует сократить уровень шумового воздействия на 15 дБ, но двигатель с открытым ротором может сократить этот уровень только на 5-10 дБ, - говорит Ф. Кулльяр. - Поэтому нам нужно провести как можно больше исследований в этой области".

Демонстраторы технологий открытого ротора компании Rolls-Royce и CFM должны представить в 2015 году в рамках программы SAGE. Помимо этого, будут представлены еще четыре демонстратора других технологий. Как ожидается, все демонстрации технологии открытого ротора будут проводиться на самолетах Airbus A340-600.

Будущее технологии открытого ротора во многом зависит от решений Boeing и Airbus по замене своих узкофюзеляжных самолетов. Эффективность этой технологии заключается в ее высокой степени двухконтурности, что требует использование вентилятора диаметром 4,3 метра, что значительно больше по сравнению с современными турбовентиляторными двигателями. "Установка двигателя с открытым ротором потребует разработки совершенно нового самолета", - говорит Р.Натолл, добавляя, что все авиастроители заинтересованы в новой концепции и что Rolls-Royce работает над этим проектом в сотрудничестве с Boeing и Airbus. С другой стороны Ф.Кулльяр считает, что потребуется лишь модернизация узкофюзеляжных самолетов, а не создание абсолютно новой модели.

Ранее в этом году компания Rolls-Royce уже просила Boeing и Airbus ускорить процесс замены существующих узкофюзеляжных самолетов и представить на этом рынке новые технологии. Обе компании должны принять решение по этому вопросу до конца этого года, и это решение в значительной степени будет определять судьбу технологии открытого ротора....