Перспективный авиационный двигатель нового поколения

     Современное общество, где география взаимоотношений простирается на многие тысячи километров, где люди могут и с удовольствием путешествуют через весь земной шар, где расстояния в десятки тысяч километров не являются препятствием - тот недосягаемый ранее уровень свободы перемещений и свободы выбора, невозможно представить без развитого авиационного парка. Ежедневно совершаются тысячи рейсов, миллионы людей и грузов перемещаются между городами, странами и континентами, за десятки часов преодолевая расстояния, на которые еще каких-то 100 лет назад ушли бы долгие недели.

   С момента создания первых летательных аппаратов и до наших дней главным вектором развития авиационной техники было увеличение скорости полета. Учитывая разделение по функциональному назначению на военные самолеты и гражданские, мотивация может быть различной ( к примеру - боевая эффективность у истребителей и экономичность для магистральных лайнеров), но общим остается открытие новых, ранее не досягаемых возможностей с ростом скорости для всех типов летательных аппаратов (при условии оптимальной взаимосвязи скорости с другими параметрами).

    Только представьте себе перспективу полета по маршруту «Москва – Нью-Йорк» всего лишь за 3 часа! Представьте, что больше не придется мучиться в безуспешных попытках поспать хоть какое-то время, считать оставшиеся часы или минуты полета, маяться, не зная чем бы себя занять в тягостном ожидании, даже если Вы летите 1-м классом – дальний перелет наверняка ни для кого не проходил незамеченным! Тот же маршрут, требовавший длительного и доставляющий столько неудобств (минимум сутки на акклиматизацию и банальное восстановление сил) перелета, будет покрываться всего за 2.5-3 часа! И всё это может стать реальностью через какие-то 10-15 лет! И всё это станет возможным благодаря нашему проекту!

       Вы уже много раз слышали о недостижимой пока мечте практически всех авиаконструкторов, причем как военных, так и гражданских – о возможности осуществления пилотируемого полета со скоростями, в 5-6 раз превышающими скорость звука – гиперзвуковых полетах! Что же отделяет человечество от вступления в следующую эру развития авиации, причем не банальной смены поколений авиационной техники, а создания принципиально новых самолетов? На сегодняшний день уже существуют необходимые технологии и конструкторские решения, позволяющие создать такие самолеты: проработаны варианты теплозащиты конструкции планера, исследованы аэродинамические схемы и логика управления, варианты различных систем жизнеобеспечения для пилотируемых полетов и т.д., но такие самолеты до сих пор не построены, несмотря на очевидное преимущество перед существующими? На сегодняшний день, не смотря на широчайший интерес к гиперзвуковым технологиям, в первую очередь, со стороны военных, и огромные затраты на программы испытаний, не удалось сделать двигатель, способный работать одинаково эффективно как на относительно малых скоростях (на режимах взлета и разгона), так и на гиперзвуковых.  Разрабатывая проект комбинированного гиперзвукового двигателя (проект получил наименование «изделие 1-301А», мы провели масштабные исследования комплекса разработок в разных странах, проработали большую часть наиболее удачных концепций и постарались учесть все сильные и слабые стороны, и, в первую очередь, концептуальные ошибки.

О проекте.

     Изделие 1-301А – комбинированный воздушно-реактивный двигатель – концепт, разрабатываемый командой SLine-hypersonic в рамках программы исследования гиперзвуковых полетов S-1.  Двигатель рассчитан на применение в широком диапазоне скоростей (от 0 до 8 М) и высот полета (от 0 до 80 км).
Общий вид и компоновка двигателя показана на рисунке:

  Концепт разрабатывается как основная силовая установка для перспективного гиперзвукового ударного самолета.  Идея и ключевое требование, лежащее в основе проекта – силовая установка должна обеспечивать взлет самолета с любого существующего аэродрома, полет на дозвуковой скорости, разгон до крейсерской гиперзвуковой скорости, а также возможность маневренного полета с многократными изменениями высот и скоростей. 

  За счет комплекса конструктивных решений двигатель способен эффективно работать на всех заявленных режимах, обеспечивая при этом все потребности бортовых систем самолета - носителя в воздухе и электроэнергии. Независимость турбины от компрессора открывает широкие возможности в управлении скоростью вращения и повышает общую энергетическую эффективность всей системы "самолет - двигатель".  Блок-схема работы двигателя показана на рисунке:

Суперкритичные технологии.

    Главным секретом и ключевой технологией нового двигателя является разделение по способу создания тяги на 2 независимых контура: внутренний контур на скоростях до 3 чисел Маха работает как обычный воздушно-реактивный двигатель (воздух сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания). Внешний контур является прямоточным (воздух сжимается за счет аэродинамического торможения) и включается в работу на скоростях выше 3 Махов. С ростом скорости специальная система в автоматическом режиме распределяет воздух между контурами, обеспечивая наилучшие тяговые характеристики и оптимальные расходы топлива.

      Но на скоростях выше 3.5 Махов такая схема была бы неэффективна из-за высоких температур. Эту проблему решает комплексная система терморегулирования, в задачи которой входит, в первую очередь, охлаждение воздуха перед входом в компрессор и во внешний контур. Благодаря эффективной работе системы воздух охлаждается до очень низких температур:

- холодный воздух более плотный – возможно получение более высоких давлений перед камерой сгорания

- поддержание умеренных температурных режимов в конструкции двигателя – возможно применение легких алюминиевых, титановых сплавов и композиционных материалов.

Принципиальная схема системы охлаждения:

История создания.

     Идея создания гиперзвуковых летательных аппаратов родилась у меня в далеком 2012 году при поступлении в аспирантуру Московского Авиационного Института во время судорожных поисков темы диссертационной работы. Тогда я прочитал статью " Летающая лаборатория - демонстратор гиперзвуковых скоростей" из сборника "Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники" научных работников ЦАГИ. Я определился с выбором и занялся плотным изучением гиперзвуковых технологий. Сложно сказать, что подтолкнуло меня в эту сравнительно новую, еще малоизученную, но развивающуюся бурными темпами область. Работая над диссертацией, я стал активно изучать западный опыт, узнал о принятой в США концепции "глобального удара" (возможность нанесения удара по любой точке земли в течение очень короткого времени после поступления приказа), основой и главной составляющей которой являются гиперзвуковые летательные аппараты, о темпах работ и масштабах финансирования проектов, направленных на реализацию концепции. В России так же существуют отдельные проекты, но они не объединены единой концепцией и не смогут в полной мере являться эффективной защитой.

     Проанализировав сложившуюся ситуацию и возможные варианты ее развития, я приступил к разработке программы, включающей в себя не только создание перспективных гиперзвуковых комплексов, но и взаимную увязку и распределение производственных и интеллектуальных ресурсов, разработку и внедрение необходимых технологий. Главным оставалось следующее условие: пошаговая реализация программы в заданный период времени должна обеспечить создание, успешные летные испытания и применение нескольких типов таких самолетов как военного, так и гражданского назначения. В середине 2013 года мне удалось собрать команду единомышленников (мы выбрали название SLine-hypersonic) и приступить к полномасштабной разработке гиперзвукового самолета - лаборатории (получившей индекс 1Л для упрощения взаимодействия внутри команды).

  В качестве силовой установки рассматривалась комбинация разгонных блоков и гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, затем искали оптимальное сочетание турбореактивного и прямоточного двигателей, но ни один из таких вариантов не отвечал предъявляемым к будущим аппаратам требованиям. К 2014 году я понял, что без четкой концепции двигателя разработка летательных аппаратов не имеет никакого смысла, и все силы были брошены на новый проект, получивший название 1-301А. 

Перспективы и сравнение.

1. Для военных целей: подъем обороноспособности страны на новый, ранее не достижимый уровень благодаря созданию целово ряда типов гиперзвуковых аппаратов (например: ударные комплексы, перехватчики, ракеты и т.д.), основной силовой установкой для которых послужит двигатель 1-301А и его модификации. Это позволит исключить Россию из списка вероятных целей в случае запуска США программы "Глобальный удар" и одновременно стать новым типом оружия сдерживания наравне или вместо традиционного ядерного оружия (такие аппараты неуязвимы для существующих систем ПВО).

2. Полеты в космос: на основе 301А возможно создание силовой установки для выведения летательных аппаратов в космос по одноступенчатой схеме. При этом стоимость выведения на орбиту 1 кг полезного груза будет меньше в 5..10 раз в сравнении с существующими системами. Более того, удастся заметно снизить стоимость космического туризма, который перестанет быть уделом избранных.

3. Гражданские: создание рынка гиперзвуковых пассажирских и бизнес перевозок путем доработки 301А по снижению удельного расхода топлива. 3-х часовой перелет по маршруту "Москва - Нью-Йорк" может стать реальностью уже через 10-15 лет.

4. Экономические: разработка, испытания и производство двигателя связаны с внедрением и освоением новых производств, глубокой модернизацией и модификацией существующих, что в условиях непростой экономической ситуации позволит не только создать дополнительное количество рабочих мест, укрепить позиции предприятий - смежников, но и расширить экспортные возможности России на внешних рынках и увеличить долю наукоемких и производственных отраслей в ВВП, снижая зависимость от энергоресурсов.

     На сегодняшний день детальный анализ проектов - аналогов показал: двум принципиально разным ключевым требованиям к гиперзвуковому самолету (обеспечение беспрепятственного взлета с любого аэродрома и разгон без использования ускорителей, маневренный полет) ни один из них не соответствует в полной мере.

Экономика проекта.

     Реализация принципиально новых инновационных проектов, особенно в области авиастроения, требует колоссальных материальных затрат. Я расскажу вам о том этапе работ, который является исключительно важным и над чем мы трудимся в данный момент. 

    Для реализации проекта и начала переговоров с ведущими авиационными предприятиями и НИИ требуется выполнить еще очень большой объем работ:

1. Провести тепловой расчет системы охлаждения и разработать техническое предложение по конструкции секций теплообменника предварительного охлаждения воздуха перед внешним и внутренним контурами. Это одна из ключевых составляющих проекта, от которой зависит эффективность всего двигателя. Необходим точный расчет потребной холодопроизводительности и предварительное определение параметров хладогентов для первого и второго контуров охлаждения.

Результаты оценочных расчетов по граничным температурам в секции теплообменника (сечения):

2. Рассчитать картину течения воздуха в воздухозаборнике перед первой секцией теплообменника для разработки облика и логики функционирования системы распределения расходов между контурами двигателя.

     Выполнение этих двух пунктов позволит нам определить точный облик будущего изделия, сформировав комплекс данных для подготовки испытательных стендов для отдельных агрегатов и систем. Первые испытания системы охлаждения запланированы на середину 2016 года, а уже в конце 2016 года мы представим первый прототип двухсекционного теплообменника для предварительного охлаждения воздуха.

На что пойдут собранные средства:

1. Оплата услуг специалистов и аренда машинного времени.. Суммарная трудоемкость расчетов достигает нескольких тысяч часов.

2. Программное обеспечение. Необходимы системы типа Floefd и аналоги

3. Общая доработка концепции и оформление результатов (суммарная трудоемкость около тысячи человеко-часов по реально затраченному времени)

     Ваша поддержка поможет сделать проекту огромный шаг вперед. Помогая нашему проекту сейчас, вы делаете этот трудный шаг вместе с нами. Я чувствую вашу поддержку и готов идти вперед сквозь любые трудности! Вне завистмости от того, сколько удастся собрать, я хочу выразить глубочайшую признательность всем, кто нашел в себе силы дочитать до этого места.

     Для тех же, кто решился нам помочь, мы, команда SLine-hypersonic, приготовили отдельные сюрпризы