Flygplanets hjärta: en flygmotor och tekniska lösningar som kan ta det lovande ryska VTOL-flygplanet till en ny nivå
Artikeln Vertikal start: en återvändsgränd eller stridsflygets framtid verkliga och imaginära brister som tillskrivs vertikal start och landning (VTOL) flygplan övervägdes.
Det kan ses att med tillkomsten av nya generationer av VTOL-flygplan kommer egenskaperna närmare det "klassiska" stridsflygplanet med jämförbara vikt- och storleksegenskaper. Om Yak-38 var betydligt sämre än MiG-21bis och MiG-23ML när det gäller flygprestanda (LTX), så är skillnaden mellan Yak-141 och MiG-29 flygegenskaper inte längre så signifikant, medan i vissa avseenden Yak-141 vann till och med. Om vi pratar om den amerikanska F-35-linjen, som inkluderar den "klassiska" F-35A, VTOL F-35B och hangarfartygsversionen av F-35C, är deras egenskaper redan ganska jämförbara.
När de pratar om den lilla spridningen av VTOL glömmer de att den här tekniken i sig är mycket mer komplicerad – inte alla länder kan hantera den. Tilltrotorplan är till exempel också mycket ovanliga än så länge, även vi har dem inte, trots en ganska utvecklad flyg industrin, medan få tvivlar på effektiviteten och utsikterna för konvertiplan. Med VTOL-flygplan är situationen liknande - det är ganska svårt att bygga dem utan en teknisk eftersläpning. Det är faktiskt bara USA som har kunnat göra detta under XNUMX-talet.
Länderna i Europa i allmänhet tappar gradvis sin kompetens när det gäller konstruktion av stridsflygplan, deras utveckling är extremt tidskrävande och kostsam i ekonomi. Om vi till exempel pratar om Sverige, så finns det i deras Grippen en turbojetmotor (TRD) baserad på den amerikanska General Electric F404-motorn från F/A-18 Hornet, det vill säga att svenskarna själva inte kan skapa en motor ens för ett klassiskt flygplan, som redan är här för att prata om VTOL. Storbritannien har förlorat kompetensen i skapandet av VTOL-flygplan, övergett utvecklingen av nästa generation av VTOL "Harrier" och gått över till den amerikanska F-35B. Frankrike experimenterade bara i denna riktning.
Det är samma sak med Kina, de har många saker som utvecklas och produceras, men det kommer fortfarande inte att fungera med flygplansmotorer - det finns en allvarlig eftersläpning när det gäller dragkraft och turbojetmotorresurs. Men att skapa en motor för VTOL-flygplan är ännu svårare. Det kan antas att så fort Kinas motorbyggande industri löser sina problem, kommer de att ta upp ämnet VTOL-flygplan på nära håll.
Enligt uppgifter från kinesiska och amerikanska medier har arbetet på flygplanet J-18 VTOL (Jian-18, NATO-klassificering Red Eagle) intensifierats i Kina. VTOL-segelflygplanet bör tillverkas med hjälp av siktminskningsteknik, räckvidden kommer att vara cirka 2 000 kilometer, och en radarstation (radar) med en aktiv fasad antennuppsättning (AFAR) kommer också att installeras på J-18.
Kina har försökt utveckla VTOL-flygplan sedan 60-talet av XX-talet, för vilket en avvecklad Harrier till och med köptes från en samlare i Storbritannien. 1994 ska det ryska Yak-141 VTOL-flygplanet ha köpts för samma ändamål. Det antas att det kinesiska VTOL-flygplanet kan dyka upp 2025.
När det gäller att skapa VTOL-flygplan och turbojetmotorer för dem fick Ryssland en sådan eftersläpning från Sovjetunionen att andra länder bara kunde avundas. Trots att mycket tid har gått kan och bör denna reserv användas.
Sovjetunionen var ett av två länder som kunde skapa seriella VTOL-flygplan, och det var i Sovjetunionen som Yak-141 skapades - en maskin som var decennier före sin tid.
Hjärtat i flygplanet, som dess prestanda till största delen beror på, är en turbojetmotor. Det är lätt att spåra den logiska kedjan - när den specifika och maximala kraften hos turbojetmotorn växte, närmade sig parametrarna för VTOL-flygplanet alltmer parametrarna för "klassiska" flygplan.
Och för att skapa ett ryskt VTOL-flygplan kommer det först och främst att vara nödvändigt att skapa en lämplig motor för det.
VTOL motor
Det finns två sätt.
Det första är att skapa en flygplansmotor för ett lovande VTOL-flygplan baserad på den lovande turbojetmotorn Izdeliye 30, motorn i andra steget för Su-57, som man arbetar med med stora förseningar. Det är svårt att säga hur realistiskt detta är, eftersom egenskaperna hos turbojetmotorn Izdeliye 30 är klassificerade, finns det ingen information om huruvida denna motor kan utrustas med ett roterande munstycke, vilket avsevärt skiljer sig från en konventionell dragkraftsvektorkontroll (UVT) munstycke.
Att utrusta VTOL-flygplan med lyftmotorer är inte ett alternativ - det här är förra seklets teknik, det vill säga det är nödvändigt att ge kraftuttag till fläkten från "Produkt 30". Och om detta är möjligt i princip på denna turbojetmotor är okänt.
Användningen av turbojetmotorer för vertikal start och landning skapar problem i driften av VTOL-flygplan på grund av förstörelsen av start- och landningsbanor av en het jet
Det finns dock en annan möjlighet - vid ett tillfälle visade Yak-141-flygplanets motor enastående prestanda, och på grundval av detta fortsätter utvecklingen av lovande turbojetmotorer, som beskrevs i artikeln. Sovjetiskt arv: femte generationens turbojetmotor baserad på Izdeliya 79.
Potentiellt kan turbojetmotorn R579-300, utvecklad av AMNTK Soyuz, bli hjärtat i ett lovande ryskt VTOL-flygplan.
TRD R579-300 utvecklad av AMNTK "Soyuz"
TRD R579-300
Varför R579-300 TRD?
Enligt tillverkaren kan denna flygmotor säkert hänföras till den femte generationens flygmotorer, och hög prestanda uppnås genom användning av effektiva designlösningar och inte genom användning av komplexa tekniska operationer och material, vars utveckling av vår bransch kan orsaka förseningar i utveckling och massproduktion, lovande turbojetmotorer.
Utvecklarens webbplats innehåller en tabell med egenskaperna hos R579-300 turbojetmotorn i olika versioner, inklusive alternativ för VTOL-flygplan med en maximal efterbrännares dragkraft på upp till 21-23 tusen kgf.
Alternativ för implementering av R579-300 turbojetmotor för olika flygplan
R579-300 turbojetmotorn har två funktioner som gör den till en extremt lovande lösning för ett lovande ryskt VTOL-flygplan.
Den första är möjligheten att ansluta en last med en effekt på mer än 40 MW på TRD-axeln.
Det andra är ett adaptivt bypass-förhållande och ett justerbart kompressionsförhållande.
Möjligheten att ansluta en last på TRD-axeln gör att du kan placera en lyftfläkt på den, liknande hur den är implementerad i F-35B. Lyftfläkten eliminerar inte bara tunga och bränslekrävande hjälplyftsmotorer, utan minskar också den termiska belastningen på banan.
Dessutom kommer, med hög sannolikhet, grunden för stridsstabiliteten för stridsflyg under XNUMX-talet att vara lovande luftburna självförsvarssystem, bl.a. luftburna självförsvarslasersystem och medel för elektronisk krigföring (EW). Att öka radarns kraft med AFAR kräver också en kraftfull elkälla ombord. Sådan kan vara en elektrisk generator på TRD-axeln.
En prototyp av en supraledande synkron flygplansmotor med en kapacitet på 1 megawatt, med en effekttäthet på 20 kilowatt per kilogram, utvecklad i Tyskland - med tanke på reversibiliteten hos synkrona elektriska maskiner kan kompakta elektriska generatorer med minimala dimensioner och hög verkningsgrad skapas på grunden för denna teknik. Foto: Demaco.nl
Inte mindre, och ännu större möjligheter kommer att ges av ett justerbart bypass-förhållande, vilket gör att du kan skapa en kall jetström på grund av det stora maximala bypassförhållandet och följaktligen stora luftvolymer. I detta fall kommer utflödeshastigheten för den "kalla" strålen att vara jämförbar med utströmningshastigheten för den "heta" strålen.
Enligt utvecklarna av Soyuz AMNTK, i ett lovande ryskt VTOL-flygplan baserat på turbojetmotorn R579-300, kan vertikal start genomföras utan att vrida huvudmunstycket, på grund av användningen av en lyftfläkt och luftutsug från extern krets, som kommer att skjutas ut genom små munstycken riktade nedåt i den centrala / bakdelen av flygkroppen och på vingspetsarna (de senare bör användas för att stabilisera VTOL-flygplanet). I detta fall kommer temperaturen på jetströmmen som riktas nedåt att vara cirka 150–200 grader Celsius, vilket helt kommer att lösa problemet med förstörelse av banmaterial under vertikal start (eller start med en kort startkörning) av lovande VTOL-flygplan.
Potentiellt kan en variant övervägas när ens en lyftfläkt inte kommer att användas, och vertikal start och landning kommer endast att utföras genom att avlägsna luft från den "kalla" kretsen till munstycken som finns på flera punkter på VTOL-kroppen.
Men det är just den höga temperaturen i jetströmmen som avsevärt komplicerar driften av VTOL-flygplan både på fartyg och på land.
Tidigare skapade VTOL-flygplan förstörde banan allvarligt, det moderna F-35B VTOL-flygplanet har också ett sådant problem - den glödande flamman från turbojetmotorns roterande munstycke är tydligt synlig på bilden
Förutom att ge möjligheten till en "kall" vertikal start och landning, samt ge energi till avancerade lasersjälvförsvarssystem, elektronisk krigföring och radar med AFAR, kommer en lyftfläkt och ett adaptivt bypass-förhållande att ge flera fler fördelar för realiseras i ett lovande VTOL-flygplan.
Ytterligare förmåner
Den stora volymen kall luft som erhålls från den andra kretsen av turbojetmotorn kan användas inte bara vid vertikal start och landning. Ett av de lovande och effektiva sätten att förbättra aerodynamiken och styrbarheten hos ett flygplan över hela området av höjder och flyghastigheter är att kontrollera gränsskiktet.
Gränsskiktskontrollprincip
Styrningen av gränsskiktet består i att säkerställa ett icke-separerat flöde runt vingen i ett brett spektrum av anfallsvinklar genom att öka gränsskiktets energi. Påverkan på gränsskiktet är nödvändig för att försvaga eller förhindra flödesseparering på den strömlinjeformade ytan. I Sovjetunionen användes avblåsning av gränsskiktet av MiG-21-jaktplanen för att öka vinglyften under start och landning - högtrycksluft tillfördes genom en slits i framkanten av flikarna.
MiG-21PF/PPS/SPS (Boundary Layer Blower) designades för drift från obanade flygfält. För detta ändamål var jagaren utrustad med R-11-F2S-300-motorer med luftutsug från kompressorn och ett system för att blåsa av gränsskiktet från klaffarna, vilket gjorde det möjligt att minska körlängden till i genomsnitt 480 m, och landningshastigheten till 240 km/h!
I ett lovande VTOL-flygplan med R579-300 turbojetmotor kommer kontroll av gränsskiktet inte bara att öka effektiviteten hos kontrollerna, utan också till exempel kompensera för de brister i flygkroppens aerodynamiska verkningsgrad, som kan uppstå som en resultatet av dess optimering för att minska radarns synlighet.
Förmågan hos en turbojetmotor att skapa ett kraftfullt flöde av kall luft kan användas för att implementera gasdynamisk styrning av VTOL-flygplan, vilket i sin tur kan leda till en minskning av storleken på aerodynamiska kontroller eller till och med avvisande av några av dem och, som ett resultat, till en minskning av radarsynligheten för ett stridsflygplan.
Gasdynamisk kontroll användes i Harrier VTOL-flygplanet, men kraften hos den tidens turbojetmotor tillät den inte att vara riktigt effektiv.
Och slutligen kan kall luft användas för att kyla turbojetmunstycket och andra strukturella element, vilket kommer att minska upptäcktsräckvidden för ett lovande VTOL-flygplan med infraröda sensorer och minska sannolikheten för att det träffas av infraröda målsökande missiler (IR GOS).
I princip kan allt detta implementeras på flygplan med horisontell start och landning om de är utrustade med en motor med ett högt bypass-förhållande, men VTOL-flygplan har ytterligare en fördel, som ofta bara betraktas som en nackdel - dess lyftfläkt.
Lyftfläkt
I och för sig är användningen av en hissfläkt mer effektiv än användningen av separata jetmotorer, åtminstone på grund av den lägre bränsleförbrukningen och det kalla luftflödet som skapas av hissfläkten inte förstör banan på det sätt som den nedåtgående varma jet av en jetmotor gör.
Dessutom kommer implementeringen av en lyftfläkt att kräva utveckling av teknik för att utvinna hög effekt från TRD-axeln. En bieffekt av denna teknik kommer att vara möjligheten att placera på turbojetmotorns axel, förutom själva lyftfläkten, även en elektrisk energigenerator, som är avgörande för att ge ström till de luftburna självförsvarslasersystemen, elektroniska krigföringsutrustning och radar med AFAR, som redan nämnts ovan.
Närvaron av kraftfulla källor för el och luftförsörjning ombord på VTOL-flygplanet kommer att göra det möjligt att helt överge opålitliga och brandfarliga hydrauliska drivningar till förmån för elektriska och pneumatiska drivningar.
Tillsammans med bränsle är luft den viktigaste komponenten som gör att turbojetmotorn kan realisera alla dess inneboende egenskaper. Det finns situationer när mängden luft som tillförs turbojetmotorn som är installerad ombord på flygplanet blir otillräcklig. Detta problem kan uppstå när flygplanet används på höghöjda flygfält, på höga flyghöjder eller under intensiv manövrering.
I denna situation kan ett lovande VTOL-flygplan använda en lyftfläkt för att pumpa ytterligare luftvolymer till motorn, med de övre klaffarna öppna och de nedre klaffarna stängda. I det här fallet kommer luftflödet genom speciella kanaler in i turbojetmotorns inlopp, vilket gör att den kan arbeta med maximal effekt.
Lyftfläkt VTOL F-35B
Till exempel, någonstans på ett höghöjdsflygfält kommer ett "klassiskt" stridsflygplan med full stridslast att behöva en landningsbana som är en och en halv kilometer lång för att lyfta, medan ett VTOL-flygplan, på grund av tillhandahållandet av turbojetmotorer med ytterligare luftvolymer, kommer att genomföra en ”horisontell” start från en 300–500 meter lång bana.
Resultat
Ökningen av specifik och maximal, efterbrännare och icke-efterbrännareffekt hos turbojetmotorer eliminerar i stort sett skillnaderna mellan "klassiska" flygplan och VTOL-flygplan.
Det kan antas att egenskaperna hos lovande "klassiska" stridsflygplan och VTOL-flygplan kommer att skilja sig inom 10-15%. Till exempel kommer ett VTOL-flygplan att ha 1–2 ton mindre stridslast, vilket är tolerabelt om ett "klassiskt" flygplan har 8 ton och ett VTOL-flygplan har 6–7 ton, ändå har flygplanet helt enkelt inte tillräckligt upphängningspunkter, särskilt flygkroppar, för att hänga vapen på en sådan massa. Eller så blir färjeräckvidden för ett "klassiskt" flygplan 200-300 kilometer mer än för ett VTOL-flygplan, vilket inte är kritiskt när det är cirka tre till fyra tusen kilometer.
Samtidigt kommer VTOL-flygplan att ha fördelar som inte kan realiseras på ”klassiska” stridsflygplan.
Under förhållanden revolutionerande utveckling av rymdspaning и precisionsvapen med lång räckvidd, inklusive hypersonisk, kan endast möjligheten att sprida stridsflygplan över små kamouflerade flygfält säkerställa stridsflygets överlevnadsförmåga i händelse av ett plötsligt fiendeanfall.
Kombinationen av VTOL-flygplan och avancerade tjänster för operativt utplacering av mobila flygfält kommer att göra det möjligt att skapa en flotta av stridsflygplan som är mest motståndskraftig mot att utsätta fiendens djupa angrepp.
Och naturligtvis kommer VTOL-flygplan också att hitta sin nisch i den ryska flottan Marin (Marin).
- Andrey Mitrofanov
- Amntksoyuz.ru, journal.almaz-antey.ru
informationen