Воздушный винт XXI века
Воздушный винт прошел путь от выструганной деревяшки до сложнейшего аэродинамического механизма, и сегодня эта эволюция выходит на новый виток. Братья Райт, сами вытачивавшие первые пропеллеры из ламинированного ясеня, довольствовались КПД в 50–60 %. Их лопасти имели постоянный угол атаки и простейший выпукло-вогнутый профиль — на малых скоростях такой винт недогружал двигатель, а на больших работал в режиме глубокого срыва потока, буквально перемалывая воздух впустую.
Перелом наступил, когда физику вращения перевели на язык математики. Николай Жуковский с вихревой теорией, Степан Джевецкий с теорией изолированного элемента лопасти, Борис Юрьев и Георгий Сабинин превратили пропеллер из монолита в пучок бесконечно тонких крыльев. Каждый элемент движется со своей окружной скоростью: законцовка описывает огромную дугу за секунду, а участок у ступицы едва перемещается. Так родилась геометрическая крутка — корень лопасти разворачивали почти под 45 градусов к плоскости вращения, плавно уменьшая угол до 15–20 градусов на конце.
Дерево уступило место полым стальным, а затем дюралюминиевым конструкциям. Металл выдерживал центробежные нагрузки мощных двигателей Rolls-Royce Merlin или Wright Cyclone и позволил внедрить главное изобретение эпохи — механизм изменения шага винта. Гидравлика получила возможность поворачивать лопасть вокруг продольной оси прямо в полете. Для взлета пилот ставил «мелкий» шаг, позволяя мотору раскрутиться до максимальных оборотов, а в крейсерском полете переводил лопасти во «взрослый» крупный шаг ради максимальной тяги при умеренном расходе топлива.
Но вторая половина XX века стала для винта кризисной. Турбовинтовые двигатели нового поколения передавали на вал до 13 000–17 000 оборотов в минуту через компактные планетарные редукторы, и концы лопастей начали превышать число Маха 1. Как только локальная скорость концевого сечения становилась сверхзвуковой, мгновенно формировался скачок уплотнения. Воздух переставал плавно обтекать профиль, происходил резкий провал аэродинамического качества, центр давления смещался назад, создавая чудовищный кабрирующий момент. Возникал скоростной флаттер — неуправляемая упруго-массовая вибрация, разрушавшая узел крепления за считанные секунды.
Ответом стало радикальное изменение геометрии. Инженеры перешли от двух- и трехлопастных схем к четырех-, пяти- и шестилопастным конфигурациям: чтобы передать ту же тягу, но снизить нагрузку на каждый элемент, нужно увеличить количество взаимодействующих поверхностей. Однако бесконечно наращивать число лопастей мешала интерференция — спутные следы от передних били по задним, вызывая сильную вибрацию мотогондолы. Прорыв принесли саблевидные профили: задняя кромка лопасти отклонялась назад, образуя острый угол у самого конца. Разные участки законцовки входили в трансзвуковой поток не одновременно, а постепенно, скачок уплотнения дробился на серию слабых возмущений. Лопасть приобрела сложную двойную стреловидность и переменную толщину, а дерево окончательно уступило место титану и многослойным углепластиковым композитам.
Именно эта технологическая связка позволила реализовать потенциал мощных турбовинтовых двигателей. Советский Ту-114 с соосными четырехлопастными винтами диаметром более четырех метров стал самым быстрым серийным турбовинтовым авиалайнером в мире, удерживая крейсерскую скорость свыше 800 км/ч. Американские XF-84H, Lockheed C-130J Super Hercules и европейский A400M продемонстрировали эффективность многолопастных саблевидных винтов Hamilton Standard и Ratier-Figeac.
XXI век ведет к постепенной трансформации винта в винтовентилятор. Классический пропеллер «сдается» на скоростях выше 650–700 км/ч, а винтовентилятор позволяет лететь со скоростью реактивного самолета — 800–900 км/ч, сохраняя экономичность винтового двигателя. Панацеей его не назвать: серповидные лопасти встречного вращения остаются сложными акустическими источниками и до сих пор не вписались в строгие нормы ИКАО. Двигателем прогресса выступают экологические нормы — к 2050 году ИКАО рассчитывает добиться углеродно-нейтральной гражданской авиации. План неосуществим ни в теории, ни на практике, но бороться за экономичность авиаперевозок будут.
На переднем крае разработки новых воздушных винтов располагаются европейцы и американцы. Российские конструкторы озабочены другими проблемами — освоением производства современных турбовинтовых и турбореактивных авиадвигателей. Тем не менее концепты винтовентиляторов были и у нас. НК-93, разработка которого началась еще в 80-е годы, предназначался для Ил-96, Ту-204 и Ту-330, но так и не вышел из категории прототипов.
Компания CFM International решила заменить традиционные реактивные моторы на узкофюзеляжных самолетах «открытыми вентиляторами» Open Fan. Во-первых, ушли от биротативного вентилятора — второй ряд остался неподвижным, что удешевило конструкцию и радикально снизило шум. Во-вторых, оба ряда оснащены системой изменения шага: задние лопатки могут разворачиваться почти полностью, работая как воздушный тормоз, что позволяет отказаться от тяжелого механизма реверса тяги. В-третьих, за счет полного отсутствия капота диаметр вентилятора увеличился, а степень двухконтурности превысила 50:1 — у лучших современных реактивных двигателей этот показатель равен примерно 11:1. Двигатель снижает расход топлива и выбросы CO₂ более чем на 20 % и изначально проектируется под 100 % использование экологически чистого авиатоплива или водорода.
В 2021 году стартовала работа над проектом Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE). С момента старта программы проведено около 500 испытаний. Вторая ступень выполняет роль регулируемого спрямляющего аппарата, что уменьшает интенсивность взаимодействия периферийных скачков уплотнения — основного источника шума. Степень двухконтурности превышает 70, диаметр вентилятора — 4 метра, для доводки используется суперкомпьютер Ок-Риджской национальной лаборатории. Первый демонстратор должен подняться в воздух под крылом летающей лаборатории Airbus A380. Но программа RISE уже не является самой перспективной.
Более передовой на данный момент можно считать тему Boxprop — сокращение от Box Propeller, или замкнутый пропеллер. Авторы — шведские ученые из Чалмерсского технологического университета и инженеры GKN Aerospace. Если в обычном пропеллере каждая лопасть имеет свободный конец, то в архитектуре Boxprop лопасти объединены попарно у самых кончиков, образуя замкнутые петли или «коробки». Половинки одной петли часто имеют стреловидность в противоположные стороны — одна загнута вперед, другая назад. Научно эта структура именуется коробчатый
