Двигательные варианты: уже полвека гражданские самолеты принято оснащать несколькими типами МСУ

В мировом коммерческом авиастроении еще с 1960-х годов считается хорошим тоном предлагать самолет с двумя или даже тремя вариантами двигателей от различных производителей. Это снижает риски программы, и позволяет заказчикам выбрать оптимальный по цене и стоимости эксплуатации вариант. И сегодня новые отечественные и зарубежные лайнеры предлагаются заказчикам в основном с двумя вариантами главной силовой установки.

В первые десятилетия мировой авиации либо самолет создавался под определенный двигатель, либо двигатель разрабатывался под определенный летательный аппарат. Появление на аэроплане нового мотора могло произойти лишь некоторое время спустя, когда появлялся новый, более мощный или эффективный двигатель.

Та же тенденция сохранилась и в начале реактивной эры, когда перевозки пассажиров авиатранспортом стали массовыми. Возможна была лишь модернизация мотора под новые требования к самолету. Например, первый советский реактивный пассажирский самолет Ту-104 разработали в первой половине 1950-х годов под существовавший и уже использовавшийся на бомбардировщиках Ту-16 двигатель АМ-3 конструктора Александра Микулина. В 1960-е годы рассматривалась возможность переоборудования части самолетов Ту-104 одновременно с Ту-16 двигателями НК-8 разработки КБ Николая Кузнецова (позже НК-8 ставился на самолеты Ту-154 и Ил-62). В случае реализации идеи парк Ту-104 мог оказаться смешанным – с АМ-3 и НК-8. Но проект так и не был реализован: самолет к тому моменту уже морально устарел, выпускать его одновременно с двумя разными моторами посчитали нецелесообразным. Скоро и производство Ту-104 с АМ-3 прекратилось.

Ситуация начала меняться под давлением экономических факторов. Коммерциализация гражданского авиастроения, рост стоимости создания самолетов, повышение цен на горючее, ужесточение глобальной конкуренции и другие факторы заставили искать новые способы борьбы за клиента.

Стоимость двигателей составляет 25–30 % от стоимости самолета. Траты на их обслуживание и ремонт составляют самую большую долю эксплуатационных расходов. Поэтому правильный выбор двигателя позволяет авиакомпаниям оптимизировать затраты за счет целого ряда факторов. Следует отметить, что рынок самих двигателей и их обслуживания во многом развязан с рынком собственно самолетов. У крупной авиакомпании зачастую складываются длительные отношения с двигателестроительной фирмой по финансовым и техническим вопросам. Естественно, авиаперевозчик стремится сохранить это партнерство при переходе на новый тип самолета.

Национальная принадлежность и мировой авторитет производителя двигателя часто оказываются серьезным подспорьем при продвижении самолета на тот или иной рынок. Этот же фактор порой становится существенным при получении самолетом зарубежного сертификата типа, который является необходимым условием для выхода на многие рынки.

В результате создатели самолетов решили выводить на рынок лайнеры, адаптированные к двигателям разных типов.

Два и больше выигрывают

Двигатель Pratt & Whitney JT9D-7A

В начале 1960-х годов компания Boeing вела разработку самолета малой и средней дальности B727 согласно требованиям трех крупнейших американских авиакомпаний – United Airlines, American Airlines и Eastern Air Lines. Конструкторы, в соответствии с запросами United Airlines и Eastern Air Lines, первоначально предполагали установить на лайнере двигатель RB163 Spey компании Rolls-Royce, прототип которого разработали еще в 1954 году. На американском рынке производство RB163 вела компания Allison. Однако к тому моменту у компании Pratt & Whitney появился более эффективный турбовентиляторный мотор JT8D, который она тоже предложила для нового самолета. American Airlines, а затем и United Airlines пожелали иметь этот двигатель на B727. Некоторое время планировалось предлагать заказчикам два варианта самолета – с RB163 и с JT8D. Но вскоре Eastern Air Lines «сломалась» и тоже отдала предпочтение двигателю Pratt & Whitney. В результате B727 выпускался только с различными модификациями JT8D.

Новую, и на этот раз удачную, попытку предприняли в Западной Европе. Во второй половине 1960-х годов стало ясно, что разрозненные европейские авиапроизводители проигрывают конкуренцию американцам, и прежде всего компании Boeing. Поэтому в сентябре 1967 года британское, французское и западногерманское правительства подписали меморандум о взаимопонимании по совместной разработке широкофюзеляжного лайнера – 300-местного Airbus 300.

Чтобы догнать заокеанских конкурентов, на самолете внедрили многочисленные инновационные технические решения. Например, A300 стал первым в мире двухдвигательным широкофюзеляжным самолетом. Это позволило существенно снизить расход топлива по сравнению с трехдвигательными американскими конкурентами. Крыло с улучшенными аэродинамическими характеристиками позволило A300 выходить на крейсерскую высоту быстрее, чем пассажирские самолеты того времени.

Однако для сокращения сроков разработки и расширения рынков сбыта самолет изначально проектировался под уже существующие на тот момент двигатели, подходящие по характеристикам. Рассматривались британский RB207 от Rolls-Royce, а в качестве альтернативы американские JT9D от Pratt & Whitney и CF6-50 от General Electric. Для привлечения потенциальных клиентов на американском рынке предпочтение отдали CF6-50, а для поддержки европейских производителей договорились, что моторы будут производиться совместно General Electric и французской фирмой Snecma. Спустя несколько месяцев после такого решения, в апреле 1969 года, британское правительство объявило о выходе из проекта. Французы, игравшие первую скрипку в той панъевропейской программе, использовали тот Brexit – выход Великобритании из проекта – для развития своего гражданского двигателестроения. Фирма Snecma, ставшая соисполнителем General Electric по двигателю CF6-50, позже образовала с ней совместное предприятие CFM International, которое разработало очень популярный ныне двигатель CFM56. Так в итоге Airbus стала франко-германской компанией, а их первое детище получило два варианта американских двигателей – основной CF6-50 и альтернативный JT9D. Программу А300 и последовавшую за ней A310 (дальнемагистральная версия A300) поддержали заказами национальные авиаперевозчики производителей – компании Air France и Lufthansa. Всего же был продан 561 A300 и 255 A310. Другим, существенно более значимым результатом программы A300 стало рождение мирового гиганта Airbus.

Сложно сказать, больше потеряла или приобрела компания Rolls-Royce от этой истории. В тот момент основные ее усилия сосредоточились на создании нового двигателя RB211 для проекта самолета L-1011 компании Lockheed. Двигатель был готов только к 1972 году. В то же время успех программы A300 и появление сильного европейского конкурента заставили Boeing все свои самолеты – и новые, и модернизированные – продавать с двумя или даже тремя типами двигателей. К тому моменту Boeing уже серийно производил среднемагистральные B737 (с двигателями JT8D производства Pratt & Whitney), запустил в серию широкофюзеляжный B747 (с силовой установкой из четырех JT9D тоже от Pratt & Whitney) и начал рассматривать варианты замены узкофюзеляжного B727. В результате появился проект среднемагистрального узкофюзеляжного лайнера B757. Первые заказчики этого самолета – Eastern Air Lines и British Airways – из предложенных вариантов силовой установки выбрали модернизированный RB211 от Rolls-Royce, созданный для L-1011. Так был создан прецедент: впервые в производство запустили американский авиалайнер с двигателями, произведенными за пределами США.

Впоследствии авиакомпания Delta Air Lines заказала 60 B757 с близкими по характеристикам двигателями из семейства PW2000 компании Pratt & Whitney. Еще один американский производитель двигателей – General Electric – тоже предложил на B757 свой мотор CF6-32, но в конце концов отказалась от участия в программе из-за недостаточного спроса на этот двигатель. В итоге в декабре 1982 года B757 сертифицировали с двигателями Rolls-Royce, а в ноябре 1984 года – с двигателями Pratt & Whitney. Самолет так и предлагался покупателям с двумя видами главной силовой установки на выбор до окончания производства в 2004 году.

В дальнейшем компания Boeing продолжила практику предлагать свои лайнеры с двигателями от различных производителей. Так, при запуске нового широкофюзеляжного авиалайнера B767, разрабатывавшегося по времени параллельно с B757, впервые сразу предлагалось более одного варианта двигателя – либо JT9D от Pratt & Whitney, либо CF6-80 от General Electric. Из шести первых опытных B767, изготовленных в 1981 году для летных испытаний, четыре оснастили JT9D, два – CF6-80. В 1982 году лайнер с обоими типами двигателей сертифицировали. А в феврале 1990 года B767 оснастили даже третьим типом двигателя – еще одной модификацией RB211 от Rolls-Royce.

В начале 1980-х годов была разработана новая модификация широкофюзеляжного двухпалубного B747-400, который стали предлагать заказчикам сразу с тремя видами силовой установки – двигателями PW4056 компании Pratt & Whitney, CF6-80 от General Electric и новой версией RB211 от Rolls-Royce. С тех пор Boeing традиционно предлагает для каждого своего пассажирского лайнера не менее двух вариантов силовой установки.

По тому же пути старается идти компания Airbus. Для своего широкофюзеляжного дальнемагистрального A330 компания выбрала сразу три типа двигателей: CF6-80 от General Electric, PW4000 от Pratt & Whitney и Trent 700 от Rolls-Royce. Единственным дальнемагистральным самолетом, который изначально планировался к производству только с одним типом главной силовой установки – четырьмя двигателями CFM56 от CFM International, – стал в 1980-х годах Airbus A340. Однако рынок взял свое, и удлиненные версии 1990-х годов A340-500 и A340-600 оснастили моторами Trent 500 от Rolls-Royce.

Заметим, что из всех созданных с 1980-х годах самолетов именно A340 первым потерял перспективы совершенствования, из-за чего в 2011 году был снят с производства.

Зарубежные самолеты XXI века – A380, B787 и A350XWB – изначально проектировались в расчете на два типа двигателей каждый. Заказчики «двухэтажного» Airbus A380 выбирают между Trent 900 от Rolls-Royce и GP7000 от Engine Alliance, в который объединились General Electric, Pratt & Whitney, Snecma и немецкая MTU. Покупателям Boeing B787 предлагаются в качестве главной силовой установки либо два Trent 1000, либо два GEnx-1B от General Electric.

И только в случае с силовой установкой для широкофюзеляжного дальнемагистрального Airbus A350XWB произошел отход от уже сложившейся традиции. Rolls-Royce предложил для него свой специально разработанный Trent XWB. В качестве второго поставщика Airbus пригласила в 2006 году General Electric и Pratt & Whitney. General Electric предложила GP7000, уже поставлявшийся для A380. Но Airbus рассчитывала на лучшую версию. Хотя Pratt & Whitney соглашалась модернизировать для A350XWB свою часть GP7000, с General Electric договориться не удалось. Тогда в июне 2007 года крупнейшие заказчики A350XWB – авиакомпании Emirates, US Airways, Hawaiian Airlines и ILFC – согласились на единственный вариант силовой установки в виде Trent XWB.

Среднемагистральное дерби

Обслуживание двигателя CFM56-3 самолетов Boeing 737 в Румынии

Помня об успехе A300, свой новый среднемагистральный лайнер A320 компания Airbus вывела на рынок в 1988 году с двигателями двух производителей. Основным мотором стал CFM56 от уже проверенного 300-м проектом американо-французского альянса CFM International, альтернативным – V2500 совместного предприятия International Aero Engines, основанного британской Rolls-Royce при участии американской компании Pratt & Whitney, японской Japanese Aero Engine Corporation, итальянской Fiat и немецкой MTU Aero Engines.

Свою основную задачу – потеснить Boeing B737 на самом емком в финансовом плане сегменте авиационного рынка – A320 успешно выполнил. Американский гигант, чтобы не потерять конкурентоспособность, модернизировал свой 737-й, первые модификации которого поступили в эксплуатацию еще в 1968 году с единственным типом двигателя – JT8D от Pratt & Whitney. Обновленное семейство, получившее общее наименование B737NG (NG от Next Generation), оснастили теми же двигателями CFM56.

Узкофюзеляжные проекты Boeing и Airbus оказались чрезвычайно успешными. Однако в середине 2000-х годов стало ясно, что семейства A320 и тем более B737 постепенно устаревают. На создание принципиально новых машин Boeing и Airbus на фоне ожесточенной гонки в сегменте дальнемагистральных самолетов не решились. Ставка была сделана на ремоторизацию, в результате которой были созданы семейства B737 MAX и A320neo (считается, что neo в его названии – аббревиатура, которая произошла от new engine option – новый вариант двигателя).
И тут Airbus оказалась в более выгодном положении. A320neo, как самолет более новый, позволяет использовать двигатели с существенно более высоким уровнем двухконтурности.

Раз контур, два контур

Первые турбореактивные двигатели были одноконтурными. Весь поток воздуха поступал в воздухозаборник, сжимался компрессором и обеспечивал горение топлива в камере сгорания. Расширившиеся горячие газы, выходя из сопла, толкали самолет вперед, но перед этим заставляли работать турбину, энергия которой вращала вал компрессора.

В двухконтурном двигателе перед компрессором устанавливается вентилятор, который создает тягу, так же как пропеллер поршневого двигателя. Воздух, разгоняемый вентилятором, не проходит через первый контур.

Чем выше степень двухконтурности (отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур), тем экономичней двигатель. Для двигателей CFM56 этот параметр приближается к 6. Современные моторы имеют степень двухконтурности 8–12.

Однако чтобы повысить двухконтурность, нужно увеличивать диаметр двигателя. Для B737 с малым расстоянием от земли до крыла этот параметр оказался критическим (для модификации B737NG пришлось даже делать приплюснутые мотогондолы). Без кардинальных переделок самолета на ремоторизированные B737 MAX можно было устанавливать только двигатель CFM LEAP – усовершенствованный CFM56.
A320neo предлагается же заказчикам на выбор с CFM LEAP и новым PW1100G от Pratt & Whitney. Буква «G» в названии второго мотора говорит о том, что это двигатель с редуктором (gear), позволяющим выбрать оптимальное соотношение скорости вращения компрессора в первом контуре и вентилятора – во втором. Эксплуатация в авиакомпании Lufthansa первых A320neo, оснащенных PW1100G, стартовала в феврале 2016 года. По ее первым результатам расход топлива сократился более чем на 15 %.

Ремоторизация созданных несколько десятилетий назад самолетов позволяет продлить им жизнь, но не решает всех проблем. Для существенного улучшения летных характеристик и, соответственно, экономичности необходимо проектировать самолет и двигатель в одной связке. Показательный пример: для установки на B737 MAX диаметр двигателя CFM LEAP пришлось уменьшить с 1,98 до 1,76 м, что привело к снижению степени двухконтурности с 11 до 9. Разработчики A320neo смогли вписать в конструкцию самолета PW110G, имеющий диаметр 2,1 м. Однако аэродинамика машины, изначально рассчитанная на двигатель диаметром 1,73 м, от такой ремоторизации как минимум не улучшилась.
Моторы МС-21

Нетрудно заметить, что у программы МС-21 много общего с A300. В обоих случаях задача заключается в возвращении с конкурентоспособным продуктом на растущие внутренний и зарубежный рынки. Как и в случае с A300, для решения амбициозной задачи пришлось использовать все резервы улучшения летно-технических и экономических характеристик самолета.

Расчеты, проведенные в начале 2000-х годов, привели к выводу, что ни один из существовавших на тот момент в мире двигателей не позволял добиться требуемого повышения топливной эффективности. К середине 2000-х годов были сформирмулированы требования к двигателю нового поколения, что позволило начать переговоры с ведущими двигателестроителями России и мира. Готовых двигателей, позволяющих реализовать концепцию МС-21, на тот момент ни у кого не было. Поэтому было решено ориентироваться на перспективные разработки, задел по которым в той или иной степени имелся у всех основных участников рынка.

В России практически безальтернативным вариантом были разработки «пермского куста». Сегодня это комплекс «ОДК – Пермские моторы», который включает КБ «Авиадвигатель» и Пермский моторный завод. В 2000-е годы в Перми выпускали и дорабатывали двигатель ПС-90 и вели проработки по перспективному мотору ПС-12. Однако уже тогда было ясно, что без серьезных государственных инвестиций и помощи других двигателестроителей России в необходимые сроки создать мотор нового поколения будет затруднительно.

Исследуя иностранные варианты, корпорация «Иркут» вела переговоры со всеми членами большой тройки: Rolls-Royce, CFM International и Pratt & Whitney. Первые две компании, каждая по своим причинам, к 2007–2008 годам снялись с гонки. Сотрудничество с Pratt & Whitney продолжилось и оказалось продуктивным. Облик двигателя нового поколения, получившего наименование PW1400G, был определен специалистам «Иркута» и Pratt & Whitney в 2007 году.

Следует отметить, что с точки зрения совершенства самолета его создание в комплексе с перспективным двигателем имеет свои преимущества. Заместитель генерального директора ЦАГИ – начальник комплекса аэродинамики и динамики полета Сергей Ляпунов в 2014 году отметил: «При проектировании крыла МС-21 тонкая доводка аэродинамики проводилась с учетом форм и размеров мотогондол конкретных типов двигателей, которые предполагается установить на самолет. Это дает МС-21 определенное конкурентное преимущество».

Работы по PW1400G велись по графику, и в 2015 году двигатели для первого самолета были поставлены на Иркутский авиационной завод. С ними 28 мая 2017 года МС-21 выполнил свой первый полет. К плановому сроку коммерческой эксплуатации МС-21 PW1400G подойдет в хорошо отработанном виде, поскольку его предшественники – PW1100G и PW1500G – «переболеют детскими болезнями» на самолетах A320neo и Bombardier CSeries. Ранее полученный PW1100G сертификат типа упростит международную сертификацию МС-21 с близким по конструкции PW1400G.

Полномасштабная комплексная работа по созданию нового российского двигателя для гражданских и транспортных самолетов началась в 2008 году. За основу был взяты научно-технический и технологический заделы, наработанные «Авиадвигателем», ведущими институтами и другими предприятиями отрасли. Двигатель получил наименование ПД-14. Первое публичное представление проекта состоялось на авиасалоне МАКС-2009. Разработка базового варианта ПД-14 велась с прицелом на сформированный облик самолета МС-21.

В декабре 2017 года стартовал заключительный, третий этап летных испытаний опытного ПД-14 на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. На завершающей стадии находятся и масштабные стендовые испытания двигателей опытной партии. Российский сертификат типа на ПД-14 предполагается получить в 2018 году, а уже к концу года ОДК должна приступить к отгрузке первых серийных ПД-14. Стартовый контракт на поставку пяти ПД-14 для проведения сертификационных испытаний ремоторизованной версии самолета МС-21 был заключен между «ОДК – Пермские моторы» и корпорацией «Иркут» в январе 2018 года. Летные испытания МС-21 с силовой установкой из двух ПД-14 должны начаться в 2019 году, а сертификация МС-21 с ПД-14 запланирована на 2021 год, после чего самолеты в такой комплектации смогут начать поступать в эксплуатацию. Первые МС-21-300 с ПД-14 должны поступить в авиакомпании Red Wings и «Аэрофлот». Контрактами предусмотрено, что из 16 самолетов, заказанных Red Wings, четыре будут оснащаться ПД-14, а «Аэрофлот» объявил, что отечественные двигатели получат до половины из полусотни ее МС-21-300.

Сочетание двух двигателей – PW1400G и ПД-14 – выглядит оптимальным для МС-21, ориентированного и на внутренний, и на внешний рынок.

ПД-14

При создании ПД-14 задействован весь сформированный в России научно-технологический задел. С участием Всероссийского института авиационных материалов для ПД-14 создано около 20 новых материалов. Для двигателя разработано 16 новых критических технологий. На его турбинах высокого давления стоят монокристаллические лопатки, работающие при температуре газа до 2 000 градусов Кельвина. Благодаря новым пустотелым лопаткам вентилятора из титана удалось повысить коэффициент полезного действия вентиляторной ступени на 5 %. Малоэмиссионная камера сгорания из интерметаллидного сплава и звукопоглощающие конструкции из композиционных материалов снижают шум и выбросы вредных веществ.

По сравнению с действующими аналогами удельный расход топлива у ПД-14 снижен на 10–15 %, стоимость жизненного цикла сокращена на 15–20 %. Благодаря этому эксплуатация двигателя обойдется на 14–17 % дешевле. Показатели шума этого мотора с существенным запасом (на 15−20 дБ) ниже норм Международной организации гражданской авиации, вредные выбросы ниже на 30–45 %.

ПД-14 рассматривается как родоначальник большого семейства газотурбинных установок различного назначения. В его составе:
• базовый ПД-14 для самолета МС-21-300 (тяга на взлетном режиме – 14,0 т);
• дросселированный ПД-14А для самолета МС-21-200 (12,5 т);
• форсированный ПД-14М для возможных удлиненных вариантов МС-21 и транспортных самолетов (15,6 т);
• ПД-10 с уменьшенной тягой (10,9 т).

На основе технологий ПД-14 «Авиадвигатель» планирует создание перекачивающих агрегатов и мобильных электростанций, а также турбовального двигателя для тяжелых вертолетов.

ОАК