Конструктивные особенности летательных аппаратов, применяемых в авиационной сфере сегодня, обеспечивают оптимальные условия для стабильных и безопасных полетов на высокой скорости. Прародитель реактивных и турбореактивных силовых установок — коловратный движок с поршневым компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, который был изобретен еще в XVIII веке. Конфигурации систем, в основе которых лежит схожий принцип, позволяют максимально эффективно использовать входящие воздушные потоки, необходимые для вращения турбин. За счет чего запускаются и на чем работают двигатели, которые установлены на современных пассажирских самолетах, из чего они состоят и как устроены, какие бывают виды с точки зрения функциональных и технических характеристик? Давайте разбираться.
Общее представление
Силовая установка — обобщающее понятие, используемое для обозначения сложных устройств, благодаря которым летательные аппараты могут не только подниматься в воздух, но и преодолевать огромные расстояния с минимальными временными затратами. У планеров, летающих только за счет аэродинамической подъемной силы, подобные системы изначально не предусмотрены, тогда как для условных авиалайнеров их наличие является необходимым фактором. Если говорить о том, как делают двигатели, какая мощность, сила тяги, предельная высота и масса будут у самолета — нельзя не отметить, что стоимость разработки и изготовления может составлять до половины от общей цены создания очередного лайнера. В том числе ввиду того что на сегодняшний день технологии и компетенции в области гражданского двигателестроения имеются у относительно небольшого числа стран.
Конструктивные особенности
Конфигурация силовых установок, в которых внутренняя температура во время эксплуатации может превышать пороговые значения в две тысячи градусов Цельсия, отличается особой сложностью. В первую очередь из-за необходимости использования при создании деталей материалов, устойчивых к возгоранию и экстремальному термическому воздействию. Вопросам, связанным с изготовлением турбореактивных моделей, посвящена отдельная научная область.
Конструкция ТРД предусматривает наличие нескольких элементов, каждый из которых выполняет заданный функционал. Для полноценного функционирования системы нужны вентилятор, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло.
Вращающиеся многолопастные модули особой формы втягивают воздушные потоки с максимально возможной скоростью и эффективностью, выдерживая повышенные нагрузки, благодаря выбору титана в качестве основного материала. Задача вентиляционного элемента — не только обеспечивать подачу, но и прокачивать воздух между деталями и оболочкой, создавая эффект охлаждения и препятствуя разрушительному воздействию экстремальных температур от сгорающего топлива.
Рядом с вентилятором расположен высокомощный компрессор, благодаря которому возникает возможность перенаправить массу, находящуюся под давлением, внутрь камеры сгорания. Результатом становится образование обогащенной смеси, при поджигании нагревающей все вокруг до 1500-2000 градусов. В данном случае достаточным сопротивлением к термическому воздействию обладает керамика, чаще всего выступающая материалом изготовления основного преобразующего модуля.
Дальнейшее направление работы двигателя самолета — турбина. Специальное устройство, конфигурация которого предусматривает использование многочисленных элементов в виде лопатки, принимает на себя давление, нагнетаемое потоком, за счет чего возникает вращение вала с установленным вентилятором. Фактически речь идет о замкнутой системе, где для полноценного функционирования достаточно только воздуха и топлива.
Завершающей фазой первого цикла становится поступление смеси в сопло, где формируется реактивная струя: разрушению корпуса и плавлению манжеты препятствует параллельное нагнетание холодной воздушной массы. Оптимальным вариантом считается подвижная модификация, способная не только расширять и сжимать выходное отверстие, но и корректировать угол, задавая таким образом нужное направление и повышая общие характеристики маневренности.
Базовые принципы
Итак, еще раз кратко о том, как выглядит и работает двигатель самолета, и что служит рабочим телом в конструкции. Движение обеспечивается за счет формируемой силовой установкой турбореактивной тяги, мощность которой позволяет легко поднять и разогнать до нужной скорости массивное строение. Отдача струи газа, вылетающей из сопла, фактически толкает летательный аппарат в нужном направлении, используя воздух в качестве основания.
Для большинства систем, используемых в современной авиации, характерно наличие компьютерного модуля Full Authority Digital Engine Control System, сокращенно — FADEC. Функциональной задачей устройства выступает анализ ключевых параметров, характеризующих рабочее состояние, условия внешней среды и поступающие от органов управления сигналы, а также контроль за приводами, так или иначе, способными оказать влияние на силовую установку.
Цифровой блок охватывает буквально все аспекты работы, полностью отвечая за эксплуатационные циклы — схема не предусматривает интеграции резервного контура или дополнительных тяг для регулировки газа. Помимо входящей информации, относящейся к управленческому процессу, система также:
-
Анализирует данные о воздушной скорости, давлении и температуре.
-
Контролирует показатели датчиков обжатия шасси для оценки возможности задействования реверса.
-
Вносит корректировки исходя из объема поступающего воздуха, и выполняет иные задачи.
Какие двигатели ставят на современные самолеты
Существует несколько вариантов, различающихся между собой конструктивными и эксплуатационными особенностями.
Классические
Работают в соответствии с вышеописанным принципом. Подходят для использования на судах разных модификаций и активно применяются в гражданской авиации.
Турбовинтовые
Выполняют основную функцию немного иначе. Конструкция не предполагает механической связи газовой турбины и трансмиссии, поэтому движение летательного аппарата обеспечивается реактивной тягой лишь отчасти. Основной объем энергии, вырабатываемой в результате горения топливной смеси, силовая установка направляет через редуктор на привод винта, что делает конфигурацию более экономичной, но ограничивает верхний потенциал скоростных характеристик.
Турбовентиляторные
Говоря о том, на каких типах двигателей летают самолеты, нельзя не упомянуть и о комбинированных системах, объединяющих в себе отдельные элементы турбореактивных и турбовинтовых устройств. Отличительная особенность — увеличенные габариты лопастей вентилятора, который, как и винтовая часть, работает на дозвуковых скоростях. Снижение интенсивности воздушного потока обеспечивается обтекателем, внутри которого размещается лопастная конструкция. Подобные модификации экономичнее в плане расхода топлива, а также демонстрируют повышенный КПД, что делает целесообразной их применение на пассажирских авиалайнерах и грузовых судах с увеличенной вместительностью.
Прямоточные
Воздушно-реактивные установки не предусматривают наличия в конфигурации подвижных элементов. Втягивание воздуха происходит естественным путем за счет размещения возле входного отверстия элемента, снижающего уровень аэродинамического сопротивления — обтекателя. С момента поступления потока процесс становится аналогичным классической схеме.
Характеристики мощности
Разобравшись в том, что такое тяга, и какие модели двигателей стоят на самолетах сегодня, можно отметить, что некоторые из этих летательных аппаратов оснащаются турбовинтовыми установками. Их конфигурация заметно проще, чем у турбореактивных, из-за чего возникает логичный вопрос — для чего вообще нужны более сложные модификации? Ответ очевиден: мощностные показатели, демонстрируемые ТРД, в десятки раз выше, аналогичных результатов, достигаемых винтовыми конструкциями. Увеличенная сила способствует повышению предельно допустимой массы и скорости. Единственным ограничением в данном случае остается температура газов за камерой сгорания, поднять которую пока что не позволяют свойства материалов, доступных для изготовления конструкционных деталей.
Как заводят двигатель самолета
В процессе запуска необходимо решить три основных задачи: придать достаточную скорость вращения турбине высокого давления, обеспечить подачу топлива и создать искру для его возгорания.
Раскрутка турбинной части до интенсивности в районе 50% от предельных оборотов позволяет устройству продолжить работу самостоятельно. Первоначальный импульс может быть обеспечен электрическим стартером либо направленным воздушным потоком, генерируемым пневматикой, которая, в свою очередь, берет воздух под повышенным давлением из вспомогательной силовой установки или иного источника.
Стандартный алгоритм действий предусматривает следующую последовательность:
-
Перевод в положение «ON» переключателя и тумблера.
-
Автоматическое открытие FADEC кранов пневматической и топливной систем.
-
Запуск турбины и подача искры на свечи зажигания.
-
Старт второго двигателя после выхода на нужные обороты.
-
Отключение стартового модуля ввиду выполнения им основной задачи.
В отдельных ситуациях может возникнуть потребность в создании эффекта вращения без перехода в активную рабочую фазу. Подобная практика, к примеру, актуальна при проведении диагностических процедур, а также во время промывки внутренней конфигурации керосином после продолжительной консервации. Для этого используется отдельное положение переключателя — CRANK, при котором общий цикл остается неизменным, но отсутствует искра на свечах зажигания.
Как осуществляется управление
Вне зависимости от того, какое максимальное количество двигателей в гондолах крепится к крыльям самолета — это, как правило, зависит от типа конфигурации и целевых задач конкретной модели — для каждого из них должен присутствовать свой управляющий рычаг. Принцип взаимодействия максимально упрощен: отталкивая рукоятку в направлении от себя, пилот увеличивает скорость вращения и мощность реактивной тяги, притягивая — заставляет силовую установку работать медленнее. Учитывая отсутствие прямой связи с топливным дросселем, потенциальный риск чрезмерной или недостаточной подачи горючей смеси исключается полностью — сжечь или заглушить двигатель вручную не получится. Кроме того, за рабочим состоянием и предельными температурами во время полета следит FADEC.
В сегменте «малого газа» размещается упор, поэтому для разблокировки режима реверса потребуется вытянуть специальную скобу. Реверсное функционирование предполагает использование вспомогательных створок, которые отводят поток в обратном направлении и тем самым помогают самолету постепенно замедлиться и остановиться.
Любопытно, что при продолжительном использовании возможно даже движение воздушного судна на ВПП задом — однако в этом случае возникает риск попадания внутрь силовых установок, висящих под крыльями, различного мусора, что обусловливает отрицательные рекомендации. Также стоит отметить работу FADEC, который проводит автоматический анализ положения рычагов, и в режиме реального времени сопоставляет результаты с параметрами датчиков обжатия шасси. Благодаря этому, случайный запуск реверса во время нахождения судна в воздухе в принципе невозможен.
Конфигурация предусматривает наличие особого аварийного режима, для включения которого необходимо приложить к рычагам определенное усилие и перевести их дальше базового взлетного положения. Применение допускается в случае отказа одного из двигателей на взлете и обусловливается необходимостью компенсации потерянного ресурса для набора приемлемой и безопасной высоты.
Индикаторы и сигнальные модули
Сведения о показателях текущей работы отображаются на фронтальной панели в центральной части дисплея, а также на отдельной странице, где представлен расширенный набор характеристик. В перечень данных, которые выводятся на постоянной основе, входят:
-
Уровень оборотов вентилятора, определяющий мощность тяги.
-
Температура образующихся выхлопных газов, служащая ограничителем топливной подачи для автоматической системы, предупреждающей плавление деталей турбины.
-
Заданное значение интенсивности вращения — промежуток разгона от малого газа до режима взлета составляет несколько десятков секунд, что обусловливает разницу между фактическими и целевыми показателями.
-
Характеристики рабочего состояния независимых турбинных установок высокого давления, важные с точки зрения процедуры запуска.
-
Текущее потребление топлива, выбранная программа работы двигателя, а также признаки включения реверса.
На отдельной странице также могут быть отражены вспомогательные данные, характеризующие состояние масла, уровень вибраций, расход горючего с момента последнего запуска, показатели давления в пневматической системе и т. д.
Нелокализованный разлет осколков
К числу факторов, оказывающих заметное влияние на выбор конструкции при создании специализированного бортового оборудования для воздушных судов, в том числе относят данное явление, возникающее в случае взрыва силовой установки. Считается, что в подобной ситуации осколки компрессорных и турбинных лопаток будут иметь запас энергии, достаточный для разрушения любых механических преград, в том числе — деталей и элементов, обеспечивающих функционирование всей системы.
Безопасное завершение полета при возникновении нелокализованного разлета окажется возможным при условии наличия резервных проводов, расположенных на расстоянии, исключающем одновременное повреждение осколками основного и запасного каналов. Практика показывает, что современные технологии и материалы, используемые в авиационной промышленности, сводят к минимуму вероятность подобных инцидентов — однако консервативный подход требует учета в архитектуре противодействия любым потенциальным рискам.
Подведем итоги
Современные технологии позволяют создавать мощные силовые установки, обеспечивающие максимальную эффективность эксплуатации воздушных судов. Чтобы понять, как перезапустить двигатель самолета или как называется тот или иной модуль, необходимо уделить время изучению особенностей наиболее распространенных конфигураций.