В самом конце 2020 года произошло без малого историческое событие для современного российского авиастроения. 15 декабря в небо поднялся опытный пассажирский авиалайнер МС-21-310, оснащенный турбовентиляторными двигателями ПД-14 отечественного производства. Последний раз подобный эпизод произошел еще во времена Советского Союза, когда в 1988 году широкофюзеляжный Ил-96-300 совершил первый полёт с двигателями ПС-90. Эти события разделили долгие 32 года.
Справедливости ради здесь нужно упомянуть и Sukhoi Superjet 100, взлетевший в мае 2008 года, но его силовая установка является продуктом компании PowerJet — совместного предприятия российского НПО Сатурн и французской фирмы Snecma, которая отвечает за самую важную горячую часть двигателя SaM146
Первый полёт МС-21 с парой ПД-14 под крылом особенное событие не только в рамках самой России. Абсолютно новый среднемагистральный лайнер со специально созданным для него двигателем, да еще и сделанные в одной стране... такого уже очень давно не было в мировой авиационной практике! По планам уже в следующем 2022 году самолёт в такой конфигурации пройдёт российскую сертификацию, а затем европейскую.
Для чего понадобился собственный отечественный двигатель для МС-21 и сможет ли он составить конкуренцию аналогичным разработкам от лидеров индустрии рассказываем на канале Авиасмотр.
МС-21 и возможность выбора силовой установки
Начиная проект МС-21, в конструкторском бюро имени Яковлева хорошо понимали, что их самолёт окажется в самом конкурентом сегменте среднемагистральных узкофюзеляжных лайнеров, уже давно поделённым между двумя крупнейшими авиастроительными фирмами. Побороться за долю на рынке предстояло с линейкой самолётов Airbus А320 и Boeing 737 — наиболее доходными активами обеих компаний.
При этом соперничать приходилось бы не с их текущими модификациями, а с теми, которые только должны были появиться уже в недалёком будущем. Ожидалось, что самолёты обеих линеек получат новые более экономичные двигатели и некоторый пакет аэродинамических улучшений.
Одновременно с этим на рынке узкофюзеляжных лайнеров должны были появиться еще два участника — разработка самолётов аналогичного класса стартовала в Китае и Канаде.
На этом фоне российский МС-21 должен был обладать рядом преимуществ, чтобы побороться за потенциальных заказчиков как у себя в стране, так и за рубежом. Конструкторы самолёта сделали ставку на достижение максимально возможного аэродинамического качества, которое напрямую влияет на топливную эффективность. Как результат появилось крыло большого удлинения, изготовленное преимущественно из композитных углеродных материалов. Запас по сниженному сопротивлению крыла позволил увеличить диаметр фюзеляжа, что повысило комфорт в пассажирском салоне и привело к увеличению объема грузовых отсеков.
Особенно много внимания уделили и вопросу подбора силовой установки. На старте проекта было объявлено, что под МС-21 будет специально создан абсолютно новый отечественный двигатель, получивший название ПД-14, и его разработкой займутся пермские моторостроители. К слову, они же в своё время создали ПС-90, который устанавливался на Ил-96, Ту-204, а с недавних пор и на транспортный Ил-76, где модификация двигателя имеет в общем-то подходящую для МС-21 взлётную тягу 14 тонн. Но по всем основным характеристикам он проигрывал перспективным зарубежным разработкам и для установки на новый лайнер не рассматривался.
ПД-14 должен был конкурировать с ними на равных, а еще и подтвердить заложенные конструкторами показатели в прямом сравнении. Ведь в качестве альтернативного варианта силовой установки корпорация «Иркут» выбрала двигатели американской фирмы Pratt & Whitney. Он должны были появиться раньше, чем ПД-14, и сними предстояло провести весь первоначальный объем испытаний и сертификаций самолёта.
Любопытно, что некоторое время назад Pratt & Whitney владела примерно четвертью акций предприятия «Авиадвигатель» и «Пермского моторостроительного завода». Американцы даже поучаствовали в создании двигателя ПС-90А2 с улучшенными характеристиками для пассажирского лайнера Ту-204СМ. Однако ни сам двигатель, ни этот самолёт успеха не имели, и в 2011 году Pratt & Whitney продала весь пакет акций российской «Объединенной двигателестроительной корпорации».
Технические особенности ПД-14. Сравнение с западными конкурентами
За место под крылом самых новых узкофюзеляжных самолётов, которые должны были примерно в одно время с МС-21 появиться на рынке, развернулась борьба между двумя компаниями. Американо-французская CFM International и американская Pratt & Whitney полностью поделили между собой эту нишу рынка. Для создания своих новых изделий они по полной использовали наработки, полученные в ходе проектирования двигателей для больших широкофюзеляжных самолётов. Среди них высокая степень двухконтурности, широкохордные лопатки вентилятора, высокая степень повышения давления в компрессоре, широкое применение композитов, керамики и даже редуктора. Он используется в конструкции двигателей линейки PW1000G производства Pratt & Whitney, которые устанавливаются в том числе и на российском лайнере МС-21. Редуктор на турбовентиляторных двигателях такого класса тяги появился впервые в истории.
ПД-14 построили по более традиционной схеме и в этом он больше похож на CFM LEAP-1B — модификацию для Boeing 737 MAX. Степень двухконтурности российского двигателя 8.5. То есть через внешний кольцевой канал расходуется в восемь с половиной раз больше массы воздуха, чем через внутренний контур, где находятся компрессор, камера сгорания и турбина. Показатель высокий, но далеко не рекордный в классе. На CFM LEAP для 737 МАХ он равен 9, но фактически это вынужденная мера, поскольку места под крылом для более крупного двигателя на этом самолёте попросту не нашлось. У модификации того же CFM LEAP для А320neo степень двухконтурности равна 11, а у PW1400G для МС-21 и вовсе 12.
Но обратной стороной медали увеличения этого показателя является прирост аэродинамического сопротивления. Мотогондола российского двигателя ПД-14 сравнительно меньше по габаритам, чем у американского Pratt & Whitney. Это хорошо заметно визуально. Примечательно, что разрабатывали её сами пермские мотористы, а не конструкторы самолёта, как это было принято до этого.
Вентилятор ПД-14 имеет диаметр 1 метр 90 сантиметров и включает 18 широкохордных титановых пустотелых лопаток.
Для российской индустрии это безусловный шаг вперед, но у обоих сравнимых зарубежных аналогов лопатки изготовлены из композитных материалов. При сравнимых размерах они легче на 20-30%, чем титановые. По заявлению CFM International этим решением они сократили массу двигателя LEAP примерно на 220 килограммов. Более легкие лопатки позволили снизить массу диска ротора и всего узла в целом.
Справедливости ради нужно отметить, что технология изготовления композитных лопаток — удел избранных даже среди лидеров отрасли. Например, знаменитая британская фирма Rolls-Royse планирует их использовать только на следующем поколении двигателей. Самые последние разработки, в их числе TRENT 1000 для Bоeing 787 и TRENT XWB для Airbus А350, имеют вентилятор с титановыми пустотелыми лопатками. Аналогичным образом поступят и пермские моторостроители, набираясь компетенций в композитах при создании двигателя ПД-35.
Характеристики любого турбовентиляторного двигателя во многом определяются устройством его механического сердца — газотурбинной секции, где химическая энергия топлива преобразуется в механическую и кинетическую энергию. И здесь ПД-14 по основным показателям находится примерно на одном уровне с конкурентами. За счет применения новых материалов и технологий температуру газов перед турбиной удалось довести до 1970°К (примерно 1700°С) , степень повышения давления в компрессоре до 40.
При этом двигатель полностью удовлетворяет требованиям ICAO (Международная организация гражданской авиации) по эмиссии вредных веществ, что в начале 2021 года было вновь подтверждено дополнением к сертификату типа при очередном ужесточении экологических норм. ПД-14 с запасом проходит и по нормам издаваемого шума, благодаря высокой степени двухконтурности и специальным звукопоглощающим конструкциям. Примечательно, что на первых тестовых и демо-версиях двигателя сопло внутреннего контура и задняя кромка мотогондолы имели так называемые шевроны — пилообразную кромку, благодаря которой потоки из контуров быстрее и более плавно перемешиваются между собой и окружающим воздухом.
На двигателях, впервые полетевших на МС-21, шевроны исчезли с мотогондолы, но остались на срезе сопла внутреннего контура. Аналогичным образом они пропали и на двигателях новейшего Boeing 777-9, который так же еще проходит испытания. Похоже, что запаса по шуму хватает и без них.
Перспективы ПД-14 на ближайшее будущее
Испытания ПД-14 под крылом МС-21 должны завершиться в 2022 году и для их ускорения в ближайшее время «ремоторизацию» пройдёт самый первый опытный самолёт, взлетевший уже 4 года назад. Официальное разрешение на серийное производство ПД-14 уже получено, но самые первые экземпляры пока пойдут в резерв для лётных испытаний.
Пермские мотористы имеют твердый контракт на 50 двигателей, но форсировать их выпуск пока не будут из-за задержек в программе МС-21, вызванных санкционным давлением на подрядчиков проекта. К тому же по условиям соглашения с компанией Pratt & Whitney 75 из 110 первых самолётов будут оснащены американскими двигателями, и только на 35 бортах установят ПД-14. Для следящих партий объем поставок поделён приблизительно поровну.
С учетом задержек МС-21 перспективы массового появления ПД-14 пока не просматриваются, но в перспективе всё может измениться под влиянием политических или других причин. К тому же довольно сильное изменение претерпела структура основного заказчика «Аэрофлота», где все самолёты российского производства будут собраны в авиакомпании «Россия». А значит все полсотни заказанных МС-21 будут работать именно там, выполняя преимущественно внутренние перевозки. Вся эта партия законтрактована только двигателями Pratt & Whitney, но ввиду такой перестройки национального перевозчика, эти планы могут скорректировать.
От того, насколько массовой окажется эксплуатация ПД-14, зависит то, насколько быстро проявятся так называемые детские болезни и как скоро с ними удастся справиться. У западных конкурентов они проявились практически сразу, особенно у двигателей Pratt & Whitney для А320neo, что привело к задержке поставок и простоям самолётов. Подобных проблем не удалось избежать и российскому Superjet 100.
ПД-14 еще только предстоит пройти весь этот путь, параллельно доказывая свою конкурентоспособность в сравнении с американской разработкой. Результаты работы на одних и тех же маршрутах лучше всего расскажут о том, насколько удался первый в современной России разработанный с чистого листа турбовентиляторный двигатель.
Это канал Авиасмотр, большое спасибо за внимание и до встречи в новых сюжетах!
Видео-версию этой статьи смотрите на youtube-канале Авиасмотр