Авиация: новый шаг в будущее. Инновационная технология GE повысит эффективность авиадвигателей на 20 %
Всю свою жизнь Трэвис Харпер, руководитель проектов GE в CFM (совместное предприятие GE и Safran Aircraft Engines), посвятил авиации. Мальчишке, жившему всего в двух кварталах от аэропорта Мидуэй, расположенного в южной части Чикаго, казалось, что самолеты заходят на посадку прямо над крышей его дома. «В детстве я был одержим авиацией, - рассказывает Трэвис. - Я наблюдал за тем, как взлетают и приземляются самолеты, и мечтал о путешествиях в неизведанные страны».
Страсть к самолетам определила и дальнейший жизненный путь Трэвиса. Он получил степень инженера в Северо-Западном университете (Northwestern University), а потом и в университете штата Огайо. После выпуска из университета он начал работать в команде GE Aviation, занимающейся проектированием и производством самых инновационных в мире коммерческих реактивных двигателей. Увлечение авиацией позволило Трэвису работать во многих странах над самыми интересными проектами. Например, в Дубае (Объединенные Арабские Эмираты) он занимался обслуживанием парка самолетов авиакомпании Emirates Airline, а в Сиэтле работал совместно с корпорацией Boeing над запуском в эксплуатацию новой модели авиалайнеров 777X, оснащенных двигателями GE9X.
Сейчас Трэвис открыл новую главу в карьере – занял руководящий пост в команде, которая создает будущее авиации. Вместе с коллегами он работает над созданием технологии, с помощью которой будет создан двигатель нового поколения. В соответствии с замыслом разработчиков, новый двигатель будет расходовать на 20 % меньше топлива и производить на 20 % меньше выбросов CO2, чем самые эффективные современные реактивные двигатели.
Программа стартовала минувшей зимой и получила название CFM RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines - революционные инновации для экологически безопасных двигателей). Концепцию программы RISE прекрасно отражает ее название. «Эта программа по развитию технологий, которые позволят сделать авиационную отрасль более эффективной», - говорит Харпер.
Концерн CFM - совместное предприятие французской компании Snecma (дочерняя структура Safran) и американской компании GE Aviation, созданное почти 50 лет назад. Совсем недавно партнеры достигли договоренности о продлении деятельности СП до 2050 года. Компания уже осуществила поставку свыше 35 000 двигателей для более чем 600 авиакомпаний по всему миру. Парк самолетов, оснащенный новыми двигателями, в совокупности налетал свыше 1 млрд часов, что эквивалентно продолжительности 20 полетов от Земли до Плутона и обратно. «Это самое успешное трансатлантическое совместное предприятие в мире, по крайней мере, в сфере авиации», - рассуждает Трэвис.
Перед Трэвисом и его коллегами стоит новая важная задача. Оснащение самолетов двигателями CFM, которое успешно продолжается с 1980-х годов, позволило сократить расход топлива и выбросы CO2 на 40 % по сравнению с двигателями, которые использовались ранее. Сегодня Трэвис и команда лучших аэрокосмических инженеров мира намерены сократить этот показатель еще на 20 %, что станет самым большим достижением в области декарбонизации за всю историю существования авиации.
Решение непростой задачи зависит от того, насколько удастся усовершенствовать конструкцию двигателей и использовать преимущества, создаваемые новыми технологиями. Но команда Трэвиса Харпера готова ответить на амбициозные вызовы. «Вместе с экспертами Safran, авиаконструкторами и представителями авиакомпаний мы стремимся выработать единую концепцию, определить ключевые требования к будущему продукту и создать такой двигатель, который будет лучшим с нашей точки зрения образом отвечать задачам будущего авиации, - рассказывает Трэвис. - Мы считаем, что создание открытого турбовентиляторного двигателя, который обеспечит значительное снижение расхода топлива и выбросов CO2, отвечает требованиям сегодняшнего дня. Это решение мы планируем продемонстрировать уже в ближайшие годы».
Ключевая особенность конструкции – так называемый «незакапотированный» винтовентилятор в ее передней части. В отличие от других моделей турбовентиляторных двигателей, он «открыт» - то есть не окружен корпусом. Это может способствовать значительному повышению эффективности тяги, что является ключевым фактором снижения выбросов и расхода топлива. «Наши наиболее перспективные идеи, обеспечивающие максимальную выгоду с точки зрения физики, связаны с реализацией концепции открытого винтовентилятора, - говорит Трэвис. - Альтернативные варианты конструктивного исполнения не могут обеспечить аналогичный уровень сжигания топлива и снижения выбросов CO2, который позволяет достичь открытый вентилятор».
Этот вентилятор обещает стать привлекательным и с эстетической точки зрения. Команда планирует производить его из специального углеродного трехмерного волокна, добавляя композитное покрытие. Легкий и прочный, этот материал позволяет инженерам создавать роторы диаметром до 13 футов, что, в свою очередь, увеличивает эффективность тяги и повышает степень двухконтурности двигателя.
Двухконтурность двигателя. Запомните этот термин. Степень двухконтурности или коэффициент байпаса – одно из важнейших понятий в авиации. Это показатель, характеризующий отношение между усилием, создаваемым ротором, и количеством энергии, которое требуется для приведения ротора в движение. В 1980-х годах у двигателей CFM это соотношение составляло 5 : 1. С развитием технологий этот показатель вырос до 11 : 1 – у авиадвигателей следующего поколения LEAP, создание которых ознаменовало собой настоящий технологический прорыв для отрасли. Открытая конструкция вентилятора позволит достичь коэффициента байпаса, превышающего 70 : 1. «Воздушные потоки, которые обтекают двигатель, мы ускоряем достаточно незначительно, но получаем гораздо большую выгоду за счет увеличения объемов воздуха», - говорит Трэвис.
Стоит отметить, что сконструировать открытый винтовентилятор нового поколения помог опыт, полученный при создании другого открытого ротора. Предшественник был разработан GE совместно с NASA при поддержке компании Safran еще в 1980-х годах. Лопасти вентилятора того экспериментального двигателя, получившего название GE36, также были сделаны из композитных материалов. Этот двигатель, в частности, был установлен на самолете, который летел на авиашоу 1988 года в Фарнборо.
Создание GE36 помогло добиться значительной экономии топлива, однако на фоне резкого снижения цен на энергоносители, решение этой задачи, казалось бы, отошло на второй план. Тем не менее технологии, впервые примененные при разработке двигателя GE36, определили направления развития авиации на десятилетия вперед. Его лопасти из углеродного волокна стали прародителями аналогичных компонентов в моделях линейки реактивных двигателей GE Aviation. Эти модели характеризовались увеличенным байпасом и помогли авиастроителям сконструировать дальнемагистральные самолеты подобные Boeing 777 и Boeing 787 Dreamliner, которые могли использовать всего два двигателя вместо четырех. С 1995 года двигатель GE90 для Boeing 777 оставался самым мощным в мире реактивным двигателем, пока в прошлом году лидерство не перешло к GE9X. «В 80-х люди знали, что открытая конструкция ротора - это очень перспективная идея, - говорит Трэвис, - но уровень развития технологий аэродинамики и акустики не позволял воплотить ее в жизнь. Нужно учитывать, что у команды, которая в то время работала над созданием этой модели двигателя, возможно, была одна-единственная ЭВМ».
Трэвис говорит, что и GE, и Safran добились «невероятных успехов с помощью аналитических и вычислительных инструментов. Эти достижения были подтверждены результатами многих испытаний, начиная от испытаний в аэродинамической трубе до комплексных испытаний двигателя». Фактически, Safran провела тестовые испытания новой конструкции двигателя с открытым ротором в 2018 году.
Но создание вентилятора большего размера - не единственный способ увеличить мощность двигателя. Дополнительные возможности создает совершенствование его основных компонентов, в том числе компрессора, камеры сгорания и турбины, которые преобразуют энергию топлива в эффективное вращательное движение ротора.
Добиваться этого результата команде RISE позволяет использование еще одного революционного материала, применение которого было опробовано в двигателях LEAP и GE9X. Этот материал, получивший название композита с керамической матрицей, или КМЦ, составляет всего 1/3 общей массы стали, , но помогает выдерживать температуру до 2400 градусов по Фаренгейту, превышающие точку плавления многих современных металлических суперсплавов. Это повышение температуры улучшает тепловой КПД двигателя. «Нам потребовалось 30 лет, чтобы разработать эту технологию в GE Research - внутрикорпоративной лаборатории GE. В результате мы стали первыми, кто применил ее в двигателе LEAP, - рассказывает Тед Инглинг, инженер GE Aviation на пенсии, который руководил разработкой GE9X и входил в команду Трэвиса. «Двигатель LEAP - самый продаваемый двигатель в истории CFM: за последние пять лет было произведено около 4500 таких двигателей. Благодаря этой программе мы теперь знаем, каким образом может быть организовано массовое производство детали из инновационного материала и новых компонентов, которые используют его преимущества». Запланированная демо-версия двигателя также будет включать в себя компоненты, напечатанные на 3D-принтере, гибридные электрические системы, передовые схемы теплопередачи и другие прорывные технологии.
Команда RISE также заботится о том, чтобы производители и эксплуатирующие организации могли в полной мере использовать преимущества передовой технологии. «Работая в сотрудничестве с производителями самолетов, мы получили возможность совершенствовать технические характеристики и повышать эффективность двигателей, а значит принимать участие в создании самых лучших самолетов в мире, - отмечает Трэвис. – Мы осуществляем взаимодействие и с авиакомпаниями, а также владельцами и арендодателями воздушных судов, которые пересматривают стратегии обновления воздушного флота в сторону устойчивого развития. Все эти компании рассматривают потенциал использования наших продуктов как в среднесрочной перспективе, так и после 2050 года. Для нас исключительно важны партнерские отношения с нашими клиентами. Мы развиваем двустороннее сотрудничество, для того чтобы создавать продукты, которые действительно востребованы».
Трэвису кажется, что прошло уже 100 лет с того момента, как он с семьей улетел из промозглого Чикаго в солнечную Флориду. «Здесь впервые в жизни я узнал, как работает авиационная промышленность и как из различных обособленных компонентов рождается единый слаженно работающий механизм, - говорит он. – Мне всегда было интересно узнавать что-то новое, и я всегда стремился окружать себя такими людьми, у которых мог бы почерпнуть новые знания. В детстве, наблюдая за взлетом и посадкой самолетов, я и мечтать не мог о том, чтобы возглавить работу по созданию технологий, которые сделают полеты еще более экологичными и доступными для будущих поколений».
Задача по созданию будущего полетов, над решением которой Трэвис сейчас работает, безусловно, дает ему такую возможность.