Отсталость российской авиации. Часть 1

Отсталость российской авиации связывают

1) с отсутствием современных авиадвигателей, в связи с чем якобы нерентабельно эксплуатировать самолеты советской школы — слишком велик расход топлива;

2) с отсутствием современной авионики, что в конечном счете сводится к наличию третьего члена экипажа;

3) малочисленностью авиапарка, из-за чего растут удельные расходы на поддержание летной годности.

Ниже эти пункты будут рассмотрены подробнее и показана их несостоятельность.

Чем принципиально отличаются устаревшие авиадвигатели от современных

Для начала нужно знать что из себя представляет гражданский авиадвигатель и чем современные авиадвигатели отличаются от тех, что были разработаны десятки лет назад.

Практически все крупные гражданские самолеты используют двухконтурные турбореактивные двигатели. В основе такого двигателя лежит газотурбинный двигатель, знакомый многим по танкам Т-80 и Abrams:

Компрессор высокого давления сжимает воздух, создавая большое давление в камере сгорания. Как и в случае двигателя внутреннего сгорания, от степени сжатия решающим образом зависит термодинамический КПД газотурбинного двигателя.

При сгорании газы проходят последовательно через турбину высокого и низкого давления, раскручивая вал турбины, и выходят через сопло наружу, создавая тягу.

Спереди на валу установлен вентилятор, качающий воздух через внешний контур и тем самым создающий тягу во внешнем контуре, которая добавляется к тяге турбины. На рисунке ниже тяга турбины показана оранжевым цветом, тяга вентилятора — голубым.

Соотношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через турбину называют степенью двухконтурности. При прочих равных и том же расходе топлива чем выше степень двухконтурности, тем большую тягу создает двигатель.

Почему? Тягу можно увеличить либо увеличивая скорость реактивной струи, либо увеличивая массу реактивной струи. При увеличении скорости струи в два раза кинетическая энергия увеличивается в четыре раза. А при увеличении массы струи в два раза кинетическая энергия струи увеличивается пропорционально массе в два раза. Т. е., при одной и той же тяге можно иметь совершенно разную кинетическую энергию струи!

Так как кинетическая энергия струи — это энергия топлива, то чтобы снизить расход топлива при сохранении тяги необходимо увеличивать массу струи и уменьшать ее скорость. Этим и занимается второй контур — он отбирает часть энергии у турбины и за счет нее создает тягу струи воздуха во внешнем контуре, средняя скорость струи падает, масса струи увеличивается, тяга растет при снижении расхода топлива.

Почему раньше не делали авиадвигатели с огромной степенью двухконтурности? Дело в том что на большой высоте плотность воздуха намного меньше, а на высоких скоростях эффективность вентилятора падает. Поэтому чем выше степень двухконтурности, тем ниже крейсерская и максимальная скорость самолета, тем сильнее тяга падает с высотой. Поэтому пока цены на топливо не кусались авиаконструкторы предпочитали двигатели с низкой степенью двухконтурности.

Как решают эту проблему на современных двигателях с очень высокой степенью двухконтурности? Никак! Посмотрите на ТТХ самолетов — чем самолет новее, тем ниже у него максимальная скорость, хотя двигатели стоят формально куда более мощные чем у предшественников. В ТТХ двигателей указывают в первую очередь взлетную тягу, о том что с набором высоты она быстро улетучивается и современный самолет будет иметь крейсерскую тягу ниже чем старый с формально менее мощными двигателями, маркетологи стараются помалкивать.

Другой способ снижения расхода топлива — повышение КПД газовой турбины путем увеличения степени сжатия и температуры сгорания топлива. Практика показывает, что таким способом можно добиться снижения расхода топлива до ~20% относительно двигателя с низкой степенью сжатия и температурой сгорания топлива. Т. е., если сравнивать очень древний (годов 70-х) и самый современный (после 2015 года) двигатель с фантастической степенью сжатия и температурой сгорания, то получим разницу в КПД турбины до 20%!

Поэтому основным способом снижения расхода топлива является увеличение степени двухконтурности. Но и тут не все гладко — если очень сильно увеличить диаметр вентилятора, то скорость краев лопастей превысит скорость звука. Скорость вращения турбины уменьшить нельзя, поэтому необходимо ставить редуктор, с помощью которого уменьшается угловая скорость вращения вентилятора. Среди иностранных фирм двигатель с редуктором освоила только одна, и то буквально пару лет назад.

Побочным эффектом от увеличения степени двухконтурности является резкое снижение уровня шума. Кто был на МАКС знает, что один F-15 на форсаже шумит раз в десять больше чем целая группа "Русских витязей". Все потому что степень двухконтурности двигателей F-15 всего 0,3 — это почти ракета, а у Су-27 в два раза выше — 0,6. Отсюда и значительно больший расход топлива у F-15 чем у Су-27, несмотря на значительно меньшую тягу. Зато тяга у F-15 меньше падает с высотой, на что любят уповать на Западе.

Из сказанного ясно в чем причина относительно высокого расхода топлива и шумности авиадвигателей советской школы — низкая степень двухконтурности.

При сравнении инодрочеры поступают очень хитро:

1) Сравнивают советские двигатели лохматых годов с самыми современными иностранными, "забывая" упомянуть что в авиапарке России летают иностранные и отечественные самолеты примерно одного возраста, которые близки по уровню шума и экономичности в силу близкой степени двухконтурности их двигателей.

2) При сравнении "забывают" указывать недостатки двигателей с высокой степенью двухконтурности, когда речь идет об Ил-96, то говорят что он имеет более высокий расход топлива, но не говорят что он может выполнять рейсы на большие расстояния на 2 часа быстрее чем современные аналоги с высокой степенью двухконтурности (очень многие, летя за океан, переплатили бы 10-15% чтобы добраться на 2 часа быстрее), а когда речь идет об очень экономичных отечественных двигателях, то жалуются что самолеты с ними медленно летают.

3) "Забывают" о преимуществах многодвигательных самолетов — не даром в B-52 целых восемь двигателей!

4) Нагло и безосновательно утверждают что отсутствие экономичного и малошумного двигателя связано с технической отсталостью, а не с преимуществами двигателей с низкой степенью двухконтурности по всем параметрам, кроме удельного расхода топлива и шума.

Думали ли в СССР об экономичности?

Самый низкий удельный расход топлива у винтовых двигателей, так как винт — это как бы очень мощный второй контур, создающий львиную долю тяги. Поэтому недостатки двигателей с высокой степенью двухконтурности проявляются здесь наиболее остро — огромное падение тяги с высотой и очень низкая максимальная скорость. К этому добавляется очень высокий уровень шума.

НК-12

Этот турбовинтовой авиадвигатель был создан в 50-х годах как очень экономичный, обеспечивающий межконтинентальную дальность Ту-95, но благодаря использованию вращающихся в противоположные стороны винтов с поворотными лопастями лишенный недостатков классических винтовых авиадвигателей.

Прототип Ту-95 имел умопомрачительную по меркам винтовых самолетов максимальную скорость 945 км/ч и высоту полета 13700 метров, серийный соответственно 900 км/ч и 12 тыс метров — на уровне лучших современных турбовентиляторных пассажирских самолетов.

Не так-то просто присобачить винт к газовой турбине, а два винта с поворотными лопастями, вращающихся в противоположные стороны, тем более — нужен нетривиальный редуктор. Для 50-х годов это был полный нонсенс, один из символов технического превосходства СССР.

Д-27

Это винтовентиляторный двигатель. Создан на основе демонстратора технологий Д-236Т (1979 год), имевшего невероятно низкий даже по современным меркам удельный расход топлива — всего 0.1628 кг/кгс·ч против 0,490 кг/кгс·ч у самых экономичных новейших турбореактивных двигателей - и являвшийся развитием идей НК-12. Ради двигателей такого типа ИКАО не повышает требования к уровню шума — слишком низкий удельный расход топлива, жаба давит отказаться от них.

Скорее не жаба, а Airbus A400M, являющийся цельнотянутой копией (купили документацию и переманили часть специалистов), но при этом уступающей по всем без исключения ТТХ оригиналу Ан-70.

Пока "Антонов" питался святым духом Airbus на допиливании почти готовой советской разработки осваивал 25 миллиардов евро! Но "Антонов" допилил свою версию раньше. Airbus пилит до сих пор… Завершить проект не помогло даже сильное урезание первоначальных ТТХ.

Лютое сосамбо, при том что ТТХ недопиленного A400M скорее всего еще урежут, а для Ан-70 они реальные. Изначально планировалось превзойти Ан-70 по ТТХ… Этот пример наглядно показывает превосходство советской авиационной школы над западной.

НК-93

Капотированый винтовентиляторный двигатель. Является развитием идей НК-12 и Д-236Т. Принципиально отличается наличием капотирования, что увеличивает эффективность винтов и снижают уровень шума. Подобные решения можно наблюдать в экранопланах:

НК-93 — это двигатель будущего, разработка которого была начата в конце 80-х. Имеет невероятную степень двухконтурности — 16,6! При том что на Западе двигателей со степенью двухконтурности выше 12 нет даже в разработке! Начав создание двигателя, СССР мог опередить Запад на многие десятилетия, как и в случае с Д-27.

Самый передовой мощный западный авиадвигатель — это GE-9X, совершивший первый полет в 2018 году, имеет степень двухконтурности "всего" 10 единиц!

Имеются новейшие двигатели со степенью двухконтурности 12, например, Pratt & Whitney PW1000G:

Двигателей со степенью двухконтурности на уровне НК-93 в обозримом будущем не ожидается! Т.е., он до сих пор опережает время — тенденции двигателестроения таковы, что рано или поздно придут к созданию такого двигателя.

Об НК-93 был снят фильм, который рекомендую посмотреть полностью:

В фильме говорится о нереально низком уровне шума. Еще бы! Степень двухконтурности 16,6 — это ни шутки!

Удельный расход топлива на уровне самых современных двигателей 2019 года на НК-93 был достигнут 15 лет назад при низкой степени сжатия и температуре в камере сгорания, без использования современных композитных материалов (их тогда просто не существовало).

По расчётам дальность полёта с полной загрузкой Ил-96 с двигателями НК-93 достигла бы 16 тыс километров против 9-13 тыс на доступных в настоящее время двигателях.

Если НК-93 модернизировать, то можно получить снижение расхода топлива еще на 15-20%, т. е., до недосягаемого для любых перспективных западных двигателей уровня.

Но вместо этого огромное бабло было пущено на создание ПД-14 — заведомо проигрывающего некоторым уже существующим западным двигателям в силу более низкой чем у последних степени двухконтурности — 8,5 против 10-12. Т. о., отсталость была заложена еще на стадии проектирования, не говоря уже об использовании иностранных компонентов.

Но пока ПД-14 вполне на уровне и видимо с этим связана задержка начала производства — российская пятая колонна и иностранные "партнеры" тормозят проект чтобы к моменту запуска в серийное производство он оказался устаревшим.

Отсталость авионики

Мне как разработчику инженерного софта для управления сложным железом известно что чем сложнее пульт, тем больше косяков в изделии — пульт специально делают так чтобы можно было иметь полный контроль над ключевыми косяками. В зависимости от квалификации разработчиков одно и то же можно вывести на пульт по-разному — хорошие разработчики стремятся к грамотной эргономике.

Кабина Ту-214 выглядит так:

А вот что мы имеем в Боинг-737-800:

Что-то сильно не в пользу Боинга! Но и не такой разгром как при сравнении кабин "Буран" и "Спейс Шаттл":

Есть ещё «Буран», который использовался как обычный самолёт для отработки посадки — БТС-02, созданный в 1984 году. Соответственно, его кабина напоминает обычный самолет:

У него было всего два члена экипажа, но он мог выполнять посадку полностью в автоматическом режиме! В 1984 году! Не сомневаюсь, что в случае надобности и взлёт бы могли сделать полностью автоматическим.

Судя по кабине, авионика БТС-02 круче чем у иностранных самолётов в 2019 году. Не удивительно — по моему опыту создания прошивок FPGA для управления железом все кроме обработки больших объемов данных (изображений и т.п) можно эффективно и бескомпромиссно реализовать на элементной базе 80-х.

Интересно, как инодрочеры совмещают утверждение о невозможности исключения третьего члена экипажа на советских/российских самолётах из-за отсталой авионики с фактом беспилотного полёта «Бурана»?

Про такие вопиющие примеры отсталости советской авионики как одноместный боевой вертолёт К-50 и нашлемный прицел «Щель—ЗУМ» Миг-29 и Су-27 я буду помалкивать. Ведь у F-22, находящихся в строю, нашлемного прицела нет до сих пор!

Были выпущены версии самолетов Ту-214 и Ил-96 с двумя членами экипажа. Продажи от этого не поползли вверх. Статистика аварийности Ил-86, Ил-96, Ту-204/214 говорит о том что это одни из самых безопаснейших самолетов мира. Следовательно, уровень авионики высочайший, даже если сделана она на устаревшей элементной базе.

Малочисленность авиапарка

Когда государственные авиакомпании и частные авиакомпании под давлением государства начали закупать иностранные самолеты парк отечественных самолетов был многочисленным. Самолеты советского производства до сих пор летают во многих странах и никто не жалуется на их экономическую неэффективность в силу малочисленности. Только в России! И только люди, связанные с продвижением иностранных самолетов на российском рынке!

Суперджеты простаивают в ожидании импортных запчастей куда больше старых отечественных самолетов и это не очень-то волнует покупателей. При этом изначально использование импортных запчастей обосновывалось целью снижения простоев, якобы авиакомпании испытывают большие трудности с отечественными запчастями в силу малочисленности парка отечественных самолётов.

Мне видится, что проблема малочисленности надуманная.

P.S.

Двигатель «SuperJet 100» - Sam146 — имеет степень двухконтурности всего 4,43 против 5,34 у созданного тридцатью годами ранее Д-36, который ставился на Як-42. И степень повышения давления не намного выше - 22.8 против 18,4 у Д-36. Двигатель Д-36 создан на основе ещё более древнего Д-30, различные варианты которого ставились на самолеты от Ил-76 и Ту-154 до МИГ-31 (с форсажной камерой). Несмотря на лютый пиар «Суперджета» чуда вопреки законам физики не произошло - удельный расход топлива двигателя Sam146 получился на уровне или чуть лучше чем у его советских аналогов 70-х годов, т.е., этот двигатель, выдаваемый в СМИ за современный, на самом деле является двигателем позавчерашнего дня.

На это прямо указывали специалисты «Прогресс» — их двигатель Д-436, разработанный в 90-х, являющийся модернизацией Д-36 и отличающийся от него всего-лишь наличием дополнительной ступени компрессора для повышения степени сжатия, значительно превосходит Sam146. Поэтому в СМИ была развёрнута кампания против Д-436, который устанавливается на Ту-334 и Ан-148 - отечественных конкурентов втрое более дорогого, обладающего худшими ТТХ и состоящего на 80% из импортных комплектующих «Суперджета».

Показателен факт — Министерство Обороны России закупило немалое число Ан-148, но ни одного «Суперджета»! Они бы и Ту-334 закупили, если бы его производству не препятствовали. Потому что закон запрещает принимать на вооружение иностранную технику, т.е., технику, производство и эксплуатация которой зависит от воли иностранных поставщиков. Иностранный образец техники в принципе может быть принят на вооружение при условии полной передачи технологий и налаживании производства в России. О чем это говорит? Что «Суперджет» является российским не больше чем собираемые в Росси иномарки.

P.P.S.
Здесь в продолжение темы о расходе топлива самолётов (российских и иностранных), используемых российскими авиакомпаниями:
wp.me/p8xIp4-4bf

Данные говорят о том что даже на ближнемагистральных рейсах вместо экономичных отечественных винтовых самолётов используются вдвое более прожорливые иностранные турбовентиляторные. Т.е., авиакомпании на самом деле не интересует расход топлива, даже если речь идёт о двукратной разнице! Но при этом в СМИ отказ от росийских самолётов объясняют тем что они якобы на 10% больше потребляют топлива.

Часть 2:
www.drive2.ru/b/525969805040156693/