Почему на современные самолеты ставят только 2 двигателя, а не 3 или 4, как раньше?
Раньше в аэропорту вы часто могли увидеть самолет с тремя или даже четырьмя двигателями. В настоящее время некоторые из таких моделей ещё находятся в эксплуатации, но встречаются они всё реже, так как производство подобных авиалайнеров стремительно сокращается. В частности, в 2021 году завершено производство крупнейшего пассажирского самолёта Airbus A380 — он мог вместить до 853 пассажиров. А к концу этого года будет остановлено производство его ближайшего конкурента — Boeing 747-8.
Новых трех- и четырехдвигательных самолетов на замену ушедшим моделям до сих пор не было представлено, и едва ли они появятся в обозримом будущем. Коммерческая авиация постепенно переходит на самолеты с двумя двигателями, и на это есть целый ряд причин.
Повышение надежности
Долгое время двухмоторные самолеты не могли летать вдалеке от аэропортов, а потому не могли использоваться для перелетов через океан. Дальнемагистральные рейсы выполнялись на 3- или 4-двигательных моделях. Ограничения были введены из соображений безопасности: риск отказа сразу двух двигателей считался довольно высоким.
В начале 50-х годов Федеральное авиационное агентство США (FAA) установило так называемое «правило 60 минут», согласно которому самолёты с 2 двигателями во время выполнения любых рейсов должны были находиться в пределах 60 минут полёта до ближайшего аэропорта. Международная организация гражданской авиации (ICAO) смягчила ограничение, предложив «правило 90 минут» (ETOPS-90), которым на тот момент пользовались в основном авиакомпании из Европы.
По мере роста надежности двигателей росла и допустимая дальность удаления от аэропортов. В 1985 году Boeing 767-200 прошел сертификацию в соответствии с «правилом 120 минут» — ETOPS-120. Это позволило ему совершать перелеты из Парижа в Бостон. Наиболее современные авиалайнеры сертифицированы для полетов в соответствии с ETOPS-240 или даже ETOPS-370, как Airbus A350.
Самолеты с ETOPS-180 уже могли летать над 95% поверхности Земли. А единственный недоступный для полетов Airbus A350 участок планеты находится непосредственно над Антарктидой, но там самолеты не летают по другой причине. Таким образом, благодаря повысившейся надежности двухдвигательные самолеты смогли вытеснить трех- и четырехдвигательные из дальнемагистральных рейсов.
Снижение расходов
На пассажирских самолетах стоимость двигателей составляет значительную часть конечной стоимости авиалайнера (в среднем 20 — 25%). Каждый двигатель требует отдельного обслуживания, оформления документов и сертификатов. Таким образом, наличие 2 больших двигателей вместо 3 или 4 меньшего размера значительно снижает стоимость производства самолета и сокращает расходы на техническое обслуживание.
Нельзя забывать и про стоимость топлива — это около четверти всех операционных расходов современных авиакомпаний. 4 меньших двигателя потребляют больше топлива, чем 2 больших. В 2018 году австралийская авиакомпания Qantas подсчитала, что 4-двигательный Boeing 747 потребляет на 2.5 литра больше топлива на каждый килограмм полезной нагрузки по сравнению с 2-двигательным Boeing 787.
Рост мощности
Оснащение самолета тремя или четырьмя двигателями позволяет увеличить суммарную мощность, что было особенно важно для первых реактивных авиалайнеров, поскольку турбовентиляторные двигатели того времени обеспечивали сравнительно небольшую тягу. К примеру, двигатель Pratt & Whitney JT3D 1958 года имел тягу 76 кН (килоньютон), в то время как для современных двигателей, таких как General Electric GE90, характерны показатели в 440 кН тяги и выше. Благодаря этому даже довольно крупные современные авиалайнеры вполне могут обходиться двумя двигателями.
Раз мотор, два мотор: сколько двигателей нужно самолету
В 1912 году конструктор И.И. Сикорский совершил революцию в авиастроении, создав четырехмоторный самолет «Русский витязь», а через полвека небо покоряли самолеты с восемью и даже десятью двигателями. Однако больше двигателей − не всегда лучше, ведь всё зависит от задач, которые выполняет авиатехника.
В отечественной боевой авиации последних десятилетий сложился двухдвигательный стандарт, хотя на начало 1990-х годов однодвигательных истребителей в авиапарке было даже больше. Новейший легкий истребитель Checkmate − первый в России самолет пятого поколения с одним двигателем, разрабатываемый ОКБ Сухого − возрождает эту традицию.
Предлагаем вспомнить ярких представителей мировой авиации с разным количеством двигателей: одним, двумя и даже десятью – и какие тенденции в этом направлении преобладали на заре ее становления и сейчас.
Моторов много не бывает
Начав свой разбег с легких и компактных одномоторных машин, в 1910-е–1930-е годы авиация активно экспериментировала с размерами техники и количеством двигателей. Самым тяжелым и крупным самолетом Первой мировой войны был германский бомбардировщик Zeppelin-Staaken R.XIV 1917 года постройки. В воздух его поднимали сразу пять 260-сильных двигателей «Майбах»: четыре на крыльях и один на носу. Такая силовая установка позволяла перевозить невероятную по тем временам боевую нагрузку − более 4 тонн, в 4-8 раз больше, чем у конкурентов.
Советский великан АНТ-20 «Максим Горький», построенный в 1933 году, предназначался для агитационной работы. Самолет мог перевозить 70 пассажиров, был оборудован каютами, санузлом, буфетом, кафе, киноустановкой и т.д. АНТ-20 имел взлетную массу 53 тонны и рекордный для тех лет размах крыльев – 63 метра (примерно как у современного Ил-96).
АНТ-20 «Максим Горький»
Чтобы взлететь, такой махине требовалось целых восемь моторов по 750 л. с. каждый. Шесть моторов было встроено в крылья и один тандемный, то есть с винтами спереди и сзади, стоял на фюзеляже. Но даже такое количество моторов не спасло крылатого агитатора от катастрофы: в 1935 году во время показательного полета истребитель И-2 протаранил крыло «Максима Горького», самолет разрушился, погибли 49 человек.
Самым «многосердечным» серийным самолетом в истории стал американский стратегический бомбардировщик Convair B-36, впервые взлетевший в 1946 году. В базовой версии он имел шесть толкающих поршневых двигателей, позже к ним добавили еще четыре турбореактивных. Экипажи в шутку описывали такую спорную десятидвигательную схему примерно так: «Два крутятся, два горят, два дымят, два поперхнулись, а еще два куда-то делись». При этом максимальная взлетная масса супербомбардировщика достигала 185,8 тонны, и, базируясь в США, он мог запросто доставить ядерную бомбу на территорию СССР.
Гражданская авиация
В истории гражданской авиации количество двигателей на самолетах варьировалось, но в целом стремилось к уменьшению. Уже упомянутый «прадедушка» современных авиалайнеров «Русский витязь» Сикорского был четырехмоторным, а сопоставимый по параметрам туполевский рекордсмен АНТ-4 «Страна Советов» 1925 года уже обходился двумя моторами.
Первый в СССР пассажирский реактивный самолет Ту-104 оснащался двумя двигателями, а его ровесник – дальнемагистральный Ту-114 – летал на четырех турбовинтовых моторах. Где-то между ними и по дальности полета, и по количеству двигателей находился трехдвигательный среднемагистральный Ту-154.
Ту-104. Фото: Lars Söderström / wikipedia.org
В целом мировая тенденция в гражданской авиации складывалась следующим образом: постепенно с ростом надежности авиадвигателей их количество от трех-четырех сокращалось до двух. Пока риск отказа одного двигателя был высоким, применялось больше двух двигателей. Кроме того, долгое время двухдвигательные самолеты просто не могли летать на далекие расстояния, например пересечь океан.
Помимо надежности с годами росла и мощность двигателей. Если турбовинтовые моторы давали сравнительно небольшую тягу и их требовалось три-четыре, то реактивные двигатели были мощнее, что позволяло сократить количество.
Современные двигатели – мощные и надежные, а отказ двигателя − событие крайне редкое. Создаются двигатели с таким расчетом, что даже если откажет один мотор, самолет должен безопасно продолжить взлет, набрать высоту и совершить посадку.
В коммерческой авиации немаловажную роль играет и финансовая мотивация. Двигатели составляют 20-25% стоимости самолета. Чем больше двигателей на самолете, тем выше его стоимость, больше затрат на обслуживание и ремонт. Кроме того, очевидно, что четыре двигателя будут «съедать» больше топлива, чем два.
Военная авиация
Так получилось, что все стоящие сегодня на вооружении российской армии истребители оснащены двумя двигателями. Двухдвигательная схема, сложившаяся в 1970-е с появлением семейств Су-27 и МиГ-29, была закреплена как основная в 1990-е годы. При этом однодвигательные истребители, такие как Су-17, МиГ-23, МиГ-27, МиГ-21, тогда преобладали над двухдвигательными.
Одна из причин ставки на два мотора заключалась в том, что истребительная авиация развивалась, появлялось новое оборудование, самолеты становились тяжелее, а нового, более мощного двигателя создано не было. Чтобы оснастить самолет всем современным оборудованием и не потерять при этом в боевой нагрузке, в реалиях 1990-х годов требовалось два двигателя. Кроме того, в это время российский ОПК во многом держался на плаву благодаря экспортным заказам, а иностранные партнеры хотели именно двухдвигательные истребители.
МиГ-23МЛД
Интересно, что американцы от однодвигательной компоновки не отказывались никогда. В частности, разработанный в 1974 году легкий истребитель четвертого поколения F-16 стал одним из самых массовых в мире. А в 2006 году впервые поднялся в воздух оснащенный одним мотором F-35 Lightning II − многофункциональный истребитель-бомбардировщик пятого поколения. На настоящий момент их выпущено около 1000 штук.
Вернуться к однодвигательной схеме решили и российские авиаконструкторы из ОКБ Сухого, в 2021 году представившие легкий тактический самолет Су-75 Checkmate. Идея создания одномоторника возникла после изучения боевых действий российской авиации в Сирии. Анализ показал, что для выполнения большинства задач возможности тяжелых двухдвигательных самолетов избыточны. И тогда в инициативном порядке ОКБ Сухого в составе Объединенной авиастроительной корпорации начало разработку новой машины.
Су-75 Checkmate. Фото: Виктор Молодцов
Checkmate будет иметь высокую степень унификации с двухмоторным «братом» Су-57. В соревновании с зарубежными аналогами новый «Су» будет выгодно – в два-три раза – выделяться ценой и превосходить конкурентов по ряду других параметров.
И у двухдвигательной, и у однодвигательной схемы есть свои плюсы и минусы. В целом однодвигательные истребители дешевле и экономичнее с точки зрения обслуживания и эксплуатации. Они меньше по габаритам. Особенно практично применять их для подготовки пилотов и в случаях, когда летать нужно часто. Есть свои преимущества у однодвигательных истребителей и в боевой обстановке.
Сколько километров сможет пролететь самолёт, если у него перестанут работать все двигатели
Ситуации, когда выходят из строя во время полёта сразу все три или четыре двигателя самолёта, происходят нечасто. Но всё же это случается. И вот сколько может продержаться в этом случае самолёт.
На сегодняшний день 80 % неполадок самолёта, которые возникают во время полёта, связаны с человеческим фактором. Хотя отказ двигателя в пути происходит редко, всё равно такие ситуации возникают. Например, при столкновении лайнера со стаей птиц. В этом случае выход у пилотов все один: приземлиться в аэропорту, находящемся поблизости, или где-то около него. Например, подобное произошло в 2019 году с самолётом Airbus A321, который из-за того, что столкнулся с чайками, совершил посадку в кукурузном поле рядом с аэропортом под названием «Жуковский».
А что будет, если вдруг двигатели перестанут работать вдалеке от аэропорта и на большой высоте? В этом случае всё зависит от выбора пилотов. Они могут либо сохранять скорость, но терять высоту, либо терять скорость, находясь на той же высоте.
Если пилоты решили снижать скорость, то им придётся следить за высотой. А расстояние, которое в таком случае преодолеет лайнер, зависит от высоты полёта, погоды, аэродинамического качества. В среднем коммерческие самолёты летают на высоте около 10 км, поэтому при отсутствии ветра они способны пролететь примерно 150-200 км до того, как коснутся земли.
Как работает двигатель самолета: из чего он состоит и как устроен
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.