Trái tim của máy bay: động cơ máy bay và các giải pháp kỹ thuật có khả năng đưa máy bay VTOL đầy hứa hẹn của Nga lên một tầm cao mới
Trong bài viết Cất cánh thẳng đứng: hướng đi vào ngõ cụt hoặc tương lai của hàng không chiến đấu Những thiếu sót thực tế và tưởng tượng do máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng (VTOL) đã được xem xét.
Có thể thấy, với sự ra đời của các thế hệ máy bay VTOL mới, các đặc điểm ngày càng gần với các loại máy bay chiến đấu “cổ điển” về đặc điểm trọng lượng và kích thước tương đương. Nếu Yak-38 thua kém đáng kể so với MiG-21bis và MiG-23ML về hiệu suất bay (LTX), thì sự khác biệt giữa đặc tính bay của Yak-141 và MiG-29 không còn đáng kể nữa, trong khi ở một số khía cạnh. Yak-141 thậm chí còn giành chiến thắng. Nếu chúng ta nói về dòng F-35 của Mỹ, bao gồm F-35A “cổ điển”, VTOL F-35B và phiên bản trên tàu sân bay của F-35C, thì các đặc điểm của chúng đã khá tương đương.
Khi họ nói về sự lây lan nhỏ của VTOL, họ quên rằng bản thân công nghệ này phức tạp hơn nhiều - không phải quốc gia nào cũng có thể xử lý được. Ví dụ, máy bay động cơ nghiêng cũng rất phổ biến cho đến nay, thậm chí chúng ta không có chúng, mặc dù đã khá phát triển hàng không ngành công nghiệp, trong khi ít người nghi ngờ về hiệu quả và triển vọng của các chuyển đổi. Với máy bay VTOL, tình hình cũng tương tự - khá khó để chế tạo chúng mà không tồn đọng kỹ thuật. Trên thực tế, chỉ có Hoa Kỳ mới có thể làm được điều này trong thế kỷ XNUMX.
Các quốc gia châu Âu nói chung đang dần mất đi năng lực chế tạo máy bay chiến đấu, việc phát triển chúng vô cùng tốn kém thời gian và tài chính. Ví dụ, nếu chúng ta nói về Thụy Điển, thì trong Grippen của họ có một động cơ tuốc bin phản lực (TRD) dựa trên động cơ General Electric F404 của Mỹ từ F / A-18 Hornet, tức là chính người Thụy Điển cũng không thể tạo ra một động cơ. cho một chiếc máy bay cổ điển, đã có ở đây để nói về VTOL. Anh đã mất năng lực trong việc chế tạo máy bay VTOL, từ bỏ việc phát triển thế hệ tiếp theo của VTOL "Harrier" và chuyển sang F-35B của Mỹ. Pháp chỉ thử nghiệm theo hướng này.
Trung Quốc cũng vậy, họ có rất nhiều thứ đang được phát triển và sản xuất, nhưng nó vẫn không thành công với động cơ máy bay - có sự tụt hậu nghiêm trọng về lực đẩy và nguồn động cơ phản lực. Nhưng việc tạo ra động cơ cho máy bay VTOL còn khó hơn. Có thể giả định rằng ngay sau khi ngành chế tạo động cơ của Trung Quốc giải quyết được các vấn đề của mình, họ sẽ tiếp cận chủ đề về máy bay VTOL một cách chặt chẽ.
Theo thông tin từ truyền thông Trung Quốc và Mỹ, công tác chế tạo máy bay J-18 VTOL (Jian-18, phân loại của NATO là Đại bàng đỏ) đã được tăng cường tại CHND Trung Hoa. Tàu lượn VTOL nên được chế tạo bằng công nghệ giảm tầm nhìn, tầm hoạt động khoảng 2 km, và một trạm ra đa (radar) với mảng ăng ten hoạt động theo từng giai đoạn (AFAR) cũng sẽ được lắp đặt trên J-000.
Trung Quốc đã cố gắng phát triển máy bay VTOL từ những năm 60 của thế kỷ XX, trong đó một chiếc Harrier đã ngừng hoạt động thậm chí còn được mua từ một nhà sưu tập ở Anh. Năm 1994, máy bay Yak-141 VTOL của Nga được cho là đã mua với mục đích tương tự. Người ta cho rằng máy bay VTOL của Trung Quốc có thể xuất hiện vào năm 2025.
Về việc tạo ra máy bay VTOL và động cơ phản lực cho họ, Nga đã nhận được sự tồn đọng từ Liên Xô đến mức các nước khác chỉ có thể ghen tị. Mặc dù thực tế là đã có nhiều thời gian trôi qua, nguồn dự trữ này có thể và nên được sử dụng.
Liên Xô là một trong hai quốc gia có khả năng tạo ra máy bay VTOL nối tiếp và chính tại Liên Xô đã tạo ra Yak-141 - một cỗ máy đi trước thời đại nhiều thập kỷ.
Trái tim của máy bay, mà các đặc tính hiệu suất của nó phụ thuộc phần lớn, là động cơ phản lực. Có thể dễ dàng theo dõi chuỗi logic - khi công suất cụ thể và tối đa của động cơ phản lực tăng lên, các thông số của máy bay VTOL ngày càng tiệm cận với các thông số của máy bay "cổ điển".
Và để tạo ra một chiếc máy bay VTOL của Nga, trước hết, cần phải tạo ra một động cơ phù hợp cho nó.
Động cơ VTOL
Có hai cách.
Đầu tiên là tạo ra một động cơ máy bay cho một máy bay VTOL đầy hứa hẹn dựa trên động cơ phản lực cánh quạt Izdeliye 30 đầy hứa hẹn, động cơ của giai đoạn hai dành cho Su-57, đang được làm việc với độ trễ lớn. Rất khó để nói điều này thực tế đến mức nào, vì các đặc điểm của động cơ phản lực Izdeliye 30 đã được phân loại, không có thông tin nào về việc liệu động cơ này có thể được trang bị vòi quay hay không, khác biệt đáng kể so với điều khiển véc tơ lực đẩy thông thường (UVT) vòi phun.
Việc trang bị động cơ nâng hạ cho máy bay VTOL không phải là một lựa chọn - đây là công nghệ của thế kỷ trước, tức là cần cung cấp năng lượng cất cánh cho quạt từ "Sản phẩm 30". Và về nguyên tắc điều này có thể thực hiện được trên động cơ phản lực này hay không thì vẫn chưa được biết.
Việc sử dụng động cơ tuốc bin phản lực để cất cánh và hạ cánh thẳng đứng tạo ra các vấn đề trong hoạt động của máy bay VTOL do phản lực nóng phá hủy đường băng (đường băng)
Tuy nhiên, có một khả năng khác - tại một thời điểm động cơ của máy bay Yak-141 đã cho thấy hiệu suất vượt trội, và trên cơ sở đó, sự phát triển của động cơ phản lực đầy hứa hẹn, được mô tả trong bài báo, vẫn tiếp tục. Di sản của Liên Xô: động cơ phản lực thế hệ thứ năm dựa trên Izdeliya 79.
Về khả năng, động cơ phản lực R579-300, do AMNTK Soyuz phát triển, có thể trở thành trái tim của một máy bay VTOL đầy hứa hẹn của Nga.
TRD R579-300 do AMNTK "Soyuz" phát triển
TRD R579-300
Tại sao R579-300 TRD?
Theo nhà sản xuất, động cơ máy bay này có thể được coi là động cơ máy bay thế hệ thứ năm một cách an toàn và hiệu suất cao đạt được nhờ sử dụng các giải pháp thiết kế hiệu quả, chứ không phải thông qua việc sử dụng các hoạt động công nghệ và vật liệu phức tạp, sự phát triển của ngành công nghiệp của chúng ta có thể gây ra sự chậm trễ trong phát triển và sản xuất hàng loạt. động cơ tuốc bin phản lực đầy hứa hẹn.
Trang web của nhà phát triển có một bảng với các đặc điểm của động cơ phản lực R579-300 trong các phiên bản khác nhau, bao gồm các tùy chọn cho máy bay VTOL với lực đẩy đốt sau tối đa lên tới 21-23 nghìn kgf.
Các tùy chọn để triển khai động cơ phản lực R579-300 cho các loại máy bay khác nhau
Động cơ phản lực R579-300 có hai tính năng khiến nó trở thành một giải pháp cực kỳ hứa hẹn cho một chiếc máy bay VTOL đầy triển vọng của Nga.
Đầu tiên là khả năng kết nối tải có công suất hơn 40 MW trên trục TRD.
Thứ hai là tỷ lệ bỏ qua thích ứng và tỷ lệ nén có thể điều chỉnh.
Khả năng kết nối tải trên trục TRD cho phép bạn đặt một quạt nâng lên đó, tương tự như cách nó được thực hiện trong F-35B. Quạt nâng không chỉ giúp loại bỏ các động cơ nâng phụ nặng và tiêu tốn nhiên liệu, mà còn giảm tải nhiệt trên đường băng.
Ngoài ra, với khả năng cao, cơ sở cho sự ổn định chiến đấu của các máy bay chiến đấu trong thế kỷ XNUMX sẽ là các hệ thống phòng thủ đường không đầy hứa hẹn, bao gồm hệ thống laser tự vệ trên không và phương tiện chiến tranh điện tử (EW). Việc tăng sức mạnh của radar với AFAR cũng cần có nguồn điện mạnh trên tàu. Đó có thể là một máy phát điện trên trục TRD.
Một nguyên mẫu của động cơ máy bay đồng bộ siêu dẫn có công suất 1 megawatt, với mật độ công suất 20 kilowatt / kg, được phát triển ở Đức - với khả năng đảo ngược của máy điện đồng bộ, máy phát điện nhỏ gọn với kích thước tối thiểu và hiệu suất cao có thể được tạo ra trên cơ sở của công nghệ này. Ảnh: Demaco.nl
Không ít hơn, và cơ hội thậm chí còn lớn hơn sẽ được cung cấp bởi một tỷ lệ rẽ nhánh có thể điều chỉnh, cho phép bạn tạo ra luồng tia lạnh do tỷ lệ rẽ nhánh tối đa lớn và do đó, khối lượng không khí lớn. Trong trường hợp này, vận tốc dòng ra của tia "lạnh" sẽ được so sánh với vận tốc dòng ra của tia "nóng".
Theo các nhà phát triển của Soyuz AMNTK, trong một máy bay VTOL đầy hứa hẹn của Nga dựa trên động cơ phản lực R579-300, có thể thực hiện cất cánh thẳng đứng mà không cần xoay vòi chính, do sử dụng quạt nâng và hút khí từ mạch bên ngoài, sẽ được đẩy ra qua các vòi phun nhỏ hướng xuống dưới ở phần trung tâm / đuôi của thân máy bay và trên đầu cánh (cái sau nên được sử dụng để ổn định máy bay VTOL). Trong trường hợp này, nhiệt độ của luồng phản lực hướng xuống sẽ vào khoảng 150–200 độ C, sẽ giải quyết triệt để vấn đề phá hủy vật liệu đường băng trong quá trình cất cánh thẳng đứng (hoặc cất cánh với thời gian cất cánh ngắn) của máy bay VTOL đầy triển vọng.
Về khả năng, một biến thể có thể được xem xét khi ngay cả quạt nâng cũng không được sử dụng, và việc cất cánh và hạ cánh thẳng đứng sẽ chỉ được thực hiện bằng cách loại bỏ không khí từ mạch "lạnh" tới các vòi phun nằm ở một số điểm trên thân máy bay VTOL.
Nhưng chính nhiệt độ cao của luồng phản lực đã làm phức tạp đáng kể hoạt động của máy bay VTOL cả trên tàu và trên đất liền.
Các máy bay VTOL được tạo ra trước đây đã phá hủy đường băng một cách nghiêm trọng, máy bay F-35B VTOL hiện đại cũng gặp vấn đề như vậy - ngọn đuốc cháy sáng từ vòi quay của động cơ tuốc bin phản lực có thể nhìn thấy rõ ràng trong bức ảnh.
Ngoài việc cung cấp khả năng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng “lạnh”, cũng như cung cấp năng lượng cho các hệ thống tự vệ bằng laser tiên tiến, tác chiến điện tử và radar với AFAR, quạt nâng và tỷ lệ bỏ qua thích ứng sẽ cho phép một số lợi thế hơn được hiện thực hóa trong một chiếc máy bay VTOL đầy hứa hẹn.
Lợi ích bổ sung
Khối lượng lớn không khí lạnh thu được từ mạch thứ hai của động cơ phản lực có thể được sử dụng không chỉ ở giai đoạn cất cánh và hạ cánh thẳng đứng. Một trong những cách đầy hứa hẹn và hiệu quả để cải thiện tính khí động học và khả năng điều khiển của máy bay trên toàn bộ phạm vi độ cao và tốc độ bay là kiểm soát lớp ranh giới.
Nguyên tắc điều khiển lớp ranh giới
Việc kiểm soát lớp biên bao gồm việc đảm bảo dòng chảy không bị phân tách xung quanh cánh trong một phạm vi góc tấn công rộng bằng cách tăng năng lượng của lớp biên. Tác động lên lớp ranh giới là cần thiết để làm suy yếu hoặc ngăn cản sự phân tách dòng chảy trên bề mặt được sắp xếp hợp lý. Tại Liên Xô, việc thổi bay lớp biên được các máy bay chiến đấu MiG-21 sử dụng để tăng lực nâng cánh trong quá trình cất cánh và hạ cánh - không khí áp suất cao được cung cấp qua một khe ở mép trước của cánh tà.
MiG-21PF / PPS / SPS (Boundary Layer Blower) được thiết kế để hoạt động từ các sân bay không trải nhựa. Để đạt được mục tiêu này, máy bay chiến đấu được trang bị động cơ R-11-F2S-300 với hệ thống hút khí từ máy nén và hệ thống thổi lớp biên từ các cánh tà, giúp giảm thời gian chạy trung bình xuống còn 480. m, và tốc độ hạ cánh là 240 km / h!
Trong một máy bay VTOL đầy hứa hẹn với động cơ phản lực R579-300, việc kiểm soát lớp ranh giới sẽ không chỉ cải thiện hiệu quả của bộ điều khiển, mà còn bù đắp cho những thiếu sót về hiệu quả khí động học của thân máy bay, có thể phát sinh như một kết quả của việc tối ưu hóa nó để giảm khả năng hiển thị của radar.
Khả năng của động cơ tuốc bin phản lực để tạo ra luồng khí lạnh mạnh mẽ có thể được sử dụng để thực hiện điều khiển khí động học của máy bay VTOL, do đó, có thể dẫn đến việc giảm kích thước của các bộ điều khiển khí động học hoặc thậm chí loại bỏ một số và kết quả là làm giảm khả năng hiển thị radar của máy bay chiến đấu.
Điều khiển động lực khí đã được sử dụng trong máy bay Harrier VTOL, tuy nhiên, sức mạnh của động cơ phản lực thời đó không cho phép nó thực sự phát huy hiệu quả.
Và cuối cùng, không khí lạnh có thể được sử dụng để làm mát vòi phun tuốc bin phản lực và các thành phần cấu trúc khác, điều này sẽ làm giảm phạm vi phát hiện của một máy bay VTOL đầy hứa hẹn bằng cảm biến hồng ngoại và giảm khả năng nó bị tên lửa bay hồng ngoại (IR GOS) bắn trúng.
Về nguyên tắc, tất cả những điều này có thể được thực hiện trên máy bay cất và hạ cánh ngang nếu chúng được trang bị động cơ có tỷ số vòng quay cao, nhưng máy bay VTOL có một ưu điểm nữa, thường chỉ được coi là nhược điểm - quạt nâng của nó.
Quạt nâng
Bản thân việc sử dụng quạt thang máy hiệu quả hơn so với việc sử dụng các động cơ phản lực riêng biệt, ít nhất là do mức tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn và luồng không khí lạnh do quạt thang máy tạo ra không phá hủy đường băng theo cách làm nóng đi xuống. phản lực của động cơ phản lực nào.
Ngoài ra, việc chế tạo một quạt nâng sẽ đòi hỏi sự phát triển của công nghệ trích xuất công suất cao từ trục TRD. Một tác dụng phụ của công nghệ này là khả năng đặt trên trục của động cơ phản lực, ngoài bản thân quạt nâng, còn có một máy phát năng lượng điện, rất quan trọng để cung cấp năng lượng cho các hệ thống laser tự vệ trên không, điện tử. thiết bị chiến tranh và radar với AFAR, như đã đề cập ở trên.
Sự hiện diện của các nguồn cung cấp điện và không khí mạnh mẽ trên máy bay VTOL sẽ giúp bạn có thể loại bỏ hoàn toàn hệ thống truyền động thủy lực không đáng tin cậy và gây cháy nguy hiểm để chuyển sang truyền động điện và khí nén.
Cùng với nhiên liệu, không khí là thành phần quan trọng nhất cho phép động cơ tuốc bin phản lực phát huy hết các đặc tính vốn có của nó. Có những tình huống khi lượng không khí cung cấp cho động cơ tuốc bin phản lực lắp trên máy bay trở nên không đủ. Sự cố này có thể xảy ra khi máy bay được khai thác ở sân bay tầm cao, ở độ cao bay hoặc trong quá trình cơ động tập trung.
Trong tình huống này, một máy bay VTOL đầy hứa hẹn có thể sử dụng một quạt nâng để bơm lượng không khí bổ sung vào động cơ, với các cánh trên mở và cánh dưới đóng lại. Trong trường hợp này, luồng không khí qua các kênh đặc biệt sẽ đi vào cửa hút động cơ tuốc bin phản lực, cho phép nó hoạt động với công suất cực đại.
Quạt nâng VTOL F-35B
Ví dụ, ở một nơi nào đó trên một sân bay tầm cao, một máy bay chiến đấu “cổ điển” với đầy đủ tải trọng chiến đấu sẽ cần một đường băng dài 300 km để cất cánh, trong khi máy bay VTOL, do được trang bị thêm động cơ phản lực. lượng không khí, sẽ thực hiện cất cánh “ngang” từ đường băng dài 500–XNUMX mét.
Những phát hiện
Việc tăng công suất cụ thể và tối đa, đốt sau và không đốt sau của động cơ tuốc bin phản lực phần lớn loại bỏ sự khác biệt giữa máy bay "cổ điển" và máy bay VTOL.
Có thể giả định rằng các đặc điểm của máy bay chiến đấu "cổ điển" và máy bay VTOL hứa hẹn sẽ khác nhau trong vòng 10-15%. Ví dụ, một máy bay VTOL sẽ có tải trọng chiến đấu ít hơn 1–2 tấn, có thể chịu được nếu một máy bay “cổ điển” có 8 tấn và máy bay VTOL có 6–7 tấn, tất cả đều như nhau, máy bay chỉ đơn giản là không có đủ các điểm treo, đặc biệt là thân máy bay, để treo vũ khí trên một khối lượng lớn như vậy. Hoặc phạm vi di chuyển của máy bay "cổ điển" sẽ nhiều hơn 200-300 km so với máy bay VTOL, điều này không quan trọng khi nó khoảng XNUMX-XNUMX nghìn km.
Đồng thời, máy bay VTOL sẽ có những ưu điểm mà trên máy bay chiến đấu “cổ điển” không thể có được.
Trong điều kiện sự phát triển cách mạng của trinh sát không gian и vũ khí chính xác tầm xa, bao gồm cả siêu âm, chỉ có khả năng phân tán máy bay chiến đấu trên các sân bay ngụy trang nhỏ mới có thể đảm bảo khả năng sống sót của hàng không chiến đấu trong trường hợp bị đối phương tấn công bất ngờ.
Sự kết hợp giữa máy bay VTOL và các dịch vụ tiên tiến để triển khai hoạt động của các sân bay di động sẽ giúp tạo ra một phi đội máy bay chiến đấu có khả năng chống lại các cuộc tấn công sâu của đối phương.
Và, tất nhiên, máy bay VTOL cũng sẽ tìm thấy vị trí thích hợp của họ trong hải quân Nga Hải quân (Hải quân).
- Andrey Mitrofanov
- Amntksoyuz.ru, tạp chí.almaz-antey.ru
tin tức