Кластерный мотор поднимет самолёт силой воздуха

Вариантов вертикального взлёта машин (обычные вертолёты – не в счёт) – очень много. Это и поворотные роторы, и управляемый вектор тяги реактивного движка, и прочее, и прочее. Но японцы ухитрились придумать новый тип такой силовой установки.

Японское аэрокосмическое агентство JAXA разрабатывает оригинальную концепцию лёгких пилотируемых аппаратов вертикального взлёта и посадки, так называемых VTOL.

Нужно подчеркнуть, что пока это не проект конкретного летательного аппарата, а общая идея, проработанная, впрочем, во многих деталях.

 

 

И касается она двигателей для таких машин.

Называется изобретение — "Кластерный вентиляторный двигатель" (cluster fan engine). Если посмотреть на рисунок, видно, что это целая гроздь движков, причём разнокалиберных. Почему так, и где они все должны располагаться?

Те движки, которые покрупнее, японцы назвали core engine, что можно перевести как "основные двигатели". Их может быть несколько штук. На данном рисунке показано три. Россыпь небольших движков названа, собственно, кластером, а каждый из них – это cluster fan – "кластерный вентилятор".

Упрощённая схема кластерного двигателя (иллюстрация JAXA).

Чтобы понять, зачем такие сложности, надо вспомнить про турбовентиляторные реактивные двигатели. В них есть несколько основных узлов. Многоступенчатый компрессор (в виде ряда колёс с лопатками), который сжимает воздух, камера сгорания, куда подаётся топливо, турбина, в которой горячие газы расширяются, раскручивая компрессор, сопло, из которого бьёт реактивная струя, и вентилятор.

А этот зверь, по сути, огромный многолопастный "винт", который вращается как и колёса компрессора за счёт работы турбины, и который прогоняет огромную массу воздуха мимо основного тракта движка – прямо назад.

Двухконтурные реактивные движки, в которых внешний контур даёт существенно большую часть общей тяги – и есть турбовентиляторные. Они отличаются хорошей экономичностью и сравнительно низким уровнем шума.

Но вот беда – такие движки, обычно, очень крупные. А если нам нужно ещё их и поворачивать на 90 градусов (если мы хотим сделать самолёт-VTOL) – это становится проблемой.

	Разрез турбовентиляторного двигателя. 1 – вентилятор, прогоняющий воздух по внешнему контуру; внутренний контур (где сжигается топливо): 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – турбина (иллюстрация JAXA).

Так вот, инженеры JAXA решили расчленить турбовентиляторный двигатель на две части: простой одноконтурный турбореактивный движок и вентилятор, дающий тягу за счёт выбрасывания большой массы воздуха.

А чтобы разместить их на самолёте можно было каким угодно причудливым образом, придумали следующее. В том месте, внутри одноконтурного движка (того самого core engine), где свежий воздух достигает наибольшего давления, то есть – перед камерой сгорания, сделали ответвление: небольшую трубку, через которую сжатый воздух направили в отдельно стоящий cluster fan. Каждый такой агрегат представляет собой вентилятор в корпусе и маленькую турбину.

Сжатый воздух раскручивает турбину до больших оборотов. Она, через понижающую передачу, вращает вентилятор, который гонит через корпус воздух из атмосферы, создавая тягу.

Если быть точными, так выглядел первый вариант кластерного вентилятора. Во втором варианте инженеры сумели обойтись без шестерёнок. Просто лопатки турбины высокого давления расположили снаружи вращающегося "бочонка", скрывающего в себе вентилятор. И никаких передач не понадобилось.

Два варианта кластерного вентилятора. На врезке: с отдельной пневмотрубной, раскручивающей вентилятор через шестерни (зелёная стрелка – подача воздуха от основных движков). На основной картинке: более поздний и более простой вариант, с пневмотурбиной, расположенной снаружи корпуса вентилятора. Стрелки показывают, что сжатый воздух будет проходить по каналам сложной формы, для наиболее полного использования энергии в турбине. Внутри – собственно, вентилятор (иллюстрация JAXA).

Наличие пневматической связи между несколькими основными движками и несколькими кластерными вентиляторами означает не просто свободу компоновки летательного аппарата.

Авторы проекта предлагают сделать основные движки тяговыми, маршевыми, а оси многочисленных cluster fan расположить вертикально – они должны обеспечивать машине вертикальные подъём и посадку.

Очевидно, пока работают кластерные вентиляторы, значительная потеря воздуха в районе камер сгорания основных двигателей не позволит им развивать большую тягу. Но она в этот момент и не нужна.

А вот по мере разгона машины, когда её вес возьмут на себя крылья, кластер из вентиляторов отключится от пневматических магистралей, остановится и даже может быть скрыт поворачивающимися створками, для снижения сопротивления воздуху.

В этот момент основные двигатели смогут полностью использовать "приготовленный" ими же сжатый воздух для сжигания топлива, то есть – для создания максимальной тяги.

Как бонус кластерной системы японцы рассматривают безопасность. Когда машину поднимает в воздух несколько десятков небольших вентиляторов, остановка нескольких штук, скажем, из-за нарушения герметичности части пневматических линий, не повлияет на полёт машины.

То же и с основными движками. Если их будет штук шесть или, к примеру, двенадцать – поломка двух-трёх не приведёт к падению машины.

К тому же, маленькие и очень простые одноконтурные движки не только надёжны. Их легко ремонтировать – снимать с самолёта и ставить обратно. Аналогично легко выполняется ремонт любого из кластерных вентиляторов.

"Кластерный" самолёт сможет летать и как обычно, с посадкой на полосу аэродрома и обычным взлётом (иллюстрация JAXA).

JAXA набросало эскиз такого четырёхместного самолёта. Как видно из рисунка, самолёт выполнен по схеме утка. Его габариты 8,5 (длина) × 7,1 (размах крыла) × 3,1 (высота) метра. Полная взлётная масса – 2,5 тонны.

Основные движки, стоящие в хвосте машины, сгруппированы в два блока по 7 штук. Кластерные подъёмные вентиляторы, расположенные внизу фюзеляжа, выполнены в виде двух блоков по 21 вентилятору в каждом.

Расчётная максимальная скорость этого аппарата – 557 километров в час, дальность полёта – 1150 километров, потолок – 7,62 километра.

Судя по всему, здесь должна быть предусмотрена разветвлённая пневмосистема, с дублирующими линиями и предохранительными клапанами. Она позволит вентиляторам подъёма раскручиваться даже при остановке некоторых основных движков. Лишь бы оставшиеся давали какое-то давление в пневмосистему.

Ну, а на крайний случай остаётся планирование и посадка по-самолётному, с пробегом по полосе.

О возможной постройке действующего образца самолёта вертикального взлёта с кластерными двигателями – японцы ничего не сообщают. Да и о рациональности такой схемы можно ещё поспорить. Но, во всяком случае, выглядеть такая машина в небе должна весьма экзотично. А это уже неплохо.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru