Motor de avión con rotor abierto: una oportunidad perdida para Rusia
Ejemplos de colocación de un prometedor motor de avión turbohélice.
rotor abierto
Los sueños de los gerentes de aviación industria para mantenerse dentro de los límites de la decencia es muy difícil. En el extranjero, creen seriamente que para 2050, la aviación global será neutra en carbono, es decir, los aviones no producirán ningún exceso de dióxido de carbono. Más precisamente, las emisiones no desaparecerán por ningún lado, pero serán compensadas por nuevos tipos de combustible, así como por la captura directa de dióxido de carbono de la atmósfera.
historia suena un poco absurdo: en los últimos cinco años, la aviación mundial ha aumentado las emisiones de COXNUMX en un tercio2. A pesar de ello, la Organización de Aviación Civil Internacional (más conocida como OACI) adoptó el pasado mes de septiembre una resolución de cero emisiones de dióxido de carbono.
Ahora parece un poco fantástico, especialmente a la luz de la operación especial rusa y las sanciones internacionales. En pocas palabras, ¿qué tiene esto que ver con la Rusia moderna?
El hecho es que la notoria aviación neutral en carbono, en cualquier forma que aparezca, tarde o temprano conquistará los aeropuertos del mundo. Y puede resultar que el MS-21 nacional y el SSJ-100 New en quince o veinte años ni siquiera puedan ingresar a los aeropuertos de China y Turquía. Los motores estarán demasiado "sucios". Todo lo que queda es comprar equipos de aviones en el extranjero, lo cual es muy poco probable, o lanzar portaaviones desde países amigos.
La OACI planea eliminar las emisiones de carbono más de una vez: el próximo endurecimiento de los estándares está previsto para 2026 y 2037. Mirar hacia el futuro es una tarea ingrata, pero los viajes aéreos están creciendo entre un 3 y un 5 por ciento cada año, lo que para 2050 aumentará las emisiones de dióxido de carbono de los motores de los aviones entre 3 y 3,5 veces en comparación con 2020.
Los motores de hidrógeno neutros en carbono y los motores eléctricos con hélices no deben considerarse seriamente: estos son diseños demasiado revolucionarios. El futuro es definitivamente para soluciones evolutivas que permitirán, al menos parcialmente, acercarse a las fantasías de la OACI. Uno de ellos, por supuesto, es el motor de avión turbohélice o propfan, que es un producto complejo de la evolución del motor turbohélice.
La característica clave del "rotor abierto" de CFM International es la segunda fila fija de palas.
Históricamente, la aparición del propfan está asociada a la crisis del petróleo de los años 70, que impulsó a los constructores de motores a buscar esquemas económicos. Un propfan abierto se diferencia de un turbohélice clásico por una gran cantidad de palas y una forma especial.
Si está completamente de acuerdo con el libro de texto, entonces el tornillo puede considerarse un propfan si hay más de ocho cuchillas y se ven como sables en el contorno. Esto le permite reducir la velocidad, para no alcanzar velocidades supersónicas, lo que lleva al "efecto de bloqueo", es decir, a una fuerte caída de la eficiencia. Al aumentar el número de palas, no hay necesidad de aumentar el diámetro de la hélice, lo que es beneficioso para el diseño de la aeronave.
Sobre el papel, un ventilador abierto le permite ahorrar, en igualdad de condiciones, hasta un 20-30 por ciento de combustible. Esto solo se logra con un gran nivel de ruido. Por ejemplo, el ventilador turbohélice D-27, desarrollado a finales de los años 80 en la Oficina de Diseño de Progreso en Zaporozhye, que en 2005 apenas recibió un Certificado de Tipo para el ruido en el suelo, es excelente. Se suponía que el motor estaba montado debajo del ala del transporte An-70.
Ni el avión ni el motor han estado vivos durante mucho tiempo. Así como el NK-93 ya no está vivo: un motor de avión turbohélice con capó desarrollado para el prometedor transporte militar Il-106 en el Complejo Científico y Técnico de Samara que lleva su nombre. Kuznetsova.
Desde el exterior puede parecer que el motor pertenece a un turborreactor, solo que con un alto grado de derivación. Pero esto no es así: el ventilador frontal tiene ocho aspas y el segundo tiene diez, lo que convierte automáticamente el producto en la categoría de ventiladores turbohélice.
NK-93 (arriba) y D-27
Se suponía que la campana gigante que rodeaba el ventilador reduciría los niveles de ruido.
El principal problema de un motor con un empuje de 18 toneladas es un diámetro de tres metros, lo que obliga a reconsiderar seriamente el diseño de la aeronave.
Sea como fuere, Rusia actualmente no está realizando trabajos de desarrollo en el NK-93 o su análogo, sin mencionar el replanteamiento del diseño del D-27 que alguna vez fue doméstico. El tema de rotor abierto, ventilador abierto o propfan no va más allá de la investigación teórica.
Mientras está en el extranjero, recibe mucha atención.
RISE
Requisitos para reducir el consumo de combustible y, como resultado, para reducir las emisiones de dióxido de carbono, obligados en el extranjero a retirar el rotor abierto.
Desde el verano de 2021, la empresa franco-estadounidense CFM International ha estado trabajando en el proyecto Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE). El ambicioso objetivo es reducir el consumo de combustible en un 20 por ciento en comparación con los homólogos más económicos de la clase. Los ingenieros proponen desarrollar un producto modular capaz de funcionar con hidrógeno, así como con un ventilador impulsado por un motor eléctrico.
Los desarrolladores abandonaron el esquema birotacional que subyace a todos los propfan y open fan desarrollados anteriormente. Un par de ventiladores en el mismo eje del motor giraban en diferentes direcciones, lo que aumentaba el empuje, pero aumentaba significativamente el ruido aerodinámico.
Así fue con el D-27, y con el NK-93 encapuchado, y con el experimentado estadounidense GE36 y P&W Allison 578-DX.
Una pequeña digresión.
CFM International fue fundada en 1974 por dos empresas: la estadounidense GE Aviation y la francesa Snecma, que es una subsidiaria de Safran. Los franceses siempre han tenido un anhelo especial por las soluciones exóticas, y el "abanico abierto" no fue una excepción.
Prueba birotacional de "ventilador abierto" de Safran en 2017. No entró en la serie, aunque proporcionó un 15% de economía de combustible.
En 2017, Safran completó el trabajo en el turbohélice de empuje del proyecto SAGE 2. El diseño fue reconocido como exitoso, pero las condiciones del mercado no prometían el éxito del mercado: las soluciones neutrales en carbono de la OACI aún estaban lejos. Aunque el 15 por ciento de queroseno ahorrado impresionó a muchos.
Y ahora CFM International vuelve al tema, pero esta vez se decidió abandonar el circuito del empujador y el segundo ventilador en el eje. En lugar del segundo rotor, hay paletas de guía fijas que solo pueden cambiar su paso. Según lo planeado, esto debería reducir significativamente las perturbaciones del flujo de aire detrás del rotor principal.
Está previsto que las pruebas de banco del motor de avión del proyecto RISE comiencen en 2026.
Se proyecta un abanico abierto con un diámetro de cuatro metros. Esto, por cierto, es un saludo a todos los escépticos que enterraron el NK-93 doméstico con su sección transversal de tres metros. Digamos que el motor del avión no cabría en ningún lado. Los franceses y los estadounidenses piensan de manera diferente. Según los cálculos, el motor RISE con un empuje de 13,6 toneladas debería proporcionar al portaaviones el mismo Mach 0,8 que los motores turborreactores de derivación alta tradicionales.
El gigante A-380 debería convertirse en un laboratorio volador para RISE
Lo más inusual de la historia es el presunto portador de un motor de avión prometedor.
CFM International estuvo de acuerdo con Airbus y enviaron un A-380 completo a los fabricantes de motores. Este es un gigante de dos pisos con cuatro motores, que lleva el título de avión de pasajeros más grande del mundo. Aunque ya no se produce en masa. Bajo su ala, planean colgar el primer motor de avión experimental y surcar los cielos. Aproximadamente el mismo NK-93 dominó el trabajo en el aire con el laboratorio de vuelo doméstico IL-76LL en Zhukovsky.
Por razones desconocidas, los autores del proyecto abandonaron el puesto de vuelo del Boeing 747. Aunque el "jumbojet" también es de cuatro motores, lo que garantiza la seguridad en caso de avería del prototipo. Es prematuro hablar sobre el uso de un "ventilador abierto" en aviones de fuselaje ancho; simplemente no tiene suficiente empuje para esto. Los consumidores típicos incluyen Fokker y Bombardier regionales.
Conceptualmente, la colocación de grandes motores no se considera debajo del ala, sino al frente, un poco por encima del borde del ala. O en la cola, que es especialmente beneficiosa para reducir el ruido en el habitáculo. Por supuesto, el esquema más preferido es con un ala alta, como en las familias An e Il-76.
Como puede ver, los aviones de transporte militar bien pueden convertirse en portadores de un motor de avión prometedor.
A pesar de la naturaleza inicialmente civil de un motor de avión, RISE claramente encontrará su lugar bajo las alas de los aviones de transporte militar. Especialmente si los desarrolladores logran cumplir sus promesas sobre las velocidades de vuelo. En igualdad de condiciones, incluso los militares no rechazarán una economía de combustible del 20 por ciento.
Rusia perdió la oportunidad de estar entre los líderes mundiales en el desarrollo de motores de aviones turbohélice. En Occidente, claramente están tomando la iniciativa en una especialización bastante estrecha, que en el futuro puede capturar todo el mercado.
Pero no todo está perdido: antes de la aceptación prevista en la serie RISE, todavía quedan entre ocho y diez años. Durante este tiempo, existen todas las oportunidades para ponerse al día y lograr la paridad con Occidente. Y las sanciones para los ingenieros rusos solo juegan en las manos aquí.
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