Двигательные варианты — от Ту-104 до МС-21

В всемирном коммерческом авиастроении ещё с 1960-х годов считается хорошим тоном предлагать самолёт с двумя или даже тремя вариантами двигателей от различных производителей. Это снижает риски программы, и позволяет заказчикам избрать оптимальный по цене и стоимости эксплуатации вариант.

К сожалению, сегодня в отечественной авиации это условие выполняется только на новейшем пассажирском самолёте МС-21. Тот же Суперджет не имеет альтернативы двигателю SaM146.

* * *

В первые десятилетия всемирный авиации либо самолёт создавался под определённый двигатель, либо двигатель разрабатывался под определённый летательный аппарат. Появление на аэроплане нового мотора могло случиться лишь некоторое время спустя, когда появлялся новый, более мощный или эффективный двигатель.

Та же тенденция сохранилась и в начале реактивной эры, когда транспортирования пассажиров авиатранспортом стали массовыми. Возможна была лишь модернизация мотора под новые требования к самолёту. Например, первый советский реактивный пассажирский аэроплан Ту‑104 разработали в первой половине 1950-х годов под существовавший и уже использовавшийся на бомбардировщиках Ту‑16 двигатель АМ‑3 конструктора Александра Микулина. В 1960-е годы рассматривалась возможность переоборудования доли самолётов Ту‑104 одновременно с Ту‑16 двигателями НК‑8 разработки КБ Николая Кузнецова (позже НК‑8 ставился на самолёты Ту‑154 и Ил‑62). В случае реализации идеи парк Ту‑104 мог очутиться смешанным — с АМ‑3 и НК‑8. Но проект так и не был реализован: самолёт к тому моменту уже морально устарел, выпускать его одновременно с двумя разными моторами посчитали нецелесообразным. Скоро и производство Ту‑104 с АМ‑3 прервалось.

Ситуация начала меняться под давлением экономических факторов. Коммерциализация гражданского авиастроения, рост стоимости создания самолётов, повышение цен на горючее, ужесточение глобальной конкуренции и иные факторы заставили искать новые способы борьбы за клиента.

Стоимость двигателей составляет 25–30 процентов от стоимости самолёта. Затраты на их сервис и ремонт составляют самую большую долю эксплуатационных расходов. Поэтому правильный выбор двигателя позволяет авиакомпаниям оптимизировать затраты за счёт цельного ряда факторов.

Следует отметить, что рынок самих двигателей и их обслуживания во многом развязан с рынком собственно самолётов. У крупной авиакомпании зачастую складываются длительные взаимоотношения с двигателестроительной фирмой по финансовым и техническим вопросам. Естественно, авиаперевозчик стремится сохранить это партнёрство при переходе на новый тип самолёта.

Национальная принадлежность и всемирный авторитет производителя двигателя часто оказываются серьёзным подспорьем при продвижении самолёта на тот или иной рынок. Этот же фактор порой становится существенным при получении аэропланом зарубежного сертификата типа, который является необходимым условием для выхода на многие рынки.

В результате создатели самолётов решили выводить на базар лайнеры, адаптированные к двигателям разных типов.

В начале 1960-х годов компания Boeing вела разработку самолёта малой и средней дальности B727 сообразно требованиям трёх крупнейших американских авиакомпаний — United Airlines, American Airlines и Eastern Air Lines.

Конструкторы, в соответствии с запросами United Airlines и Eastern Air Lines, первоначально предполагали ввести на лайнере двигатель RB163 Spey компании Rolls-Royce, прототип которого разработали ещё в 1954 году.

На американском рынке производство RB163 вела компания Allison. Однако к тому моменту у компании Pratt & Whitney показался более эффективный турбовентиляторный мотор JT8D, который она тоже предложила для нового самолёта. American Airlines, а затем и United Airlines пожелали владеть этот двигатель на B727. Некоторое время планировалось предлагать заказчикам два варианта самолёта — с RB163 и с JT8D. Но вскоре Eastern Air Lines «сломалась» и тоже отдала предпочтение двигателю Pratt & Whitney. В итоге B727 выпускался только с различными модификациями JT8D.

Новую, и на этот раз удачную, попытку предприняли в Западной Европе. Во второй половине 1960-х годов сделалось ясно, что разрозненные европейские авиапроизводители проигрывают конкуренцию американцам, и прежде всего компании Boeing. Поэтому в сентябре 1967 года британское, французское и западногерманское правительства подмахнули меморандум о взаимопонимании по совместной разработке широкофюзеляжного лайнера — 300-местного Airbus 300.

Чтобы догнать заокеанских конкурентов, на самолёте внедрили бесчисленные инновационные технические решения. Например, A300 стал первым в мире двухдвигательным широкофюзеляжным самолётом. Это позволило существенно снизить расход топлива по сравнению с трёхдвигательными американскими конкурентами. Покрывало с улучшенными аэродинамическими характеристиками позволило A300 выходить на крейсерскую высоту быстрее, чем пассажирские самолёты того времени.

Однако для сокращения сроков разработки и расширения базаров сбыта самолёт изначально проектировался под уже существующие на тот момент двигатели, подходящие по характеристикам. Рассматривались британский RB207 от Rolls-Royce, а в качестве альтернативы американские JT9D от Pratt & Whitney и CF6–50 от General Electric. Для привлечения потенциальных клиентов на американском базаре предпочтение отдали CF6–50, а для поддержки европейских производителей договорились, что моторы будут производиться совместно General Electric и французской фирмой Snecma.

Спустя несколько месяцев после такого решения, в апреле 1969 года, британское правительство огласило о выходе из проекта. Французы, игравшие первую скрипку в той панъевропейской программе, использовали тот Brexit — выход Великобритании из проекта — для развития своего штатского двигателестроения. Фирма Snecma, ставшая соисполнителем General Electric по двигателю CF6–50, позже образовала с ней совместное предприятие CFM International, которое разработало весьма популярный ныне двигатель CFM56. Так в итоге Airbus стала франко-германской компанией, а их первое детище получило два варианта американских двигателей — основной CF6–50 и альтернативный JT9D.

Программу А300 и последовавшую за ней A310 (дальнемагистральная версия A300) поддержали заказами национальные авиаперевозчики производителей — компании Air France и Lufthansa. Итого же был продан 561 A300 и 255 A310. Другим, существенно более значимым результатом программы A300 стало рождение мирового гиганта Airbus.

Сложно произнести, больше потеряла или приобрела компания Rolls-Royce от этой истории. В тот момент основные её усилия сосредоточились на создании нового двигателя RB211 для проекта аэроплана L‑1011 компании Lockheed. Двигатель был готов только к 1972 году. В то же время успех программы A300 и появление сильного европейского конкурента принудили Boeing все свои самолёты — и новые, и модернизированные — продавать с двумя или даже тремя типами двигателей. К тому моменту Boeing уже серийно изготавливал среднемагистральные B737 (с двигателями JT8D производства Pratt & Whitney), запустил в серию широкофюзеляжный B747 (с силовой установкой из четырёх JT9D тоже от Pratt & Whitney) и начинов рассматривать варианты замены узкофюзеляжного B727. В результате появился проект среднемагистрального узкофюзеляжного лайнера B757. Первые заказчики этого аэроплана — Eastern Air Lines и British Airways —из предложенных вариантов силовой установки выбрали модернизированный RB211 от Rolls-Royce, созданный для L‑1011. Так был создан прецедент: впервые в производство запустили американский авиалайнер с двигателями, произведенными за пределами США.

Впоследствии авиакомпания Delta Air Lines заказала 60 B757 с ближними по характеристикам двигателями из семейства PW2000 компании Pratt & Whitney. Ещё один американский производитель двигателей — General Electric — тоже предложил на B757 собственный мотор CF6–32, но в конце концов отказалась от участия в программе из-за недостаточного спроса на этот двигатель. В итоге в декабре 1982 года B757 сертифицировали с двигателями Rolls-Royce, а в ноябре 1984 года — с двигателями Pratt & Whitney. Аэроплан так и предлагался покупателям с двумя видами главной силовой установки на выбор до окончания производства в 2004 году.

В дальнейшем компания Boeing продолжила практику предлагать свои лайнеры с двигателями от различных производителей. Так, при запуске новоиспеченного широкофюзеляжного авиалайнера B767, разрабатывавшегося по времени параллельно с B757, впервые сразу предлагалось более одного варианта двигателя — либо JT9D от Pratt & Whitney, либо CF6–80 от General Electric. Из шести первых многоопытных B767, изготовленных в 1981 году для лётных испытаний, четыре оснастили JT9D, два — CF6–80. В 1982 году лайнер с обоими типами двигателей сертифицировали. А в феврале 1990 года B767 оснастили даже третьим образом двигателя — ещё одной модификацией RB211 от Rolls-Royce.

В начале 1980-х годов была разработана новая модификация широкофюзеляжного двухпалубного B747–400, какой стали предлагать заказчикам сразу с тремя видами силовой установки — двигателями PW4056 компании Pratt & Whitney, CF6–80 от General Electric и новоиспеченной версией RB211 от Rolls-Royce. С тех пор Boeing традиционно предлагает для каждого своего пассажирского лайнера не менее двух вариантов силовой установки.

По тому же линии старается идти компания Airbus. Для своего широкофюзеляжного дальнемагистрального A330 компания выбрала сразу три типа двигателей: CF6–80 от General Electric, PW4000 от Pratt & Whitney и Trent 700 от Rolls-Royce.

Один-единственным дальнемагистральным самолётом, который изначально планировался к производству только с одним типом главной силовой установки — четырьмя двигателями CFM56 от CFM International, — сделался в 1980-х годах Airbus A340. Однако рынок взял своё, и удлинённые версии 1990-х годов A340–500 и A340–600 оснастили моторами Trent 500 от Rolls-Royce.

Примечательно, что из всех созданных в 1980-х годах аэропланов именно A340 первым потерял перспективы совершенствования, из-за чего в 2011 году был снят с производства.

Зарубежные самолёты XXI века — A380, B787 и A350XWB — изначально проектировались в расчёте на два образа двигателей каждый. Заказчики «двухэтажного» Airbus A380 выбирают между Trent 900 от Rolls-Royce и GP7000 от Engine Alliance, в который соединились General Electric, Pratt & Whitney, Snecma и немецкая MTU. Покупателям Boeing B787 предлагаются в качестве главной силовой установки либо два Trent 1000, либо два GEnx-1B от General Electric.

И лишь в случае с силовой установкой для широкофюзеляжного дальнемагистрального Airbus A350XWB произошёл отход от уже сложившейся традиции. Rolls-Royce предложил для него свой специально разработанный Trent XWB. В качестве второго поставщика Airbus пригласила в 2006 году General Electric и Pratt & Whitney.

General Electric предложила GP7000, уже поставлявшийся для A380. Но Airbus рассчитывала на лучшую версию. Желая Pratt & Whitney соглашалась модернизировать для A350XWB свою часть GP7000, с General Electric договориться не удалось. Тогда в июне 2007 года крупнейшие заказчики A350XWB — авиакомпании Emirates, US Airways, Hawaiian Airlines и ILFC — согласились на один-единственный вариант силовой установки в виде Trent XWB.

Помня об успехе A300, свой новый среднемагистральный лайнер A320 компания Airbus вывела на базар в 1988 году с двигателями двух производителей. Основным мотором стал CFM56 от уже проверенного 300-м проектом американо-французского альянса CFM International, альтернативным — V2500 совместного предприятия International Aero Engines, основанного британской Rolls-Royce при участии американской компании Pratt & Whitney, японской Japanese Aero Engine Corporation, итальянской Fiat и немецкой MTU Aero Engines.

Свою основную задачу — потеснить Boeing B737 на самом ёмком в финансовом плане сегменте авиационного базара — A320 успешно выполнил. Американский гигант, чтобы не потерять конкурентоспособность, модернизировал свой 737-й, первые модификации которого поступили в эксплуатацию ещё в 1968 году с один-единственным типом двигателя — JT8D от Pratt & Whitney. Обновлённое семейство, получившее общее наименование B737NG (NG от Next Generation), оснастили теми же двигателями CFM56.

Узкофюзеляжные проекты Boeing и Airbus очутились чрезвычайно успешными. Однако в середине 2000-х годов стало ясно, что семейства A320 и тем более B737 постепенно устаревают. На создание принципиально новоиспеченных машин Boeing и Airbus на фоне ожесточённой гонки в сегменте дальнемагистральных самолётов не решились. Ставка была сделана на ремоторизацию, в результате какой были созданы семейства B737 MAX и A320neo. Считается, что «neo» в его названии — это аббревиатура, которая произошла от new engine option — новый вариант двигателя.

И тут Airbus очутилась в более выгодном положении. A320neo, как самолёт более новый, позволяет использовать двигатели с существенно более высоким уровнем двухконтурности. Однако чтобы повысить двухконтурность, необходимо увеличивать диаметр двигателя. Для B737 с малым расстоянием от земли до крыла этот параметр оказался критическим, а для модификации B737NG пришлось даже мастерить приплюснутые мотогондолы. Без кардинальных переделок самолёта на ремоторизированные B737 MAX можно было устанавливать только двигатель CFM LEAP — усовершенствованный CFM56.

A320neo предлагается же заказчикам на выбор с CFM LEAP и новоиспеченным PW1100G от Pratt & Whitney. Буква «G» в названии второго мотора говорит о том, что это двигатель с редуктором (gear), позволяющим выбрать оптимальное соотношение скорости вращения компрессора в первом очертанье и вентилятора — во втором.

Эксплуатация в авиакомпании Lufthansa первых A320neo, оснащённых PW1100G, стартовала в феврале 2016 года. По её первым результатам расход топлива сократился немало чем на 15%.

Ремоторизация созданных несколько десятилетий назад самолётов позволяет продлить им жизнь, но не решает всех проблем. Для существенного улучшения лётных характеристик и, соответственно, экономичности необходимо проектировать аэроплан и двигатель в одной связке. Показательный пример: для установки на B737 MAX диаметр двигателя CFM LEAP пришлось уменьшить с 1,98 до 1,76 м, что привело к снижению степени двухконтурности с 11 до 9.

Разработчики A320neo смогли вписать в конструкцию аэроплана PW1100G, имеющий диаметр 2,1 м. Однако аэродинамика машины, изначально рассчитанная на двигатель диаметром 1,73 м, от такой ремоторизации как минимум не улучшилась.

А сейчас, после исторического экскурса в американо-европейское авиастроение, вернёмся в современную Россию.

Нетрудно заметить, что у программы МС-21 много общего с A300. В обоих случаях задача ставится вернуться с конкурентоспособным продуктом на вырастающие внутренний и зарубежный рынки. Как и в случае с A300, для её решения пришлось использовать все резервы улучшения лётно-технических и экономических характеристик самолёта.

Расчёты, проведенные в начине 2000-х годов, привели к выводу, что ни один из существовавших на тот момент в мире двигателей не позволял добиться требуемого повышения топливной эффективности. К половине 2000-х годов были сформирмулированы требования к двигателю нового поколения, что позволило начать переговоры с ведущими двигателестроителями России и мира. Готовых двигателей, позволяющих реализовать концепцию МС‑21, на тот момент ни у кого не было. Потому было решено ориентироваться на перспективные разработки, задел по которым в той или иной степени имелся у всех основных участников рынка.

В России утилитарны безальтернативным вариантом были разработки «пермского куста». Сегодня это комплекс «ОДК — Пермские моторы», который включает КБ «Авиадвигатель» и Пермский моторный завод. В 2000-е годы в Перми спускали и дорабатывали двигатель ПС-90 и вели проработки по перспективному мотору ПС-12. Однако уже тогда было ясно, что без серьёзных государственных инвестиций и помощи иных двигателестроителей России в необходимые сроки создать мотор нового поколения будет затруднительно.

Что касается Суперджета, двигатель SaM146 участвовал в конкурсе совместно с проектами PW800 (Pratt & Whitney), CF34 (General Electric) и BR710 (Rolls-Royce). В апреле 2003 года он был избран фирмой Сухого для установки на Superjet 100. Двигатель производится компанией PowerJet — совместным предприятием французской Snecma и НПО «Сатурн».

Двигатель SaM146 компания Snecma разрабатывала на базе CFM56, от своего предтечу он унаследовал общую архитектуру и новые технологические решения. Общее количество деталей в SaM146 меньше примерно на 20%, чем у CFM56.

Исследуя иностранные варианты, корпорация «Иркут» вела переговоры со всеми членами большенный тройки: Rolls-Royce, CFM International и Pratt & Whitney. Первые две компании, каждая по своим причинам, к 2007–2008 годам снялись с гонки. Сотрудничество с Pratt & Whitney продолжилось и очутилось продуктивным. Облик двигателя нового поколения, получившего наименование PW1400G, был определён специалистами «Иркута» и Pratt & Whitney в 2007 году.

С точки зрения совершенства аэроплана его создание в комплексе с перспективным двигателем имеет свои преимущества. Заместитель генерального директора ЦАГИ — начальник комплекса аэродинамики и динамики полёта Сергей Ляпунов в 2014 году отметил: «При проектировании покрывала МС-21 тонкая доводка аэродинамики проводилась с учётом форм и размеров мотогондол конкретных типов двигателей, которые предполагается установить на самолёт. Это подаёт МС-21 определённое конкурентное преимущество».

Работы по PW1400G велись по графику, и в 2015 году двигатели для первого самолёта были поставлены на Иркутский авиационной завод. С ними 28 мая 2017 года МС-21 выполнил собственный первый полёт. К плановому сроку коммерческой эксплуатации МС-21 двигатель PW1400G подойдёт в хорошо отработанном виде, поскольку его предшественники — PW1100G и PW1500G — «переболеют ребяческими болезнями» на самолётах A320neo и Bombardier CSeries. Ранее полученный PW1100G сертификат типа упростит международную сертификацию МС-21 с близким по конструкции PW1400G.

Полномасштабная комплексная труд по созданию нового российского двигателя для гражданских и транспортных самолётов началась в 2008 году. За основу были взяты научно-технический и технологический заделы, наработанные «Авиадвигателем», ведущими институтами и иными предприятиями отрасли. Двигатель получил наименование ПД-14. Первое публичное представление проекта состоялось на авиасалоне МАКС-2009. Разработка базового варианта ПД-14 велась с прицелом на сформированный лицо самолёта МС-21.

В декабре 2017 года стартовал заключительный, третий этап лётных испытаний опытного ПД-14 на летающей лаборатории Ил-76ЛЛ. На завершающей стадии есть и масштабные стендовые испытания двигателей опытной партии. Российский сертификат типа на ПД-14 планируется получить в 2018 году, а уже к концу года ОДК должна приступить к отгрузке первых серийных ПД-14. Стартовый контракт на поставку пяти ПД-14 для проведения сертификационных испытаний ремоторизованной версии аэроплана МС-21 был заключен между «ОДК — Пермские моторы» и корпорацией «Иркут» в январе 2018 года.

Лётные испытания МС-21 с силовой установкой из двух ПД-14 должны завязаться в 2019 году, а сертификация МС-21 с ПД-14 запланирована на 2021 год, после чего самолёты в такой комплектации смогут начать поступать в эксплуатацию.

Российские двигатели будут устанавливаться на половину из первых 630 аэропланов, поэтому Аэрофлот получит все МС-21 с двигателями Pratt&Whitney, Red Wings — четыре самолёта с ПД-14 и 12 с PW1400G.

По договорённости с американским производителем на 315 из 630 МС-21 может быть введён российский двигатель ПД-14 без дополнительного согласования с P&W.

Из первых 110 самолётов 35 будут выпущены с ПД-14, а 75 — с PW1400G. В следующей партии из 240 МС-21 российский двигатель получат 115 аэропланов, американский — 125. Затем в партии из 279 самолётов ПД-14 поставят на 165 машин, а PW1400G — на 115. С 631-го самолёта выбор двигателя останется на усмотрение заказчика.

Сочетание двух двигателей — PW1400G и ПД-14 — выглядит оптимальным для МС‑21, ориентированного и на внутренний, и на внешний базар.

ПД-14 рассматривается как родоначальник большого семейства газотурбинных установок различного назначения.

По материалам журнала ОАК «Горизонты №1 (17). 2018