Мусорный вертел: управление вихрями защитит от пыли двигатели самолетов
В России разработали модель устройства для защиты от пыли и мелкого мусора двигателей самолетов. Это позволит увеличить их ресурс и безопасно эксплуатировать воздушные суда с низко расположенными силовыми установками на взлетно-посадочных полосах и перронах с грунтовым покрытием. Это расширит географию полетов, ускорит авиационное освоение российского Севера и Дальнего Востока, а также даст преимущества отечественным самолетам при экспорте в страны со слабо развитой аэродромной инфраструктурой.
Почему посторонние частицы попадают в двигатели самолетов
Ученые из Московского авиационного института (МАИ) предложили устройство, которое после внедрения в конструкцию самолетов поможет защитить двигатели от попадания пыли и мелкого мусора при взлете и посадке.
В частности, объяснили разработчики, усовершенствование позволит региональным и магистральным лайнерам, таким как «Сухой Суперджет-100», МС-21, Boeing-737 и Airbus-A320 и другим воздушным судам аналогичного класса, совершать рейсы в отдаленные уголки России. Кроме того, они смогут выполнять полеты в те части света, где недостаточно развита аэропортовая инфраструктура.
— Классические современные самолеты — это планеры с двумя турбовентиляторными двигателями, которые расположены под крылом, и тремя опорами шасси. Такая конструкция показала высокую надежность и эффективность. Однако низкое расположение двигателей делает их уязвимыми при попадании пыли и мелкого мусора, особенно при эксплуатации воздушных судов на слабо оборудованных площадках с грунтовым покрытием, — рассказал «Известиям» автор разработки, аспирант кафедры «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ Илья Ушаков.
По его словам, посторонние предметы всасывает внутрь силовых установок вихревыми течениями. Например, когда самолет разгоняется, то перед его воздухозаборниками образуется зона турбулентности, которая втягивает всё, что находится на земле, — от частиц песка до мелких камешков. Также мусор может попасть в двигатель, вылетев из-под колес передней стойки шасси.
Как устроена воздушная защита силовых установок
Чтобы понять эти процессы, была разработана специальная математическая модель, сообщил конструктор. Затем вычислительные модели подтвердили серией натурных экспериментов. В результате на основе полученных данных была предложена система активного подавления вихрей. Ее идея заключается в создании воздушных потоков, которые разрушают опасные вихри прежде, чем они успевают захватить посторонние предметы.
— Предполагается, что воздух для работы системы будет отбираться прямо из двигателя — от компрессора низкого давления (этот механизм также обеспечивает работу системы кондиционирования в самолете). Далее по специальным каналам струи направляют в зону образования вихрей. В результате формируется воздушная завеса. Она отсекает частицы, которые стремятся попасть внутрь силовой установки, — пояснил Илья Ушаков.
По его словам, расчетный вариант такого устройства предполагает удаление крупиц размером до 1 мм. Поскольку они главным образом, разгоняясь до скоростей 200–300 м/с, становятся причиной повреждения или выхода из строя различных частей и механизмов силовой установки. В дальнейшем систему спроектируют таким образом, чтобы интенсивность такой защиты можно было настраивать в зависимости от условий конкретного аэродрома или параметров полета.
Анализ мировой практики, уточнил конструктор, показал, что наибольший эффект может быть достигнут при модернизации воздушных судов, которые близки к завершению жизненного цикла. Именно их чаще переводят на грузовые маршруты и на наиболее удаленные направления. С учетом этого систему рассчитывают так, чтобы ее внедрение требовало минимум доработок и изменений конструкции самолета.
Как безопасно летать на аэродромы с грунтовым покрытием
— В конструкциях самолетов, где двигатели расположены под крылом, при пробеге по ВПП они становятся своеобразными «пылесосами». Механические средства, которые защищают от этих угроз, подвержены износу, а отскакивающие частицы ведут себя непредсказуемо. В отличие от них предлагаемая газодинамическая система может создать сплошной воздушный барьер, — объяснил «Известиям» заместитель начальника НИО конструкторского сопровождения эксплуатации филиала ПАО «Яковлев» — «Региональные самолеты» Роман Федоров.
При этом важно, отметил он, что интенсивность такой защиты можно регулировать. Правда, нужно учесть, что отбор воздуха от компрессора двигателя снижает его мощность. Поэтому для каждого рейса потребуется точный расчет.
В целом, предположил эксперт, разработка позволит авиакомпаниям для работы на грунтовых аэродромах доработать имеющиеся самолеты вместо покупки специально приспособленных для этих условий бортов. Это ускорит авиационное освоение российского Севера и Дальнего Востока самолетами типа «Сухой Суперджет-100» или МС-21. Также это даст преимущества при их экспорте в страны, где качественные взлетно-посадочные полосы — роскошь.
— Главная идея защиты двигателя проста: нужно помешать вихрю перед воздухозаборником засасывать мусор с полосы. Ученые рассчитали, что вероятность попадания частиц зависит от их размера и веса — это описывается числом Стокса, этот показатель помогает предсказать, как будут вести себя частицы в потоке, огибая препятствия, — поделился мыслями начальник отдела аэрофизики многофазных течений, разреженных газов и плазмы ЦАГИ Иван Амелюшкин.
Однако, добавил он, важно подтверждать расчеты натурными экспериментами. Компьютерное моделирование может давать погрешности из-за настроек или особенностей расчетной сетки. Поэтому проверка моделей — обязательный этап работы.
— В условиях повышенной запыленности двигателя лопатки теряют первоначально заданную геометрию, их поверхность покрывается микробороздами. Как следствие, КПД силовой установки сокращается. Снижая это воздействие, можно увеличить межремонтный ресурс двигателя, замедлить деградацию его параметров, — прокомментировал исполнительный директор агентства «АвиаПорт» Олег Пантелеев.
В мире, подчеркнул он, магистральный путь решения этой проблемы — обеспечить чистоту аэродромов и целостность искусственных покрытий. По такому же пути сегодня идет и отечественная гражданская авиация. Тем не менее и в России, и в других странах еще много грунтовых ВПП и объектов, на содержание которых в нормативном состоянии недостаточно средств.
Поэтому, отметил специалист, найденное решение актуально, особенно если его можно внедрять без существенного увеличения массы и с минимальным удорожанием самолетов.
