Когда полетят самолеты с российским роторным двигателем из композитных материалов?

Июн 23, 2021

Мощность новой модели роторно-поршневого двигателя (РПД) из композитных материалов, созданного российскими учеными, в два раза превышает мощность предыдущих подобных устройств. Двигатель позволит повысить грузоподъемность небольших летательных аппаратов — как беспилотных, так и управляемых. При этом установка таких РПД возможна на уже существующие летательные аппараты без значительного изменения их конструкции.

Ученые из Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова создали РПД на основе материалов нового поколения — интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композитов. Работа велась в рамках совместного проекта с Фондом перспективных исследований.

Основным направлением исследований было создание односекционного экспериментального роторно-поршневого двигателя, на базе которого можно изготовить модельный ряд авиационных РПД мощностью от 100 до 400 л.с.

Важное направление исследований — это применение керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Из керамики изготавливается вставка статора, все уплотнения, а также производится напыление на крышке. Композиты, которые были применены в разных элементах двигателя в процессе испытаний сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композитных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД. (Лаборатория специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

В результате проведения стендовых испытаний двигателя-демонстратора подтверждена работоспособность деталей и покрытий из керамических композитных материалов на основе карбонитрида титана и карбида кремния. Их применение в совокупности с качественной проработкой конструктивных решений позволило снизить удельный вес двигателя на 15-20 %, а также решить основную проблему роторно-поршневых двигателей, повысив ресурс уплотнений. Высокотемпературная керамика в камере сгорания двигателя позволила применить более бедные топливовоздушные смеси и за счет этого добиться низкого удельного расхода топлива. Система турбонаддува и электронная система управления двигателем позволили значительно улучшить удельные мощностные характеристики и расширить возможность применения двигателя на различных летательных аппаратах.

Интегрирование в систему шумоглушения картриджа из высокотемпературного пористого композитного материала на основе карбида кремния позволило снизить уровень шума.

При этом часть элементов системы турбонаддува была изготовлена с помощью технологий 3D-печати с применением отечественного сырья. Также практически с нуля разработана электронная система управления двигателем.

Однако мощность — не единственная важная характеристика двигателя. Одним из важных параметров является малый удельный расход топлива. По сообщению разработчиков, удельный расход топлива на созданном РПД не превышает 217 г на лошадиную силу в час (295 г на 1 кВт). И хотя он выше, чем у лучших современных поршневых двигателей такой же мощности, зато такой двигатель в два-три раза компактнее и имеет значительно меньший вес.

Пока разработчики планируют применять созданные небольшие РПД для легкой авиации — как беспилотников, так и управляемых аппаратов. Примененные технические решения позволят существенно повысить грузоподъемность летательных аппаратов, а также длительность нахождения их в воздухе. Важно, что установка таких двигателей возможна также на уже существующие машины без значительной модернизации конструкции и задействованных в работе самолета систем.

У роторно-поршневого двигателя много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Пока исследователи разработали секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с. (Лаборатория специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)

Повышение экономичности при одновременном увеличении ресурса – задачи следующего этапа испытаний. Также планируется проведение испытаний в термобарокамере высотно-климатического стенда с имитацией высоты полета до 10 000 метров. В дальнейшем модульная конструкция РПД позволит разработать модификации двигателя для применения в наземных и робототехнических изделиях.

В ходе реализации проекта проведены исследования процессов смесеобразования и горения в рабочей камере, а также получены физико-механические характеристики, применяемых в проекте интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композиционных материалов, в том числе образцов материалов, изготовленных с применением аддитивных технологий — послойного наращивания и синтеза детали с помощью компьютерных 3D технологий. Полученные показатели превосходят современные жаропрочные стали и сплавы при значительно меньшей удельной плотности.

Прошло уже достаточно много времени, когда опытный образец успешно прошел испытания по определению технических характеристик. Но когда он появится в серийном производстве и будет установлен на летательных аппаратах?

Источник: naukatehnika.com

Продолжить чтение

самолеты