„29 stycznia 2010 roku w Komsomolsku nad Amurem wzniósł się w powietrze pierwszy rosyjski samolot myśliwski piątej generacji PAK FA (T-50) z nowymi silnikami produkcji NPO Saturn. Lot prototypu trwający 47 minut zakończył się pomyślnie. Samolot pilotowany był przez pilota doświadczalnego, Siergieja Bogdana.” Cóż to za silnik? I której generacji?Powyższą informację podała niedawno jako pierwsza jedna z rosyjskich gazet, wychodząca w Rybińsku. Mnie osobiście najbardziej zainteresowała wzmianka o owym „nowym silniku”. Cóż to za silnik? I której generacji? Rozpocząłem poszukiwania wśród rosyjskich źródeł i znalazłem wiele bardzo interesujących rzeczy na ten temat. Oto one.Na początek, nim zrobimy krótką wycieczkę po świecie rosyjskich, bojowych silników odrzutowych (tak właśnie określają je konstruktorzy rosyjscy – silniki bojowe lub wojenne), pozostańmy chwilę przy prototypie samolotu myśliwskiego Generacji 5 i rozszyfrujmy skrót PAK FA. W pełnym brzmieniu oznacza on: ”Perpektywicznyj Awiacionnyj Kampleks Frontowaj Awiacji”, czyli dosłownie Komopleksowy Powietrzny Rozwój Lotnictwa Frontowego” .Program ten, prowadzony przez Federację Rosyjską, zakłada rozwój wszystkich dziedzin i obszarów bojowego lotnictwa Rosji: samolotów, silników, awioniki, struktury naziemnej. Jest to program, w który włączone są największe większe rosyjskie firmy, zakłady produkcyjne i koncerny (nie tylko zbrojeniowe) i zaangażowane wręcz gigantyczne środki finansowe. Na technologicznego zarządcę projektu, który trwać ma najbliższe kilkadziesiąt lat, wybrano firmę NPO Suchoj. Skrót T-50 oznacza zaś, że nowy myśliwiec rosyjski Generacji 5, to wytwór Biura Konstrukcyjnego Suchoja, które od lat przymierzało się do skonstruowania takiego samolotu. [youtube]http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ix0Izx-6Ycw[/youtube] Czy prototyp T-50 jest udany? Za wcześnie, by o tym przesądzać. Wiadomo, że osiągi ma niezłe: przy wadze maksymalnej 37 ton osiąga prędkość powyżej 2 600 km/h (czyli pow. 2 Machów), może zabierać od 7,5 do 10 ton uzbrojenia ( z czego znaczna część chowana jest we wnękach konforemnych kadłuba (co znacząco obniża odbicie radarowe), a jego zasięg maksymalny dochodzi do 5 500 km (zasięg normalny 4000 km). Pułap to 20 000 m, wznoszenie 350m/s. Jeśli do tego dołożyć własności STOL (Short Take-Off and Landing ), czyli możliwości krótkiego startu i lądowania – rozbieg i dobieg nie przekraczają 300 metrów - oraz cechę supermanewrowości, jawi się nam obraz całkiem niezłego myśliwca. I to biorąc pod uwagę standardy Generacji 5. Brakuje, co prawda, możliwości pionowego lądowania (czyli własności STOVL), ale to wynika z zupełnie innej filozofii podejścia do sił powietrznych. Amerykanie mają swój program JSF a Rosjanie swój PAKL FA- i tu są różnice - na poziomie programów wyjściowych.Ale wracając do możliwości T-50. Zastanowiły mnie dwie rzeczy, na które chciałbym zwrócić uwagę. Po pierwszy: supermanewrowość. Samolot o takiej masie musi mieć nie tylko solidny napęd, ale i doskonały system sterownia lotem, przy czym sterowanie samymi powierzchniami aerodynamicznymi (sterami i lotkami lub klapolotkami) raczej nie wystarczy. Więc – powraca sprawa napędu. [youtube]http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=3-31wdwxsek[/youtube] Po drugie-własności STOL.
Podam dla przykładu: samolot myśliwski Eurofighter Typhoon, napędzany dwoma doskonałymi silnikami EJ200, ważący z uzbrojeniem prawie 11 ton rozpędza się do startu na długości 300 metrów. Na tym samym odcinku rozpędza się i startuje, również dwusilniowy, Suchoj T-50 ważący 3 i pół razy więcej (przypominam – 37 ton z uzbrojeniem)! Jakiż potężny napęd musi mieć taki samolot.
I to pojawia się magiczne, przynajmniej dla mnie, pojęcie i słowo-klucz: SILNIK LOTNICZY.Co tak naprawdę napędza Suchoja T-50?
Choć PAK FA ( synonim T-50) jest z założenia myśliwcem Generacji 5, to napędza go silnik Generacji 4+, aczkolwiek nieco zmodyfikowany. Silnik ten został wybrany ze względu na swoje możliwości oraz fakt, że nie jest już prototypem. Został wcześniej sprawdzony i jest w użytkowaniu, napędzając takie samoloty, jak Su – 27SM2 oraz jego wersję eksportową Su-35, a także udoskonalony Su-30/30MKI.Należy on do rodziny silników AL. A należą do nich doskonałe silniki Generacji 4: AL-31F, stanowiące napęd samolotów Su-27, Su-33 i Su-33MK. Rozwinięciem tych silników były AL-31FN i AL-31FP (są to nadal silniki tej samej generacji) a w AL-31FP pojawia się ruchoma dysza wektorująca ciąg. Można powiedzieć, że są to w zasadzie najlepsze rosyjskie silniki turboodrzutowe tej generacji. Nic więc dziwnego, że stały się bezpośrednimi protoplastami nowego silnika Generacji 4+, czyli silnika AL-41F. Został on zaprojektowany i zbudowany (jak zresztą i poprzednie silniki rodziny AL) na zamówienie Biura konstrukcyjnego Suchoj do napędu zmodernizowanego samolotu Su-35. Został on też oznaczony jako „seria 117C”. Rodzina silników AL charakteryzuje się generalnie tym, że ma wspólną konstrukcję tzw. rdzenia, czyli, najprościej rzecz ujmując zespołu sprężarek, wałów napędowych i turbin gazowych (używam liczby mnogiej, ponieważ w każdym silniku turboodrzutowym znajdują się po dwa zespolone typy sprężarek i turbin – wysokiego i niskiego ciśnienia- napędzanych przez dwa wały, z tym, że jeden jest umieszczony w drugim). Tak więc silnik AL-41F (117C), choć należący do rodziny, jest znacznie doskonalszy. Zachował wszystkie najlepsze cechy swoich poprzedników.
A trzeba tu podkreślić dwie. Po pierwsze silnik ma wysoki stopień niezawodności, wydałoby się rzecz oczywista, ale dodatkowo jest odporny na tzw. pompaż. Jest to zjawisko występujące m.in. wtedy, gdy samolot wpadnie w obszar silnych turbulencji lub przypadkowo znajdzie w bliskości (lub je przetnie) strug odrzutowych z silnika (lub silników) innego samolotu odrzutowego. Powoduje to zakłócenie przepływu powietrza przez wlot silnika oraz pracę samego silnika, co może prowadzić do jego zatrzymania. Konsekwencję są wiadome – poważne kłopoty dla załogi. Dla samolotu bojowego, latającego w misjach w różnych warunkach atmosferycznych, nad polem walki lub biorącego udział w walce powietrznej, ta cecha silnika jest nie do przecenienia. Drugą, bardzo istotną zaleta, zwłaszcza z punktu widzenia obsługi naziemnej i gotowości samolotu, jest modułowa konstrukcja silników AL. Umożliwia to wymianę dyszy wylotowej, sprężarki niskiego i wysokiego ciśnienia, dopalacza, turbiny, wału przekazu mocy i innych komponentów, a także naprawę i wymianę łopatek na wszystkich szczeblach sprężarek wysokiego ciśnienia. To wszystko w zasadzie w warunkach polowych. M.in. dlatego większość myśliwców rosyjskich określanych jest, jako „frontowyje” – myśliwce frontowe (większość napraw a nawet remontów można wykonać w warunkach warsztatów przyfrontowych).Ale AL-41F ma jeszcze kilka, bardzo istotnych, cech techniczno-użytkowych, które plasują go w obszarze silników Generacji 4+. Jego maksymalny ciąg jest większy od ciągu AL-31FP o ok. 20% . Wynosi 9 000kG oraz 15 500kG z dopalaczem, czyli odpowiednio 86,3kN i 142,2kN. Znacznie zwiększona jest też jego żywotność i resurs (inaczej określany, jako MTBO – Mean Time Between Outages), czyli Średni Okres Miedzy Remontowy. Resurs jest podwojony: z 500 godzin przy AL-31FP do 1000 godzin dla 117C (nazwy serii będę używał, dla łatwiejszego rozróżnienia w tekście tych silników). Natomiast żywotność, czyli czas całkowitego użytkowania silnika (przecież nie można go remontować w nieskończoność) wzrosła prawie 2 i pół razu (!) i wynosi 4000 godzin dla 117C (przy 1500 godzinach AL-31FP/31FN). To liczby, ale trzeba sobie zadać pytanie, jak osiągnięto tak znaczący (i jak się zaraz okaże, nie jedyny) postęp. Otóż w silniku Generacji 4+, 117C, zastosowano nową technologię projektowania sprężarki niskiego ciśnienia, w tym wentylatora (silniki tego typu, czyli posiadające tzw. wentylator, są określane również silnikami turbowentylatorowymi lub dwuprzepływowymi). Sam wlot powietrza do sprężarki niskiego ciśnienia (LPC – Low Pressure Compressor) poszerzono o 27 mm (ze średnicy 905 do 932 mm). To doprowadziło do zwiększenia przepływu powietrza, a więc czynnika roboczego przez silnik , a to z kolei spowodowało przyrost mocy (ciągu) oraz ogólnej sprawności silnia.Kolejną innowacją jest zastosowanie lepszych turbiny z bardziej skutecznym system chłodzenia łopatek, co przyczyniło się do zwiększenie ich MTBO i żywotności.Co istotne, zmiany te nie miały wpływu na ogólny wymiar i wagę silnika. A to powoduje, że silniki te mogą być uniwersalne i po zakończeniu cyklu użytkowania silników Generacji 4, można je będzie bez problemu zastąpić silnikami 117C w obecnie użytkowanych myśliwcach Su-27/33/30MK/35 (kształt zatoki silnika pozostanie ten sam, jedynie lekko ulegnie modyfikacji kształt wlotów powietrza, ze względu na większą średnicę wlotu powietrza do samego silnika).I wreszcie - zespół elementów silnika, które dają samolotowi, nawet tak masywnemu, jak T-50, nadzwyczajną manewrowość, określaną mianem ‘supermanewrowości”. Tymi elementami są ruchoma dysza wylotowa oraz cyfrowy system kontroli pracy silnika.
Dysza wylotowa umocowana jest w sposób ruchomy i może się odchylać we wszystkich kierunkach płynnie (tzw. 3D – 3 dimmensions). To oznacza, że może się ona poruszać w górę, w dół i we wszystkich kierunkach pośrednich, z odształceniem +/-15 stopni, przy prędkości kątowej 60 stopni/sekundę. Odchylanie dyszy jest kontrolowane przez cyfrowy system kontroli pracy silnika, który zintegrowany jest z cyfrowym systemem kontroli lotu. Tak więc ruch dysz wylotowych obu silników, a tym samym kierunek gazów wylotowych generujących ciąg, względem osi samolotu są ściśle skorelowane z ruchami wszystkich powierzchni sterowych myśliwca. Dzieje się to automatycznie. Trzeba zaznaczyć, że skuteczność zmiany kierunku lotu poprzez zmianę wektoru ciągu jest znaczne większa, niż tylko użyciu powierzchni sterowych i sił aerodynamicznych. A ponieważ silniki mają dużą moc i znaczą możliwość odchylania strumienia gazów, automatyczne powiązanie tego z ruchami sterów bardzo zwiększa skuteczność tych ostatnich. To daje właśnie daje myśliwcowi tak dużą manewrowość. To także dlatego m.in. samolot ten można zaliczyć do klasy supermanewrowych. Ale to jeszcze nie wszystko. Cyfrowe sterowanie pracą silnika nie tylko pozwala wyjątkowo sprawnie manewrować samolotem, zabezpiecza go też przed błędami pilota lub sytuacjami awaryjnymi, z którymi inne myśliwce nie byłyby sobie w stanie poradzić. System komputerów samolotu, połączony w sieć, określana już nawet mianem „sztucznej inteligencji”, może w pełni wykorzystać możliwości silników, żeby np. uniknąć zjawiska przeciągnięcia (nagła utrata siły nośnej), zwłaszcza przy manewrowaniu na niskiej wysokości.System eliminacji przeciągnięcia polega na automatycznym uruchamianiu w locie dopalacza i/lub zmiany ustawienia wektora ciągu silników w taki sposób, aby samolot powrócił do stabilnego lotu w razie jego zakłócenia i niebezpieczeństwa przeciągnięcia. Co najważniejsze, wszystko to odbywa się bez udziału pilota, system działa całkowicie automatycznie. Sterowanie silnika jest również zsynchronizowane z funkcjonowaniem systemów uzbrojenia i stabilizuje automatycznie samolot w czasie otwarcia ognia z działka pokładowego lub odpalenia pocisku rakietowego, tworząc z niego bardzo stabilną platformę ogniową. Przy czym nie wpływa to na obniżenie supermanewrowości.Tak w skrócie można opisać możliwości napędu myśliwca PAK FA. Można by rzec: nie pilot dba o samolot, ale samolot o pilota. Ten drugi ma się skupić na tylko na wykonaniu zadania. Ale okazuje się, że w silniki 117C jest wyposażony tylko pierwszy prototyp myśliwca, (właśnie ten, który odbył już swój pierwszy lot 29 stycznia). Następne dwa prototypy mają wyposażone w jeszcze doskonalsze, zmodernizowane silniki - AL-41F1A (seria 117S). Aczkolwiek nadal będą to silniki Generacji 4+.Czy coś się radykalnie zmieniło w konstrukcji nowego silnika?Odpowiedź brzmi: tak. I to sporo. Przede wszystkim silniki serii 117S mają znacznie wydłużoną żywotność (do 6000 godzin ), oraz resurs – do prawie 1500 godzin. Docelowo maksymalna moc nowego silnika ma wynosić 150 kN ( czyli 5% więcej, niż w 117C). A przede wszystkim zmodernizowany został rdzeń silnika, czyli zespół sprężarki – wały przekazu mocy – turbiny. Choć podstawowe założenia konstrukcyjne pozostały i są to nadal silniki rodziny AL. Zmieniła się również konstrukcja odchylanej dyszy i zakres ruchomości . Prędkość kątowa odchyleń pozostała bez zmian. Nowa dysza jest bardziej zwarta i mniejsza. Nie zmieniły się pozostałe gabaryty silnika co jest jego wielką zaletą, ponieważ nadal może on być wymienialny z innymi silnikami rodziny AL (jedyną barierą może być tu tylko elektronika w przypadku starszych modeli myśliwców ). Poniższy schemat przedstawia różnice w rozmiarach dysz między 117C (powyżej) i 117S (poniżej).
Silnik AL-41F1A mają być produkowane seryjnie, o czym świadczy symbol S w określeniu 117S (S - seryjnyj).Jednak mylne byłoby stwierdzenie, że jest to docelowy napęd dla samolotu myśliwskiego PAK FA. Samoloty te, wprowadzane do służby (trudno określić, kiedy to będzie, Rosjanie planują zrobić to w roku 2015) mają wyposażone już w silniki nowej Generacji 5. Będą one nieco dłuższe, ze zmienionym konstrukcyjnie nie tylko rdzeniem ale również agregatami, komorą spalania i zwiększoną mobilnością dyszy. Ma być również znacznie poprawiony wskaźnik TM (Thrust&Weight ratio- stosunek mocy do wagi silnika). W 117S wynosi on 11,5, w nowym silniku, nazwanym AL-55, ma wynosić 14,5 (w skrócie: moc silnika będzie większa 14,5 razy od jego wagi). Poniżej przedstawiony jest schemat nowego rosyjskiego silnika Generacji 5, AL-55, nad którym intensywne prace trwają już od 2006 roku.
uploadSchemat silnika 5 generacji Saturn - oprac. M. ŁugowskiCzy coś więcej można powiedzieć o nowych rosyjskich silnikach następnej generacji ? Choć są cześciowo nadal zagadką, to powiem jedno: można. I to dużo. To fascynujący rozdział rosyjkkiej technologii. Ale to już inna historia do opowiadzenia kolejnym razem.
Poniżej: dane porównawcze silników AL-41F (117C) i AL-41F1A (117S)
image upload no size limitSilniki AL.-41F1A - 117S na wystawie MAKS 2007 (Maskowskaj Awijacijo-Kosmicieskij Salon- Moskiewski Salon Lotniczo-Kosmiczny).
(źródło Maciej Ługowski samoloty.pl)