NASA испытает вентилятор для «утопленных» двигателей
Компьютерная модель воздухозаборника и вентилятора, оптимизированного для втягивания пограничного воздушного слоя
UTRC
NASA и американский исследовательский центр UTRC в ближайшее время начнут продувочные испытания вентилятора, рассчитанного на всасывание воздушного пограничного слоя. Как пишет Aviation Week, такой вентилятор будет устанавливаться на новые турбовентиляторные двигатели для перспективных пассажирских и военных самолетов. Продувочные испытания нового всасывающего устройства для силовых установок будут проводиться в аэродинамической трубе Исследовательского центра имени Гленна.
На современных пассажирских и некоторых военных самолетах используются дозвуковые турбовентиляторные двигатели. В крейсерском режиме полета в силовых установках такого типа большую часть тяги создает воздушный поток, образуемый вентилятором. Если говорить упрощенно, то чем больше вентилятор, тем выше его вклад в создание тяги двигателя. Однако простое увеличение диаметра вентилятора ведет к возникновению другой проблемы — существенного лобового сопротивления в полете.
В полете набегающий воздух несколько тормозится вентилятором, а затем уже затягивается в двигатель. Такое торможение приводит к частичной потере эффективности силовой установки. Для соблюдения баланса между подачей воздуха в двигатель и его торможением на входе лопаткам вентилятора придают особую форму. Обычно они имеют вид сабель с неравномерным изгибом для оптимизации воздушного потока по всей длине (подробнее о вентиляторах и турбовентиляторных двигателях можно почитать в нашем материале).
В качестве одного из способов уменьшения лобового сопротивления турбовентиляторного двигателя разработчики видят его «утапливание» в корпус самолета. В этом случае силовая установка получит щелевой немного выступающий над поверхностью фюзеляжа самолета воздухозаборник. Такое решение, по предварительным расчетам, существенно снизит общее лобовое сопротивление летательного аппарата и позволит повысить топливную эффективность по меньшей мере на восемь процентов.
Однако невозможно взять один из существующих двигателей и «утопить» его в корпусе самолета, потому что это приведет к существенному падению мощности силовой установки и повышению расхода топлива. Дело в том, что вентиляторы на всех без исключения турбовентиляторных двигателях настроены на работу с набегающим свободным потоком воздуха. Но вентилятору «утопленного» в фюзеляж двигателя придется втягивать пограничный воздушный слой с ламинарным медленным течением.
Пограничным воздушным слоем называют тонкий слой на поверхности летательного аппарата, характеризующийся сильным градиентом скорости от нуля до скорости потока вне пограничного слоя. Вентилятор, настроенный на прямой приток воздуха, в «утопленной» конфигурации будет создавать на входе сильный перепад давления, что в свою очередь будет нарушать ламинарное течение воздуха по фюзеляжу перед воздухозаборником и после него. Частично эту проблему можно решить уменьшением глубины воздухозаборника.
Для нормальной работы двигателя в условиях, когда на вход подается воздух из пограничного слоя, необходимо также изменить конфигурацию лопаток вентилятора. Лопатки типичного вентилятора турбовентиляторного двигателя имеют угол атаки 27 градусов. Разработчики провели серию вычислений и компьютерное моделирование, по итогам которых пришли к выводу, что оптимальным углом атаки лопаток вентилятора, оптимизированного для втягивания пограничного слоя, являются 17 градусов.
Испытания вентилятора, оптимизированного для втягивания пограничного воздушного слоя, будут проводиться в аэродинамической трубе на имитированной скорости полета в 0,8 числа Маха (988 километров в час). Как ожидается, установка такого вентилятора на обычный турбовентиляторный двигатель, «утопленный» в фюзеляже, даст прирост топливной эффективности 4,5 процента. Прибавки еще в 3,5 процентных пункта разработчики намерены добиться изменением конфигурации лопаток вентилятора.
В середине октября американская компания Lockheed Martinприступила к формированию концепции перспективного самолета-заправщика KC-Z. В нем особое внимание планируется уделить малозаметности. Для ее снижения компания планирует оснастить танкеры «утопленными» в фюзеляж двигателями, воздухозаборники которых будут прикрыты от радаров гаргротом. За полет KC-Z будут отвечать турбовентиляторные двигатели с вентиляторами, оптимизированными для втягивания пограничного воздушного слоя.